前沿科技 | 極端海洋環境鋁合金犧牲陽極服役狀況調查分析
2019-09-24 13:21:58 作者:張文鋒 陳韜 馬化雄 中交天津港灣工程研究院有限公司 來源:《腐蝕與防護之友》 分享至:

 一、引言

犧牲陽極陰極保護作為一種有效的防腐方法,具有保護度高、保護費用低、保護周期長、維護要求低等優點,在海洋工程構筑物中得到了廣泛使用。犧牲陽極是一種依靠自身腐蝕速率增加而使與之偶合的陰極(鋼結構等)獲得保護的電極,其工作性能與化學成分、組織結構、所處工作環境、表面狀態等因素密切相關。目前,常用的犧牲陽極有鋁合金犧牲陽極、鎂合金犧牲陽極和鋅合金犧牲陽極三種。其中,鋁合金犧牲陽極由于性價比高、實際電容量大等特點被廣泛的應用于海洋環境中。下文主要就鋁合金犧牲陽極展開調查分析。


理論上講,當鋁合金犧牲陽極質量合格、設計合理時,只要陽極所處海洋環境狀態良好,陽極將按正常速度逐步消耗直至壽命結束。然而實際上,由于海洋環境的復雜性和工程使用的需要,鋁合金犧牲陽極常處于不利的工作環境中,使得陽極性能下降、壽命縮短,嚴重影響陰極保護的效果和年限。當鋁合金犧牲陽極在回淤環境下使用時,隨時間推移,陽極常會被海泥不同程度掩埋。

傳統犧牲陽極設計和施工通常很少考慮回淤的影響,因此當設計用于海水環境中的鋁合金犧牲陽極被海泥掩埋,被動用于海泥中時,工作性能可能會下降甚至失效。犧牲陽極性能一旦下降甚至失效,不僅會因增加陽極用量使成本增高,而且將影響陰極保護效果和年限。

此外,在安裝初期,犧牲陽極表面狀況良好,溶解均勻,但一段時間后,表面往往會被較厚的海生物(如牡蠣、藤壺等)不均勻覆蓋,也會影響其使用效果。

為明確鋁合金犧牲陽極在極端海洋環境下(主要指回淤環境)的服役狀況,對典型港口碼頭、跨海大橋等展開了現場調查和分析。

二、極端海洋環境犧牲陽極服役狀況的現場調查
 
1. 回淤港口碼頭現場調查總體情況
 
現場調查了某回淤港口碼頭的鋁合金犧牲陽極,調查內容包括犧牲陽極的保護效果、安裝狀態、表面溶解情況等。

現場調查方法包括潛水員探摸、水下攝像(見圖1)和現場取樣(見圖2)。

 


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圖1 潛水員水下探摸及攝像
 
 
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圖2 犧牲陽極現場取樣
 
某港口碼頭鋼管樁犧牲陽極的總體調查結果如下:

(1)該碼頭大部分犧牲陽極仍處于海水中,但鋼管樁底層(靠近泥面)和碼頭后方鋼管樁上的犧牲陽極,因回淤泥面升高,已被海泥不同程度掩埋。

(2)海水環境中犧牲陽極安裝狀態良好,未發生焊腳脫焊、陽極脫落等現象,但表面覆蓋著厚度不均勻的海生物和腐蝕產物(見圖3)。清除表面覆蓋物和腐蝕產物后發現,犧牲陽極溶解基本均勻,未發現陽極塊本體較大塊脫落的現象,但局部已出現不均勻溶解情況(圖4)。

(3)被保護鋼管樁電位為-780mV~-1050mV(相對于海水AgCl 電極,下同),處在保護電位范圍內,說明盡管犧牲陽極系統被局部掩埋,調查期間犧牲陽極仍可為鋼管樁提供良好的保護。

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圖3 清除附著物前的陽極狀況
 
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圖4 清除附著物后的陽極狀況
 
2. 回淤港口碼頭犧牲陽極及其所處環境規律
根據歷年現場調查數據發現,當處在回淤環境下時,被調查碼頭的犧牲陽極及其所處環境呈現如下規律:

(1)越靠近碼頭后方,犧牲陽極被掩埋的越嚴重。以某碼頭(見圖5)為例,該碼頭每個排架有9 個軸(A~H1),A 靠近碼頭前沿,H1 靠近碼頭后方。其中,A、B 軸安裝了3 塊陽極,C、D 軸安裝了2 塊陽極,E、F、G、H、H1 軸安裝1 塊陽極。檢查過程中發現,由于回淤導致的泥面升高,A、B 軸鋼管樁的下層陽極和G、H、H1 軸鋼管樁的陽極已處于被海泥掩埋狀態。碼頭后方本來泥面較高且易于淤積,這可能是造成上述規律的原因。

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圖5 碼頭結構示意圖
 
(2)隨著時間的推移,碼頭下方的海泥面也隨之升高,犧牲陽極的被掩埋比例也有所提高,但隨著時間的繼續推移,這種比例趨于穩定。同樣以某碼頭為例,該碼頭犧牲陽極于2006 年投入使用,2011 年檢測發現,靠近碼頭前沿的A、B 軸鋼管樁的底層陽極,以及靠近碼頭后方的G、H、H1 軸的陽極已被掩埋。隨后數年,盡管泥面仍在升高,但犧牲陽極的被掩埋規律仍與2011 年基本相似。該規律可能也與回淤規律有關,即碼頭投產前期泥面升高較快,隨著時間推移趨于相對穩定。

3. 回淤港口碼頭犧牲陽極現場取樣
為更好地觀察犧牲陽極表面狀況,在現場進行了海水中犧牲陽極(服役期)和海泥中犧牲陽極(已達使用壽命)的切割取樣。取樣在技術人員指揮下由潛水員實施,其過程是:在選定的鋼管樁處,利用水下切割法現場取出犧牲陽極,在清理表面腐蝕產物和其他附著物后,觀察犧牲陽極的狀況,檢查結束后將服役期海水中犧牲陽極重新焊接于原位置。

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圖6 為海水中犧牲陽極的狀況。海水中的犧牲陽極表面被海生物和腐蝕產物不均勻覆蓋,清除覆蓋物后發現陽極表面凹凸不平,存在一些蝕坑,但未發現陽極塊本體大塊脫落。陽極表面蝕坑呈不均勻分布,以邊、角等部位居多且形狀不規則,說明陽極發生了局部溶解,特別是海生物覆蓋的邊、角部位,出現了較嚴重的不均勻溶解。犧牲陽極腐蝕產物呈蓬松絮狀較易脫落,其中還夾雜著海泥、海生物等。

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圖7 為海泥中犧牲陽極的狀況。海泥中犧牲陽極剛取出時,表面全面包裹著海泥、腐蝕產物等附著物。但稍用力移動,表面附著物便大塊脫落,露出新鮮的陽極表面。由此可見,這些附著物并非固結在陽極表面,而是較易脫落。

除附著物整塊脫落外,陽極局部還出現了本體大塊脫落現象。相比之下,海水中陽極的表面腐蝕產物較少,且極少出現陽極大塊脫落現象。

 
4. 回淤環境下跨海大橋墩臺的現場調查
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圖8 為某回淤環境下跨海大橋的墩臺。
 
墩臺鋼管樁的犧牲陽極也受到了回淤影響。2011 年檢測發現,G53~G68(G68 為靠近岸邊)已嚴重淤積;2014年檢測發現,G45~G68 的犧牲陽極已被海泥不同程度掩埋,而G34~G44 附近泥沙密度較大。由此可見,隨著時間的推移淤積加劇,海泥面逐升高使犧牲陽極被掩埋越來越多。2011 年電位檢測表明,已淤積的G53~G68 墩臺鋼管樁電位在-672mV~-718mV(回淤嚴重區域),G34~G52 墩臺鋼管樁電位為-734mV~-875mV(回淤相對較輕區域)。由此可見,回淤嚴重區域鋼管樁電位正于回淤相對較輕區域,說明回淤越嚴重鋼管樁保護不足現象越顯著。綜上所述,隨著時間的推移淤積加重,犧牲陽極工作性能繼續下降,導致鋼管樁保護不足加劇。

