通用型FPSO參比電極研究

王祥鑫 張學輝 吳 雨 宋世德 黃 一

（1. 大連理工大學，大連 116024；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

在通用型FPSO外加電流陰極保護系統中，需要使用參比電極對FPSO船體電位進行測量，測量得到的數據反饋給外加電流陰極保護系統控制模塊，以便于動態調節系統輸出電流，確保FPSO船體處于合理的保護狀態。參比電極性能是否滿足工程要求，對外加電流陰極保護系統和FPSO能否能在全壽命周期內正常運行有著重要影響。

由于通用型FPSO長期工作于遠離海岸的海域，不能像普通船舶那樣定期進塢維修、保養[1]，參比電極水下維護和更換難度大，因此參比電極是保證通用型FPSO外加電流陰極保護系統實現長使用壽命的關鍵。文章將從參比電極電極體材料與封裝后結構兩方面展開。參比電極的電極體材料應當具有良好的可逆性、重現性和電位穩定性；封裝后結構則應該具有合適的硬度以滿足后期參比電極的水密性能要求，還應該具有一定的絕緣性能。通過調研參比電極的電極體材料性能，確定適用于FPSO用的參比電極電極體；通過電位穩定性試驗確認所選電極體的電位長期穩定性能；最后，通過對封裝后參比電極結構進行性能測試，考核其是否滿足規范和設計要求。

1 參比電極電極材料選型

參比電極按有無電解液，可分為液體參比電極（如飽和甘汞電極，飽和Cu/CuSO4電極等）和固體參比電極（如高純鋅參比電極，銀/氯化銀固體參比電極等）[2]。液體參比電極的種類多，成本較低，適用于土壤、淡水以及海水等場合，但液體參比電極內部的溶液與被測體系溶液的組成成分不同，因而會產生液接電勢，造成測量誤差，且不同溶液也存在相互污染和密封困難的問題。相比之下，固體參比電極無液接電勢，具有測量誤差小、耐浸泡、使用壽命長、對被測溶液環境適應能力強等優點，更適宜作為外加陰極保護系統的監測設備。

工程中使用的參比電極必須滿足以下要求：

（1）參比電極應具有可逆性，其電極電勢符合能斯特（Nerst）方程[3]：

其中，E為電極電勢，E0為標準電極電勢，R為氣體常數，T為絕對溫度，n為反應的電子數，F為法拉第常數，aX-為溶液中X-離子的活度；

（2）參比電極應具有良好的電位穩定性。在實際使用過程中，電極材料容易受到周圍環境影響導致電位發生變化，造成一定的測量誤差。應用于外加電流陰極保護的參比電極電位波動一般要求小于40mV；

（3）參比電極應具有較好的耐電流極化性能。有電流經過參比電極時，參比電極的電位迅速達到新的穩定值，且與通電之前的穩定值變化不大。在實際使用過程中，陰極保護系統中的恒電位儀會向參比電極發出微弱的電流，當電流密度小于0.1μA/cm2時，參比電極不會被極化，斷電后能夠迅速恢復到原來的數值；

（4）參比電極溫度響應性好、具有電位重現性。要求參比電極在溫度變化的過程中具有保持電位穩定的性能，即具有抵抗溫度變化影響的能力；同種材料同批次制作的參比電極電位應保持一致，同種材料不同批次制備的參比電極電位也應該 相同；

（5）參比電極制備簡單，電極材料易于獲得，具有一定的經濟性。

基于以上對參比電極的要求，本文針對目前市面上常用的幾種參比電極展開調研，主要包括：氫電極、飽和甘汞電極、Ag/AgCl參比電極、銅/硫酸銅參比電極和高純鋅參比電極。各種參比電極的參數如表1所示：

表1中參數表明高純鋅和銀/氯化銀這兩種電極是FPSO外加電流陰極保護系統中參比電極的優選材料，考慮到在實際工程使用中：銀/氯化銀參比電極測量面積小，若在牡蠣、藤壺等常見海洋生物生長的情況下，裸露的測量部位極易被全部覆蓋，導致電極失效；采用粉壓法制得的銀/氯化銀參比電極質脆，在受到沖刷或者撞擊的情況下極易損環，長期使用的可靠性不高；海水中的溴離子、碘離子等鹵族元素的存在會導致銀/氯化銀參比電極電位發生漂移，導致銀/氯化銀參比電極性能下降。

