海洋工程鑄造犧牲陽極設計與檢測

劉 存，陳虹宇

(1.海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520；2.中油撫順石化設備檢測監(jiān)理研究中心，遼寧 撫順 113000)

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海洋工程鑄造犧牲陽極設計與檢測

劉 存1，陳虹宇2

(1.海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520；2.中油撫順石化設備檢測監(jiān)理研究中心，遼寧 撫順 113000)

為了研究海洋工程鋼結(jié)構(gòu)物水下區(qū)域犧牲陽極的陰極保護設計和檢測問題，在總結(jié)工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合陰極保護設計及檢測相關(guān)標準，對鑄造犧牲陽極陰極保護設計過程中參數(shù)選取、工程設計推薦參數(shù)值及陽極分布定位等進行闡述；針對陽極鑄造和陽極檢測項、檢測評判標準等進行分析；并根據(jù)工程檢測經(jīng)驗提出相應的重點關(guān)注項及相關(guān)指標。為相關(guān)工作人員提供參考。

海洋工程；鋼結(jié)構(gòu)；鑄造犧牲陽極；設計；檢測

0 引言

犧牲陽極的陰極保護方法具有無需外部電源、系統(tǒng)設計簡單、安全可靠、無需維護、對監(jiān)控要求低、安裝簡便等優(yōu)點，是海洋固定鋼結(jié)構(gòu)物、張力腿平臺(Tension Leg Platform,TLP)等水下部位有效的腐蝕防護方法之一。

陰極保護類型的選取、環(huán)境條件參數(shù)獲取、保護面積及所需電量計算、陽極選型、陽極用量確定、陽極精確定位和分布等是陰極保護設計階段的重要工作。犧牲陽極的產(chǎn)品鑄造質(zhì)量又直接決定和影響著陰極保護能否達到預期目標。

1 陰極保護設計

陰極保護設計包括保護電位、保護電流密度的確定，陽極選型及尺寸確定，陽極用量確定，陽極分布及定位等。

1.1 陰極保護電位

1.2 陰極保護電流密度

達到和維持陰極保護所需電流密度隨地理位置和陽極運行深度變化。DNV RP-B401[3]推薦了海水全浸區(qū)裸金屬結(jié)構(gòu)初期、平均和末期設計電流密度值見表1和表2，這些電流密度的選擇都比較保守。

表1 推薦海水全浸區(qū)裸金屬結(jié)構(gòu)初期、末期設計電流密度 A/m2

表2 推薦海水全浸區(qū)裸金屬結(jié)構(gòu)中期(平均或維持)設計電流密度 A/m2

相關(guān)陰極保護規(guī)范中推薦了我國南海海域典型設計電流密度，例如：初始電流密度為0.11 A/m2，維持電流密度為0.07 A/m2，末期電流密度為0.1 A/m2(基于海水電阻25 Ω·cm，水溫大于20℃)。

在海底沉積物的最上層，細菌活動可能是決定陰極保護電流需求的主要因素。對埋藏于沉積物中的裸鋼表面，不管地理位置和海水深度如何，建議采用0.02 A/m2的(初期/末期/維持)設計電流密度。

在陰極保護總電量基礎(chǔ)上，還需要考慮井口電量降，每個井口需增加1.5～5.0 A。國內(nèi)導管架平臺陰極保護設計時，每個井口通常取5 A計入總設計保護電量中；海底采油樹井口一般取每口井8 A。

式中：u為陽極利用率或利用系數(shù)；ε為陽極電化學容量。

1.3 陽極選型及用量確定

陽極選擇包括陽極選型和尺寸確定。海洋工程常用陽極可分為條型和鐲型兩大類。條型陽極根據(jù)陽極芯形狀規(guī)格不同又細分為支架條型和嵌裝板條型；鐲型陽極可細分為半殼型和組合型。陽極的結(jié)構(gòu)形式是其利用率u的主要影響因素。常規(guī)陽極利用率見表3。

表3 不同類型陽極利用率

陽極選型可根據(jù)相關(guān)標準要求選擇標準規(guī)格陽極，亦可根據(jù)工程實際需要進行單獨設計。實際工程上導管架平臺、TLP水下結(jié)構(gòu)通常選用支架條型陽極；海管通常采用涂層與鐲型陽極聯(lián)合防腐；海洋平臺污水槽、開排沉箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及自升式鉆井船、FPSO等水下部位通常采用油漆與嵌裝板條形陽極聯(lián)合防腐。

基于陽極設計壽命，鋁銦系合金陽極推薦單塊陽極質(zhì)量見表4。

表4 單塊陽極質(zhì)量

陰極保護所需犧牲陽極數(shù)量需要滿足以下要求：(1)必須有足夠多的陽極去極化初始結(jié)構(gòu)；(2)在結(jié)構(gòu)整個設計壽命過程中提供合適的保護電流；(3)設計壽命末期能提供足夠的電流來維持陰極保護。

