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前沿科技 | 极端海洋环境铝合金牺牲阳极服役状况调查分析
2019-09-24 13:21:58 作者:张文锋 陈韬 马化雄 中交天津港湾工程研究院有限公司 来源:《腐蚀与防护之友》

 一、引言

牺牲阳极阴极保护作为一种有效的防腐方法,具有保护度高、保护费用低、保护周期长、维护要求低等优点,在海洋工程构筑物中得到了广泛使用。牺牲阳极是一种依靠自身腐蚀速率增加而使与之偶合的阴极(钢结构等)获得保护的电极,其工作性能与化学成分、组织结构、所处工作环境、表面状态等因素密切相关。目前,常用的牺牲阳极有铝合金牺牲阳极、镁合金牺牲阳极和锌合金牺牲阳极三种。其中,铝合金牺牲阳极由于性价比高、实际电容量大等特点被广泛的应用于海洋环境中。下文主要就铝合金牺牲阳极展开调查分析。


理论上讲,当铝合金牺牲阳极质量合格、设计合理时,只要阳极所处海洋环境状态良好,阳极将按正常速度逐步消耗直至寿命结束。然而实际上,由于海洋环境的复杂性和工程使用的需要,铝合金牺牲阳极常处于不利的工作环境中,使得阳极性能下降、寿命缩短,严重影响阴极保护的效果和年限。当铝合金牺牲阳极在回淤环境下使用时,随时间推移,阳极常会被海泥不同程度掩埋。

传统牺牲阳极设计和施工通常很少考虑回淤的影响,因此当设计用于海水环境中的铝合金牺牲阳极被海泥掩埋,被动用于海泥中时,工作性能可能会下降甚至失效。牺牲阳极性能一旦下降甚至失效,不仅会因增加阳极用量使成本增高,而且将影响阴极保护效果和年限。

此外,在安装初期,牺牲阳极表面状况良好,溶解均匀,但一段时间后,表面往往会被较厚的海生物(如牡蛎、藤壶等)不均匀覆盖,也会影响其使用效果。

为明确铝合金牺牲阳极在极端海洋环境下(主要指回淤环境)的服役状况,对典型港口码头、跨海大桥等展开了现场调查和分析。

二、极端海洋环境牺牲阳极服役状况的现场调查
 
1. 回淤港口码头现场调查总体情况
 
现场调查了某回淤港口码头的铝合金牺牲阳极,调查内容包括牺牲阳极的保护效果、安装状态、表面溶解情况等。

现场调查方法包括潜水员探摸、水下摄像(见图1)和现场取样(见图2)。

 


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图1 潜水员水下探摸及摄像
 
 
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图2 牺牲阳极现场取样
 
某港口码头钢管桩牺牲阳极的总体调查结果如下:

(1)该码头大部分牺牲阳极仍处于海水中,但钢管桩底层(靠近泥面)和码头后方钢管桩上的牺牲阳极,因回淤泥面升高,已被海泥不同程度掩埋。

(2)海水环境中牺牲阳极安装状态良好,未发生焊脚脱焊、阳极脱落等现象,但表面覆盖着厚度不均匀的海生物和腐蚀产物(见图3)。清除表面覆盖物和腐蚀产物后发现,牺牲阳极溶解基本均匀,未发现阳极块本体较大块脱落的现象,但局部已出现不均匀溶解情况(图4)。

(3)被保护钢管桩电位为-780mV~-1050mV(相对于海水AgCl 电极,下同),处在保护电位范围内,说明尽管牺牲阳极系统被局部掩埋,调查期间牺牲阳极仍可为钢管桩提供良好的保护。

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图3 清除附着物前的阳极状况
 
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图4 清除附着物后的阳极状况
 
2. 回淤港口码头牺牲阳极及其所处环境规律
根据历年现场调查数据发现,当处在回淤环境下时,被调查码头的牺牲阳极及其所处环境呈现如下规律:

(1)越靠近码头后方,牺牲阳极被掩埋的越严重。以某码头(见图5)为例,该码头每个排架有9 个轴(A~H1),A 靠近码头前沿,H1 靠近码头后方。其中,A、B 轴安装了3 块阳极,C、D 轴安装了2 块阳极,E、F、G、H、H1 轴安装1 块阳极。检查过程中发现,由于回淤导致的泥面升高,A、B 轴钢管桩的下层阳极和G、H、H1 轴钢管桩的阳极已处于被海泥掩埋状态。码头后方本来泥面较高且易于淤积,这可能是造成上述规律的原因。

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图5 码头结构示意图
 
(2)随着时间的推移,码头下方的海泥面也随之升高,牺牲阳极的被掩埋比例也有所提高,但随着时间的继续推移,这种比例趋于稳定。同样以某码头为例,该码头牺牲阳极于2006 年投入使用,2011 年检测发现,靠近码头前沿的A、B 轴钢管桩的底层阳极,以及靠近码头后方的G、H、H1 轴的阳极已被掩埋。随后数年,尽管泥面仍在升高,但牺牲阳极的被掩埋规律仍与2011 年基本相似。该规律可能也与回淤规律有关,即码头投产前期泥面升高较快,随着时间推移趋于相对稳定。

3. 回淤港口码头牺牲阳极现场取样
为更好地观察牺牲阳极表面状况,在现场进行了海水中牺牲阳极(服役期)和海泥中牺牲阳极(已达使用寿命)的切割取样。取样在技术人员指挥下由潜水员实施,其过程是:在选定的钢管桩处,利用水下切割法现场取出牺牲阳极,在清理表面腐蚀产物和其他附着物后,观察牺牲阳极的状况,检查结束后将服役期海水中牺牲阳极重新焊接于原位置。

