海洋工程結構物快速連接新型犧牲陽極的研究

陽利軍,張國慶,李 妍,劉福國,于 萱

海洋石油工程股份有限公司,天津 300451

犧牲陽極陰極保護系統主要由均勻布置在結構物上的犧牲陽極組成，通過消耗犧牲陽極本身為結構物提供陰極保護，其優點是一次性投入，簡單可靠，不需要維護，保護效果好[1]。

海洋工程結構物的陰極保護電流密度應根據保護初期、中期和后期的不同階段分別設計。在保護初期，結構物裸鋼表面還未形成鈣質沉積層，因此初期極化需要較大的保護電流密度以加速結構物表面極化，加快鈣質沉積層的形成，以使結構物能夠在較短時間內極化到保護電位[2]；經過初期的大電流極化以后，結構物表面已經形成鈣質沉積層，因此中期穩定維持期需要的保護電流密度減小：后期再極化所需保護電流密度較中期高，但因結構物表面已有鈣質沉積層及海生物覆蓋，因此后期所需保護電流密度較初期要小。目前，海洋工程常規用犧牲陽極多為梯形或矩形截面，這種截面的犧牲陽極在不同的保護階段表面積變化較小，不能根據不同階段保護電流密度的需求靈活提供不同大小的保護電流，因此犧牲陽極的截面形式有待優化。

另外，在對海洋石油平臺導管架和海底管道進行陰極保護狀態檢查時，發現某一段或某一局部區域的犧牲陽極存在消耗過快現象，致使一些局部區域處于欠保護狀態，如不及時采取有效的補救措施，將可能引發腐蝕失效風險。若采用水下焊接犧牲陽極進行修復，需要動用多種水下水上設備配合協同作業，費用高昂。

針對上述問題，本文研發一種可實現水下快速連接的新型犧牲陽極，能夠用于海洋結構物局部陰極保護缺陷的快速修復。

1 快速連接裝置的研究

為了實現犧牲陽極在被保護結構物上的快速安裝和電連接，研制了一種快速連接卡箍裝置，見圖1。快速連接卡箍裝置的作用是實現水下安裝時快速連接，并保證犧牲陽極與被保護結構桿件之間形成可靠的電連接。快速連接卡箍裝置主要由位于頂端的手柄頂針、環形卡箍和底部的活動式彈簧張力板組成。電纜線與卡箍上的接線柱相連，實現犧牲陽極與被保護結構桿件的電連接。

圖1 快速連接卡箍裝置

該快速連接卡箍裝置結構簡單、安裝方便，能夠有效降低安裝成本。除了可以為犧牲陽極提供快速電連接，還具備搭載參比電極、固定電纜、固定陰極點等多種功能。

快速連接卡箍裝置的安裝方式如圖2所示。設計的環形卡箍直徑略大于被保護的結構桿件，底部的兩片張力板分別由彈簧拉緊。安裝時將兩片張力板扳向卡箍架一側，使結構桿件能順利滑入環形卡箍內，當結構桿件滑入環形卡箍后，彈簧將張力板拉緊，鋼管滑入后，張力板被彈簧拉緊，緊緊抵住結構桿件，使自身固定在鋼管上。這時輕輕旋轉位于頂端的手柄頂針，頂針向下緊緊頂在結構桿件上，通過頂針頂部的尖端與鋼管實現電連接（如果結構桿件表面有涂覆涂層，則應旋緊手柄頂針使頂針尖端刺破涂層實現電連接）。在旋轉手柄頂針將頂針壓緊結構桿件過程中，桿件向下滑，張力擋板被彈簧拉動使之緊緊抵在鋼管上，保證了整個裝置的固定與電連接。拆卸時只需旋松手柄頂針，搬動張力板即可將快速連接卡箍取下。

圖2 快速連接卡箍安裝示意

2 新型犧牲陽極的研究

研制的新型犧牲陽極結構示意見圖3，截面為“T”形。相比于常規犧牲陽極，主要增加了較薄的“T”形側翼結構。這種結構形式增加了犧牲陽極的表面積，能夠更好地滿足結構物初期極化所需較大保護電流密度的需求，使被保護結構物能夠在初期實現快速極化[3]，同時由于“T”形側翼結構部分相對較薄，在初期快速極化被消耗后，犧牲陽極的截面基本上恢復到常規的梯形截面，后續提供的保護電流降低，從而與中期穩定維持期需要的較小保護電流密度匹配。通過初期加速極化，使得結構物表面快速形成鈣質沉積層，整體上降低犧牲陽極的用量，節約了成本。

圖3 新型犧牲陽極結構示意/mm

海洋工程結構物陰極保護裝置中使用的犧牲陽極多為鋁基犧牲陽極[4]。本文研究的新型犧牲陽極為鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，其組成成分見表1。