三、極端海洋環境犧牲陽極所處狀態總結分析
 
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圖9 為極端海洋環境犧牲陽極所處狀態。

當鋁合金犧牲陽極在回淤海洋環境下使用時,回淤泥面升高造成鋼結構上的犧牲陽極被不同程度掩埋,使設計使用于海水中的犧牲陽極在海泥中服役。犧牲陽極被海泥掩埋初期,海泥疏松飽水,電阻率仍相對較小,對陽極工作性能影響有限,故犧牲陽極仍可為鋼結構提供足夠保護。隨著時間推移,海泥逐步沉積越來越致密,電阻率也隨之增大,海泥掩埋使犧牲陽極腐蝕產物局部擴散困難,進而產生局部腐蝕使得被掩埋犧牲陽極電流發生能力下降,導致其被掩埋陽極保護效果減弱。在海水中服役的犧牲陽極,隨著時間推移,表面被海生物不同程度覆蓋。海生物覆蓋造成陽極溶解表面不均勻,易造成局部溶解進而產生蝕坑。

但需指出,從犧牲陽極系統整體陰極保護效果來看,海泥面升高產生兩種效應:①正面效應:泥面升高,泥下區范圍擴大,水下區范圍縮小,被保護結構對保護電流的需求減少,犧牲陽極系統壽命延長;②負面效應:泥面升高,犧牲陽極被掩埋,其電流發生能力下降,犧牲陽極系統壽命減小。犧牲陽極不同掩埋狀態,對正負效應有不同影響。一般而言,當犧牲陽極被全面掩埋時,負面效應大于正面效應,犧牲陽極系統對鋼結構保護不足;當犧牲陽極局部掩埋時,正負效應誰占主導,需根據具體情況確定。就某回淤港口調查結果來看,犧牲陽極被局部掩埋,回淤對犧牲陽極系統影響效果有限,調查期間犧牲陽極系統仍可為鋼管樁提供良好的保護。而就某回淤環境下跨海大橋墩臺來看,局部墩臺鋼管樁的犧牲陽極被全面掩埋,導致某些墩臺鋼管樁保護不足。限于篇幅,具體如何評價回淤環境犧牲陽極系統的整體陰極保護效果,本文在此不作詳述,待另文發表。

四、極端海洋環境犧牲陽極使用建議
 
現行行業規范JTS 153-3-2007《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》指出,鋁合金犧牲陽極在海泥中可能會鈍化,即使在海泥中性能優良的陽極品種,其電流效率也會有所下降,而且其電化學性能隨著海泥的性質、溫度和使用時間而變化,因此鋁合金材料在海泥中應慎用。當在回淤環境使用犧牲陽極陰極保護,應充分考慮回淤對犧牲陽極系統的影響,以便準確科學地進行選材、設計和施工。

作者簡介
 
yuekan_8_104_2.jpg張文鋒,江蘇丹陽人,中交天津港灣工程研究院有限公司防腐技術研究所總工程師,高級工程師,從事海洋腐蝕與防護科研、檢測、設計、施工等方面的工作。主持和參與國家、部級、局級、橫向各類科研項目近30 項,其中三項成果達國際先進水平。參與行業和企業標準規范制定5 項。發表論文數十篇,其中多篇被SCI、EI、CPCI(ISTP)收錄,合作出版著作 2 本。授權專利14 項、軟件著作權1 項。曾獲得中國腐蝕與防護學會科學技術獎、中國水運建設行業協會科學技術獎、中交一航局科技進步獎,天津港(集團)有限公司科技進步獎等。多項成果得到成功應用,取得了良好的經濟和社會效益。

 

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