1.4 陽極分布及定位

陽極分布基本原則[2]是陽極電流應盡可能地在被保護的鋼結(jié)構(gòu)上均勻分布，同時還要考慮到特殊區(qū)域(例如導管架節(jié)點、鋼樁導向等)的電流需求。陽極分布方法可采用人工分布和計算機模擬輔助分布。

以海洋導管架平臺用支架陽極為例，其定位圖繪制和安裝應滿足下述要求：(1) 陽極布置圖繪制時，所有陽極應在平面圖或立面圖紙中僅體現(xiàn)一次，并盡可能均勻、對稱分布在受保護的結(jié)構(gòu)上；(2) 陽極材料應懸離所有表面至少300 mm；(3) 固定陽極焊道應遠離其他焊道至少150 mm；(4) 陽極應盡可能靠近復雜和關(guān)鍵的節(jié)點，且距離節(jié)點至少應保持1.5 m；(5) 陽極離低潮線至少1 m；(6) 支架型圓管芯陽極單重超過230 kg固定安裝時應采用陽極包板和/或筋板加強；(7) 當陽極與其他結(jié)構(gòu)出現(xiàn)碰撞或位置沖突時，陽極可軸向移動不大于一個陽極長度的距離或在圓周方向30°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。

2 陽極鑄造及質(zhì)量控制

目前，海洋工程用鑄造犧牲陽極質(zhì)量檢測主要參照NACE RP-0387[6]、NACE RP-0492[7]、DNV RP-B401、ISO 15589-2[8]、NACE TMO-190[9]等規(guī)范、標準。陽極電化學性能測試主要參照DNV RP-B401中犧牲陽極材料質(zhì)量控制實驗室測試方法進行檢測。陽極物理性能要求主要參照NACE RP-0387、NACE RP-0492和ISO 15589-2等進行。

2.1 陽極鑄造

犧牲陽極鑄造工作開始前需要完成制造工藝規(guī)程、試生產(chǎn)評定試驗和檢驗測試計劃等文件的編制和審批。生產(chǎn)過程嚴格執(zhí)行上述文件要求，包括鑄造前對陽極芯的處理、溫度控制、合金元素添加、陽極磨具和陽極芯預熱、澆筑成型、冷卻脫模、自檢及標記等。

2.2 陽極質(zhì)量控制

2.2.1 陽極鐵芯

陽極鐵芯應選取可焊接鋼材，通常選用低碳鋼，禁止使用沸騰鋼。碳當量Cev應與待組焊結(jié)構(gòu)匹配，且碳當量不應超出待組焊結(jié)構(gòu)碳當量。碳當量計算公式[6]為

如果陽極芯化學成分數(shù)據(jù)不全，可采用簡化公式[8]計算碳當量：

工程實際應用中通常要求陽極芯碳當量不超過0.41%。

陽極芯材料認證應滿足標準EN-10240。推薦陽極芯的管型材料包括API 5L-B級鋼管、ASTM A106-A級或B級鋼管、ASTM A53-B級鋼管；板材和棒材推薦型號有EN 10025 S235或S275級、ASTM-A36-A級。常用管型陽極芯為長4英寸(1英寸=0.025 4 m)的SCH80 API 5L-B級或GB 8162-20#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

鐵芯折彎需將鋼管加熱至800～900℃，采用液壓彎管機自動煨彎。檢驗端頭平行度、長度尺寸及高度尺寸是否合格，有無裂紋等缺陷。

鋁合金鑄造犧牲陽極用鐵芯表面處理應采用干噴砂處理工藝，表面處理至ISO 8501-1 Sa2.5，NACE No.2，SSPC-SP 10或用戶批準的等同級別。澆注前不允許出現(xiàn)閃銹或污染，并保證表面處理后4 h內(nèi)完成澆注。

鋅或鎂陽極鑄造時陽極芯表面處理除了可采用與鋁陽極相同的方法外，還可按照ASTM A123、ISO 1461或等同熱浸鋅標準對陽極芯熱浸鋅進行處理或采用ASTM B633或ISO 2081電鍍鋅后直接進行澆注[6-8]。澆注前不允許出現(xiàn)變色或污染。

澆注時將預熱好的鐵芯和模具組合裝配，保證鐵芯在模具內(nèi)的正確位置上。陽極合金熔液靜置除渣后進行澆注，澆注過程須保證熔液連續(xù)不斷流。

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2.2.2 化學分析及電化學測試

根據(jù)熔煉爐容積不同，陽極合金化學分析試樣取樣個數(shù)不同。熔爐容積大于500 kg時，每爐取2個，通常在澆注開始和結(jié)尾取樣；爐容積小于500 kg時，每爐取1個，通常在第1爐開始、第2爐結(jié)尾、第3爐開始，依次類推進行取樣。典型鋁鋅銦系陽極化學成分見表5[8]。