表1 新型鋁基犧牲陽極成分

根據GB/T 17848—1999《犧牲陽極電化學性能試驗方法》，對新型犧牲陽極進行了電化學性能測試[5]，計算了實際電容量和犧牲陽極的消耗率，結果見表2。從表2可以看出，新型犧牲陽極的電化學性能符合GB/T 4948—2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》中的實際電容量≥2 400 Ah/kg和消耗率≤3.65 kg/(A·a)的要求[6]。

表2 新型犧牲陽極的電化學性能

3 快速連接新型犧牲陽極樣機研制及實際海洋測試

3.1 快速連接新型犧牲陽極樣機研制

在快速連接卡箍裝置和新型犧牲陽極的研究基礎上研制了快速連接新型犧牲陽極樣機，如圖4所示。快速連接新型犧牲陽極樣機主要由犧牲陽極吊艙（包括吊耳、支架和支腳等支撐結構）、快速連接卡箍及連接電纜組成。

圖4 快速連接犧牲陽極樣機示意

為了對比測試新型犧牲陽極和常規犧牲陽極的性能，分別采用相同質量的新型犧牲陽極和常規犧牲陽極制作了犧牲陽極樣機，上部是由角鋼焊接的正方形框架，框架上安裝有吊環，方便吊裝；底部也是由角鋼焊接而成的正方形框架，框架的每個角有一個角鋼支腳，保證整個結構穩固性，如圖5所示。其中每根犧牲陽極質量約50 kg，總質量200 kg。

圖5 犧牲陽極樣機

3.2 快速連接新型犧牲陽極樣機實際海洋測試

設備樣機制作完成后進行一年的實際海洋測試，測試新型犧牲陽極和常規犧牲陽極發生電流的變化，并對比其性能。

測試地點選擇在青島海洋腐蝕研究所海水試驗站內，試驗站內的海水處于流動狀態，為新鮮的天然海水，有一定的含沙量，可以較好地模擬犧牲陽極的實際工作環境。試驗站內在天文大潮時最低潮位水深仍可達4 m左右，天文大潮水深可到8 m，保證了犧牲陽極的全天候不間斷運行。海水流速0.1～0.5 m/s，便于測試犧牲陽極與結構物電連接的可靠性。采用ZF-10B數據采集存儲器采集數據，采集器為高精度多通道電流采集器，可同時采集4路電流。

圖6為試驗樣機在實際海洋測試3個月左右的照片，從圖中可以看出新型犧牲陽極和常規犧牲陽極表面均溶解均勻，未見局部腐蝕脫落或坑洞，尺寸變化微小。

圖6 實際海洋測試照片

圖7～圖10為實際海洋測試犧牲陽極發生電流對比圖，分別對應的實際海洋測試時間是300 h、3個月、6個月、10個月。從圖7可以看到實際海洋測試的前300 h新型犧牲陽極較常規犧牲陽極發生電流多出50%。犧牲陽極發生電流呈現周期性變化，原因是發生電流隨潮汐變化，24 h為一周期，漲潮時發生電流逐漸增加，退潮發生電流減小。測試結果驗證了“T”形截面新型陽極能夠在初期發出較大保護電流。

圖7 前300 h犧牲陽極發生電流對比

圖8 第3個月犧牲陽極發生電流對比

圖9 第6個月犧牲陽極發生電流對比

圖10 第10個月犧牲陽極發生電流對比

從圖8中可以看出3個月后新型犧牲陽極與常規犧牲陽極發生電流大小趨勢發生改變，新型犧牲陽極發出電流最大值和最小值分別為1.7 A和0.8 A，常規犧牲陽極發出電流最大值和最小值分別為2.1 A和1.0 A，新型犧牲陽極較常規犧牲陽極發出電流低20%左右，表現出“節約”陽極特征；分析原因為新型犧牲陽極初期發生電流大，鋼結構快速極化達到保護，后期需要電流減小，而常規犧牲陽極未表現出此特點，可為后期大型犧牲陽極實際海洋性能測試的系統設計、實施方案提供參考依據。從圖9和圖10可以看出新型犧牲陽極和常規犧牲陽極發生電流規律與第3個月基本相同，新型陽極都表現出節約陽極特征，同時犧牲陽極的發生電流隨潮汐和季節水溫的不同有所變化。

4 結論

（1）新型犧牲陽極截面為“T”形，犧牲陽極表面積增加，在初期能夠提供更大的保護電流，加快被保護結構物的初期極化，在結構物表面加速形成鈣鎂沉積層，降低中后期的保護電流密度需求，整體上提高結構物的陰極保護效果，并可節約犧牲陽極用量。

（2）快速連接裝置可以由潛水員或者水下機器人ROV在水下完成快速連接施工，不需要進行水下焊接工作，可以節約大量的水下施工成本。

（3）快速連接新型犧牲陽極適用于海洋結構物的局部陰極保護缺陷的快速修復。