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图6 为海水中牺牲阳极的状况。海水中的牺牲阳极表面被海生物和腐蚀产物不均匀覆盖,清除覆盖物后发现阳极表面凹凸不平,存在一些蚀坑,但未发现阳极块本体大块脱落。阳极表面蚀坑呈不均匀分布,以边、角等部位居多且形状不规则,说明阳极发生了局部溶解,特别是海生物覆盖的边、角部位,出现了较严重的不均匀溶解。牺牲阳极腐蚀产物呈蓬松絮状较易脱落,其中还夹杂着海泥、海生物等。

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图7 为海泥中牺牲阳极的状况。海泥中牺牲阳极刚取出时,表面全面包裹着海泥、腐蚀产物等附着物。但稍用力移动,表面附着物便大块脱落,露出新鲜的阳极表面。由此可见,这些附着物并非固结在阳极表面,而是较易脱落。

除附着物整块脱落外,阳极局部还出现了本体大块脱落现象。相比之下,海水中阳极的表面腐蚀产物较少,且极少出现阳极大块脱落现象。

 
4. 回淤环境下跨海大桥墩台的现场调查
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图8 为某回淤环境下跨海大桥的墩台。
 
墩台钢管桩的牺牲阳极也受到了回淤影响。2011 年检测发现,G53~G68(G68 为靠近岸边)已严重淤积;2014年检测发现,G45~G68 的牺牲阳极已被海泥不同程度掩埋,而G34~G44 附近泥沙密度较大。由此可见,随着时间的推移淤积加剧,海泥面逐升高使牺牲阳极被掩埋越来越多。2011 年电位检测表明,已淤积的G53~G68 墩台钢管桩电位在-672mV~-718mV(回淤严重区域),G34~G52 墩台钢管桩电位为-734mV~-875mV(回淤相对较轻区域)。由此可见,回淤严重区域钢管桩电位正于回淤相对较轻区域,说明回淤越严重钢管桩保护不足现象越显著。综上所述,随着时间的推移淤积加重,牺牲阳极工作性能继续下降,导致钢管桩保护不足加剧。

三、极端海洋环境牺牲阳极所处状态总结分析
 
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图9 为极端海洋环境牺牲阳极所处状态。

当铝合金牺牲阳极在回淤海洋环境下使用时,回淤泥面升高造成钢结构上的牺牲阳极被不同程度掩埋,使设计使用于海水中的牺牲阳极在海泥中服役。牺牲阳极被海泥掩埋初期,海泥疏松饱水,电阻率仍相对较小,对阳极工作性能影响有限,故牺牲阳极仍可为钢结构提供足够保护。随着时间推移,海泥逐步沉积越来越致密,电阻率也随之增大,海泥掩埋使牺牲阳极腐蚀产物局部扩散困难,进而产生局部腐蚀使得被掩埋牺牲阳极电流发生能力下降,导致其被掩埋阳极保护效果减弱。在海水中服役的牺牲阳极,随着时间推移,表面被海生物不同程度覆盖。海生物覆盖造成阳极溶解表面不均匀,易造成局部溶解进而产生蚀坑。

但需指出,从牺牲阳极系统整体阴极保护效果来看,海泥面升高产生两种效应:①正面效应:泥面升高,泥下区范围扩大,水下区范围缩小,被保护结构对保护电流的需求减少,牺牲阳极系统寿命延长;②负面效应:泥面升高,牺牲阳极被掩埋,其电流发生能力下降,牺牲阳极系统寿命减小。牺牲阳极不同掩埋状态,对正负效应有不同影响。一般而言,当牺牲阳极被全面掩埋时,负面效应大于正面效应,牺牲阳极系统对钢结构保护不足;当牺牲阳极局部掩埋时,正负效应谁占主导,需根据具体情况确定。就某回淤港口调查结果来看,牺牲阳极被局部掩埋,回淤对牺牲阳极系统影响效果有限,调查期间牺牲阳极系统仍可为钢管桩提供良好的保护。而就某回淤环境下跨海大桥墩台来看,局部墩台钢管桩的牺牲阳极被全面掩埋,导致某些墩台钢管桩保护不足。限于篇幅,具体如何评价回淤环境牺牲阳极系统的整体阴极保护效果,本文在此不作详述,待另文发表。

四、极端海洋环境牺牲阳极使用建议
 
现行行业规范JTS 153-3-2007《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》指出,铝合金牺牲阳极在海泥中可能会钝化,即使在海泥中性能优良的阳极品种,其电流效率也会有所下降,而且其电化学性能随着海泥的性质、温度和使用时间而变化,因此铝合金材料在海泥中应慎用。当在回淤环境使用牺牲阳极阴极保护,应充分考虑回淤对牺牲阳极系统的影响,以便准确科学地进行选材、设计和施工。

作者简介
 
yuekan_8_104_2.jpg张文锋,江苏丹阳人,中交天津港湾工程研究院有限公司防腐技术研究所总工程师,高级工程师,从事海洋腐蚀与防护科研、检测、设计、施工等方面的工作。主持和参与国家、部级、局级、横向各类科研项目近30 项,其中三项成果达国际先进水平。参与行业和企业标准规范制定5 项。发表论文数十篇,其中多篇被SCI、EI、CPCI(ISTP)收录,合作出版著作 2 本。授权专利14 项、软件著作权1 项。曾获得中国腐蚀与防护学会科学技术奖、中国水运建设行业协会科学技术奖、中交一航局科技进步奖,天津港(集团)有限公司科技进步奖等。多项成果得到成功应用,取得了良好的经济和社会效益。

 

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