表1 不同類型參比電極參數對比

綜上，選擇抗沖擊和耐海洋生物污損性能較好的高純鋅參比電極作為通用型FPSO的參比電極。

表2 參比電極技術指標

2 參比電極電位長期穩定性試驗

參比電極電位的穩定性是衡量參比電極是否合格的重要參數之一。規范GB/T 7387-1999《參比電極技術條件》[4]對高純鋅參比電極的電位穩定性做出了以下要求：

在25℃恒溫水浴鍋中以3.5%的氯化鈉溶液為電解液，對高純鋅參比電極的電位穩定性進行測試。

圖1 高純鋅參比電極電位穩定性試驗

高純鋅參比電極電位穩定性試驗一共測試了528小時，三個參比電極分別編號為高純鋅RE1、高純鋅RE2和高純鋅RE3。高純鋅電位隨實驗時間變化的曲線如圖2所示，試驗開始時，高純鋅RE2與高純鋅RE3的電位初始值相差了14.8mV。0～240h期間，三個被測量的參比電極電位穩定性表現較差，其中高純鋅RE2電位漂移最大，達到29.1mV。隨著試驗時間的增加，高純鋅參比電極電位穩定性逐步提高，以高純鋅參比電極電位漂移小于5mV即為穩定狀態，高純鋅RE1在試驗進行到408h達到穩定，高純鋅RE2在試驗進行到360h達到穩定，高純鋅RE3在試驗進行到336h達到穩定；最終的電位穩定在-1041.1～-1048.4mV。試驗結果表明，該高純鋅參比電極電位波動不超過30mV的要求。

圖2 高純鋅參比電極電位隨試驗試件變化曲線

表3 高純鋅參比電極長期穩定性測試結果

3 參比電極結構設計

參比電極參照規范GB/T 7387-1999《參比電極技術條件》中CCX-1型圓盤狀高純鋅參比電極進行設計，并對其封裝形式進行了改良。為了簡化參比電極的封裝流程，提高參比電極的防水性能和絕緣性能，參比電極除工作面外的其他表面預先通過高阻值、耐老化的改良氯丁基橡膠進行封裝，并在橡膠表面設置多道水密環，以增加其防水性，參比電極結構如圖3所示。

圖3 高純鋅參比電極結構

4 參比電極性能試驗

4.1 參比電極水密試驗

通用型FPSO參比電極安裝在FPSO船體外板上，且長期工作于海平面以下，為防止安裝后滲水等問題的發生，需要驗證參比電極安裝后整體結構的水密性能。GB/T 7387-1999《船用參比電極技術條件》中第4.6節提到：參比電極結構在水壓196KPa下，歷時15分鐘應無滲水現象。本次研究的參比電極應用于通用型FPSO，為達到參比電極長壽命的使用要求，提高試驗條件，驗證所設計參比電極結構在2MPa水壓條件下的水密效果。

將參比電極安裝于壓力艙內，打開水壓機開關，通過水壓機向試驗裝置內緩慢加壓至2MPa。試驗結果表明，3h內艙內壓力維持在2MPa且無滲水現象，說明參比電極的水密設計滿足工程使用 要求。

圖4 高純鋅參比電極水密試驗

4.2 參比電極絕緣試驗

為準確測量參比電極與其周邊船體外板電位差，安裝后的參比電極的電極體應當與安裝法蘭艙保持絕緣且參比電極的電極體與封裝材料也應保持絕緣。采用500V的兆歐表對高純鋅參比電極樣品測試電極體與封裝材料之間的絕緣電阻以及電極體與水密罩之間的絕緣電阻。

GB/T 7387-1999《船用參比電極技術條件》中要求：電極體與封裝材料之間絕緣電阻以及電極體與水密罩之間的絕緣電阻，在干燥狀態下，應當大于1MΩ。實驗結果如圖5所示，電極體與封裝材料之間的絕緣電阻以及電極體與水密罩之間的絕緣電阻在干燥狀態下的絕緣性能滿足規范給定的1MΩ標準，因此此種封裝形式的參比電極的電絕緣性能滿足規范和設計要求。

圖5 高純鋅參比電極絕緣試驗

5 結語

通過對各種參比電極性能的調研，確定了通用型FPSO用參比電極的電極體材料為高純鋅。

電極體長期電位穩定性試驗驗證了高純鋅電極體電位穩定符合規范要求。

參比電極水密性試驗和絕緣性試驗驗證了所設計的高純鋅參比電極結構滿足規范和設計要求。