表5 鋁鋅銦合金陽極典型化學成分(質(zhì)量分段) %

電化學檢測項包括閉路電位、電化學容量和腐蝕形式(不均勻腐蝕、晶間腐蝕、鈍化)等，測試頻次一般為每15 t陽極產(chǎn)品測試1次或每爐測試1次。電流容量推薦值見表6。測試在天然海水或人工模擬海水[10]中進行。閉路電位測試標準參照ISO 15582-4[11]或NACE TM0190。

陽極消耗率一般要求[8]為：鋁銦系合金陽極低于3.6 kg/(A·a)；鋅合金陽極低于11.2 kg/(A·a)。

若電化學測試不合格，則不滿足要求的爐次需要重新取額外3組試樣重測，若重測試樣中有1個不合格，則該批次陽極判定為不合格產(chǎn)品。

陽極材料化學成分分析和電化學性能測試通常由獨立第三方檢測機構(gòu)(例如中國船級社CCS和法國船級社BV等)完成，并加蓋第三方合格認證印章。

2.2.3 陽極重量

陽極單重超過50 kg，陽極重量偏差應控制在±3%以內(nèi)；陽極總重偏差[12]應在總重的0～2 % 。

海洋工程導管架平臺常用支架條型陽極每塊都應單獨稱重，并采用打鋼印方式將重量信息標記在陽極表面。陽極重量檢測中存在的問題是單塊陽極重量偏差滿足標準或規(guī)定要求，但陽極總重不滿足要求。

2.2.4 陽極尺寸和筆直度

條形陽極尺寸和筆直度應滿足以下要求[6,8]：(1) 陽極長度偏差應在設計長度±3%以內(nèi)或±25 mm，取二者數(shù)值較小者。(2) 陽極平均寬度應在設計寬度±5%以內(nèi)。(3) 陽極平均厚度應在設計厚度±10%以內(nèi)。(4) 沿陽極縱軸長度方向陽極平直度偏離應控制在2%以內(nèi)。至少應檢測陽極總數(shù)的10%應進行檢測，以確保滿足要求。鐲型陽極長度偏差應在設計長度±3%以內(nèi)或±25 mm，取二者數(shù)值較小者。

2.2.5 陽極外觀不規(guī)則

條型陽極(包括支架型和嵌裝條型)外觀檢測應滿足如下要求[6,8]:(1) 縮陷(外縮窩、收縮凹坑)深度不應超過陽極材料設計厚度的10%；縮陷處不能暴露陽極芯。(2) 陽極鑄造上表面最大縮陷深度不超過10 mm，且體積不超過陽極毛體積的0.5%。(3) 補縮材料或鑄造表面不規(guī)則應與陽極本體完全粘結(jié)。(4) 裸眼檢測，陽極表面非金屬夾雜面積應不超過陽極表面積的1%。(5) 冷隔深度不超過10 mm，延伸總長度不超過3倍的陽極寬度。(6) 在搬運過程中易劃傷人體的所有陽極表面凸出物應去除；除此之外，不允許采用錘擊裂紋或機械處理方式掩飾鑄造缺陷。

鐲型陽極外觀檢測應滿足下述要求[7-8]：(1) 縮陷(外縮窩、收縮凹坑)深度應<10%陽極厚度，且體積不超過陽極毛體積的0.5%；任何補縮材料或鑄造表面不規(guī)則應與陽極本體材料完全黏結(jié)。(2) 冷隔深度應<10 mm，延伸長度應<150 mm；

在搬運過程中易劃傷人體的所有陽極表面凸出物應去除。

2.2.6 裂紋

犧牲陽極鑄造冷卻過程中因陽極材料和陽極芯膨脹系數(shù)不同可能會產(chǎn)生裂紋。所有陽極都應進行裂紋檢測。裸眼檢測時，鋅陽極不允許有裂紋出現(xiàn)；鋁陽極允許有裂紋，但裂紋的存在不能影響其安裝、運輸或服役時的力學性能。所有陽極都應進行裂紋檢測，檢測之前不允許采用打磨、錘擊或其他方式掩飾裂紋。

