輔助陽極的分布對導管架陰極保護電位的影響研究

李 輝 陳亞林 賀海龍 韓 冰 李向陽許 彪 廖卓偉 尹鵬飛 李金梅 鄭志建

（1. 中海油能源發發展裝備技術有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2. 青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；3. 大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

在海洋強國戰略的大背景下，海上風電、海上采油、采氣等海洋工程項目正抓緊布局、實施。無論近海還是遠海，海洋工程用鋼面臨的首要問題就是腐蝕。眾所周知，海水中較高的氯離子濃度，使得海洋環境的腐蝕速率較淡水、內陸環境高出數十倍，因此，海洋工程的防腐問題較為突出。目前，針對大型海工鋼構物，國內主要采用犧牲陽極的陰極保護方法。這種方法工程經驗豐富、成本低、無需專業人員維護，受到了工程人員的廣泛認可。但國際上，正在逐步減少、淘汰犧牲陽極的使用。究其原因，是因為犧牲陽極在冶煉時造成嚴重的大氣污染，同時在使用時，大量的金屬離子，尤其是其中的重金屬離子溶于海水，對海洋環境產生威脅。

外加電流陰極保護法是目前日趨成熟的海工防腐方法，在國外已大量工程應用[1]，國內正處于推廣階段，其最主要的特點就是環境友好。目前各個領域，如海上風電樁基、升壓站導管架、采油平臺導管架等，都逐步接受這一形式，但由于工程經驗較少，在遠海，尤其是采油、采氣平臺上推廣應用較慢。

由于海洋工程外加電流系統中輔助陽極一般數量較少，發生電流集中，因此容易造成被保護物靠近輔助陽極區域過保護和遠離輔助陽極區域或者屏蔽嚴重區域欠保護的危險[2-4]。因此在外加電流陰極保護中，鋼結構表面電位分布的均勻性是評價陰極保護系統設計的重要指標[2]。

數值模擬法和縮比模型法是外加電流陰極保護系統優化設計的兩種方法[5]。數值模擬法是利用計算機邊界元或有限元程序求解描述陰極保護電場的偏微分方程，從而預測被保護構筑物表面電位分布[6-8]。數值模擬法多是針對靜態環境模型進行計算，而實際的陰極保護環境是隨時間發生變化的，包括海水流動、陰極極化過程中鋼表面鈣鎂沉積層的變化等，因此邊界條件中陰極表面電位與電流密度函數會隨時間不斷變化，僅根據靜態環境的電位與電流密度函數關系描述整個陰極極化過程，模擬結果會和實際數據有偏差[2]。

縮比模型法是利用被保護物的縮比模型優化預測分析被保護物表面電場，將平臺的外形尺寸按一定比例縮放，同時將海水的電導率也縮比相同的比例。該方法具有復制平臺復雜幾何形狀，而不依賴任何所用材料的極化曲線等電化學數據，具有節省時間、降低成本的優點，現已在船體陰極保護設計中得到應用[9-11]。

本文主要從工程角度出發，采用縮比模型法研究了輔助陽極距離、數量、流動海水等情況對導管架陰極保護電位分布的影響，試驗結果可以給具體工程提供借鑒。同時，在模擬實驗中發現了電位容易受外部條件影響的區域，以及容易過保護、欠保護的區域。因此在實際工程中，可以在這些區域布置電位探頭，用以監測其電位變動情況，從而可以大致掌握整個導管架的陰極保護情況。

1 試驗

試驗以中海石油WC14-3采油平臺導管架為基礎，構建了1:65的縮比模型，模型材料為Q235碳鋼，模型各連接處采用單面滿焊焊接，焊接后對焊縫進行打磨處理，保證焊道外面光滑。

輔助陽極采用自制的遠地式輔助陽極（如圖1所示），主材為鈦基金屬氧化物，有效外露陽極共4根φ3×60mm的圓棒。其支架是PVC板，并固定于混凝土底座上。

電位監測系統利用自制的粉壓Ag/AgCl作為參比電極，所有電位測量數據由數據采集儀自動采集、記錄。參比電極在海水中浸泡10d后，用飽和甘汞電極測量其電極電位，挑選符合GB/T 7387-1999要求的參比電極用于試驗測量。本試驗中共布放10支參比電極，布放位置如圖2所示。

整個縮比試驗裝置放在模擬水池（如圖3所示）中，水池尺寸為4.1×3.0×2.1m，水池四周及底面均標有刻度尺，水池本身裝有造涌、造浪裝置，可模擬實際的流動海水情況。外加電流裝置使用ZF-9型恒電位儀，確保外加電流系統有穩定、精確的恒流輸出。試驗所用海水為自然海水經淡水稀釋100倍的人工海水。

2 結果與討論

為了研究輔助陽極距導管架的距離，對導管架陰極保護電位分布的影響，以及流動海水對陰極保護電位的影響。我們將導管架緊貼水池一側中間放置，輔助陽極放在距離導管架底邊正前方120cm處的水池底面，液面處于第一平層與頂端之間，距離導管架模型頂端23cm。池中海水循環流動時，導管架模型附近的水流約30cm/s，其中水面和水底附近的流速較小，所測瞬時流速不超過35cm/s，中間流速較大，所測瞬時流速小于45cm/s。