鋁合金條形陽極裂紋評判標準[6,8]：(1) 陽極材料應完全由陽極芯支撐，若鑄造陽極材料未完全被陽極芯支撐，則不允許有裂紋存在。(2) 除澆冒口補縮處以外，其他表面不允許有縱向裂紋存在。不允許有延伸至陽極芯或貫穿陽極的裂紋存在；不允許存在環(huán)形裂紋。(3) 支架型陽極裂紋寬度≤5 mm；其他陽極表面裂紋長度≤100 mm，寬度≤1 mm。單根陽極裂紋總條數(shù)不超過10條。(4) 小的、密集型裂紋可等效看作1條裂紋。寬度小于0.5 mm的裂紋可以忽略不計。

鋁合金鐲型陽極裂紋評判標準[7-8]：(1) 陽極材料應完全由陽極芯支撐，若鑄造陽極材料未完全被陽極芯支撐，則不允許有裂紋存在。(2) 不允許存在延伸至陽極芯或貫穿陽極的裂紋存在。(3) 裂紋長度不大于100 mm或陽極直徑的50%，取兩者中較大者；裂紋寬度≤3 mm。

若滿足上述條件，橫向存在如下裂紋可視為合格：(1) 裂紋長度≤50 mm或≤陽極直徑的20%，取二者較小者；寬度<3 mm。(2) 裂紋長度介于50～200 mm的條數(shù)每個陽極半瓦不超過2條或每個陽極不超過4條。(3)縱向裂紋長度應<100 mm或<陽極長度的20%，取二者中較小者，且寬度應>1 mm。

陽極檢測過程中，裂紋檢測是非常關(guān)鍵的檢測項。在裂紋檢測評判標準理解上，生產(chǎn)廠家和業(yè)主可能會出現(xiàn)偏差，所以在陽極鑄造檢測程序文件中應明確裂紋相關(guān)評判指標，減少項目執(zhí)行過程中評判尺度不統(tǒng)一的問題。

2.2.7 陽極剖切和內(nèi)部缺陷(剖切試驗)

用于檢測陽極內(nèi)部缺陷的剖切試驗的陽極數(shù)量、選取方法、剖切方式等應考慮到陽極設計、陽極總數(shù)和預生產(chǎn)測試要求等應遵照用戶規(guī)定要求，包括檢驗步驟要求。

條型陽極應沿長度方向在標稱長度25%、33%和50%處進行剖切，或按陽極設計要求位置進行剖切。鐲型陽極應沿陽極長度25%和50%處進行剖切，或按照陽極設計要求進行剖切。切割面裸眼檢測應滿足如下要求[6-8]：(1) 氣孔和孔隙率不超過切割總面積的2%，且不超過單個切割面的5%，孔洞面積不超過1 cm2?？v向深度不超過13 mm。(2) 非金屬夾雜不超過切割總面積的1%，且不超過單個切割面的2%。非金屬面不超過1 cm2。(3) 陽極材料與陽極管芯不黏結(jié)或孔隙最大不超過陽極芯周長的10%，單個切面最大不超過陽極芯周長的20%。(4) 陽極剖切斷面縮松區(qū)域應視為1個氣孔；陽極剖切面陽極芯位置應與設計圖紙一致。

工程上每種尺寸的陽極至少選取2塊進行剖切試驗，如果有1塊陽極試驗失敗，應追加2塊陽極進行重測。如果再不能滿足規(guī)定要求，則該批次陽極可判定為不合格。

3 結(jié)論

(1) 鑄造犧牲陽極設計選擇需要綜合考慮實際服役環(huán)境各種影響因素，選擇最優(yōu)的設計方案，滿足防腐要求，降低生產(chǎn)成本。

(2) 陽極鑄造質(zhì)量檢測應關(guān)注陽極電化學性能、陽極總重量、表面不規(guī)則、裂紋等指標。裂紋檢測是否合格是陽極物理性能檢測中的最難項，也是檢測重點之一。

(3) 陽極鑄造相關(guān)文件應針對性強、便于檢驗操作，且陽極合格判定指標明確、評判尺度統(tǒng)一。

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Galvanic Anode Design and Inspection for Offshore Engineering

LIU Cun1,CHEN Hongyu2

(1.Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co.,Ltd.,Qingdao 266520,Shandong，China；2.Research Center of CNPC Fushun Petrochemical Equipment Inspection and Supervision, Fushun 113000,Liaoning，China)

In order to study the design and inspection of galvanic anode cathodic protection for under water structures of offshore engineering steel structures,design parameters selection,recommended values and anode layout during casting cathodic protection design are introduced based on summary of experiences of the projects and combined with cathodic protective design and standards of inspection.Analysis for anode casting,testing and inspection items,etc.is carried out.It also put forward some corresponding item of focus and related indicators based on the engineering quality testing and inspection experiences.It provides reference for personnel engaged in related word.

offshore engineering; steel structure; cast galvanic anode; design; inspection

2016-05-12

劉 存(1982-)，男，工程師

1001-4500(2017)03-0030-06

TG 174.4

A