試驗期間，移動輔助陽極，使其逐漸靠近導管架模型，在距離40cm、60cm、80cm、100cm、120cm時，開始施加100mA的陰極電流，并分別測量靜態、動態海水中，導管架的陰極保護電位。每個間距點測量時，先測量靜態海水中的數據，測量結束后及時斷電，并間隔8h以上，再測量動態海水中的數據，確保每次測量前導管架充分去極化。測量結果如圖4～圖8所示。

首先，靜態海水與動態海水條件下的橫向比較中，無論間距遠近，動態海水的10個監測點的陰極保護電位值比較分散，既各點電位差距較大，而靜態海水下，各點的陰極保護電位值相對集中。動態海水下的電位分散性在間距40cm和120cm時尤為突出，說明動態海水更容易出現過保護和欠保護的情況，而輔助陽極與被保護物間的距離調整，可以改善電位分散的情況。我們知道，相同條件下，海水流速越快，其陰極去極化能力越強。而導管架復雜的結構，以及海水流速在縱向上的差異，使得導管架各點附近的實際海水流速差別較大。因此，各點不同的陰極反應速率導致了各點電位值有較大差異。

此外，我們發現，距離水面較近的監測點，如1#、6#，其電位相對偏正，處在水底的電位監測點，如3#，其電位相對偏負。而且無論在靜態還是動態海水中，無論輔助陽極距離導管架模型遠、近，這種情況始終存在。對于遠地式外加電流系統，由于輔助陽極距離3#點始終最近，而距離1#、6#始終最遠，加上水面附近的溶氧充足，容易去陰極極化，因此在電位分布上，底端的3#點電位最負，頂端的1#、6#點電位最正。也就是說，上述點位是容易過保護和欠保護的地方，在外加電流系統中需要重點監測。

在不同間距下測得的導管架電位的縱向比較中，我們著重研究了不同距離，對導管架電位分布均勻性的影響。圖9為不同間距下，導管架各點的電位差極值。靜態海水中，隨著輔助陽極向導管架逐漸靠近，電位差極值先減小，后增加，在間距80cm時電位分布最均勻。而動態海水中，上述規律并不明顯，在間距80cm時，電位差極值雖然出現了一個拐點，但間距40cm時，導管架的電位分布才最均勻。需要指出，這種電位分布規律，僅適用于遠地式外加電流系統。因為在遠地式外加電流系統中，輔助陽極距離導管架較近，會造成電流屏蔽，結構復雜和距離陽極較遠的地方，陰極電流分流較少，造成電位分布不均；如輔助陽極距離導管架較遠，回路電阻明顯增加，導管架是距離陽極較遠的地方回路電阻大，陰極電流分流少，也容易形成電流分布不均。實際海況下，由于導管架各點的海流差別較大，海流影響陰極反應速率，進而影響導管架表面電位，但不同流速對導管架電位分布影響，還需進一步探究。

使用與上文中相同的輔助陽極2組，分列在導管架左右兩側且距離導管架中心距離相等，兩個輔助陽極橫向間距300cm，縱向與導管架近側底邊的距離為200cm，并在縱向上同時移動兩個輔助陽極，逐步接近導管架模型。測量方法與單組陽極的試驗一致。

本組試驗，分別測量了輔助陽極距導管架底邊縱向距離為40cm、80cm、120cm、160cm、200cm時，靜態、動態海水中導管架各點電位，結果如圖10～圖14所示。

采用左右2組輔助陽極發生陰極電流時，明顯可以看出動態海水中，與1組輔助陽極相比，導管架各點電位值的分散性較小。上述圖10～圖14靜態與動態的橫向比較中，電位值的分散性基本相當，亦表明2組輔助陽極，明顯有助于動態海水中的導管架電位均勻分布。

上述圖10～圖14中，依然發現1#、6#點位，也就是最靠近水面的地方電位最正，但電位最負點，變成了8#點位。8#點與3#點在同一水平面，雖然2組輔助陽極改變了最負電位的位置，但整體規律沒變，既遠地式外加電流系統中，底端容易過保護，而頂端容易欠保護。

圖15是使用2組輔助陽極后，各間距測量點的電位差極值變化情況。靜態海水中，我們發現了與1組輔助陽極試驗中相同的規律，只是電位分布最均勻的間距為120cm。采用2組輔助陽極后，對動態海水中的電位分布均勻性影響明顯。可以看出下圖中，動態海水條件下，電位差極值的變化也出現了與靜態海水相近的V型規律，且同樣在間距120cm時，電位分布最均勻。

從上述結果中可以看出，2組輔助陽極的使用，主要影響了動態海水條件下的電位分布，使得導管架的電位分布更均勻，改善了1組輔助陽極導致的容易發生過保護和欠保護的情況，這對實際工程具有重大的指導意義。但總體看來，流動海水較靜態海水，增加了導管架的外加電流陰極過保護、欠保護的風險。

3 結語

遠地式外加電流陰極保護系統組，距離輔助陽極較近的位置容易發生過保護，距離輔助陽極較遠的位置容易發生欠保護，工程應用中應重點監測。

動態海水中的導管架陰極保護電位分布較不均勻，增加了過保護、欠保護的風險，亦表明海水流速對陰極保護電位分布存在相關性影響。

輔助陽極距導管架的距離，影響了導管架電位分布的均勻性，隨著輔助陽極遠離導管架，導管架各處的最大電位差先變小，后變大，亦既對于電位均勻性來說，存在一個最佳距離。

2組輔助陽極的使用，明顯改善了動態海水條件下，導管架電位分布的均勻性，降低了過保護、欠保護的風險。