DESIGNsLOPE犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法

尚世超 潘方豪 李志雨

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

DESIGNsLOPE犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法

尚世超 潘方豪 李志雨

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

海洋工程領(lǐng)域常用的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)法可能存在過度設(shè)計(jì)的問題。針對(duì)此問題，文章介紹了適用于無(wú)涂層結(jié)構(gòu)物的DESIGNsLOPE犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)法。首先，簡(jiǎn)述了陰極保護(hù)下結(jié)構(gòu)物表面生成鈣鎂沉積層的機(jī)理，分析了結(jié)構(gòu)物表面極化特性在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的變化情況；然后，結(jié)合犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)等效電路，引出DESIGNsLOPE的概念，說明該設(shè)計(jì)方法的基本理論；最后，應(yīng)用DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法完成某平臺(tái)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)工作。該法能夠避免犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)過度設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性。

陰極保護(hù)；犧牲陽(yáng)極；DESIGNsLOPE；極化狀態(tài)；等效電路

引 言

鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物在海水環(huán)境中會(huì)受到嚴(yán)重的腐蝕作用，需要采取適當(dāng)?shù)母g防護(hù)措施。陰極保護(hù)是一種常用而且有效的防腐方法［1］，其中犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)已在世界范圍內(nèi)被廣泛采用［2］。在海洋工程領(lǐng)域，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)一般是按照規(guī)范推薦的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)公式［1，3］，使用校核結(jié)構(gòu)物的初期、平均和末期保護(hù)電流的方法［4-6］。但該方法存在過度設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)［5］，若犧牲陽(yáng)極過量則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)負(fù)荷增大和投資浪費(fèi)等問題［7］。針對(duì)此問題，規(guī)范［5］推薦了適用于無(wú)涂層結(jié)構(gòu)物的DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法。該方法給出了單塊犧牲陽(yáng)極尺寸設(shè)計(jì)的優(yōu)化依據(jù)，能夠避免犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)過度設(shè)計(jì)的問題［5］，既節(jié)省了犧牲陽(yáng)極材料又減輕結(jié)構(gòu)負(fù)載。

1 DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法相關(guān)理論

1.1 陰極保護(hù)下結(jié)構(gòu)物表面極化特性

在陰極保護(hù)的作用下，初期時(shí)海洋結(jié)構(gòu)物水下部分的表面會(huì)形成一定狀態(tài)的鈣鎂沉積層［8］。鈣鎂沉積層形成的機(jī)理是，結(jié)構(gòu)物表面由于受到陰極保護(hù)作用而發(fā)生吸氧或者析氫反應(yīng)，在一定的介質(zhì)pH值下會(huì)發(fā)生如式（1）～（3）所示的某些離子反應(yīng)。

這些反應(yīng)生成的OH-和離子會(huì)和海水中的鈣離子和鎂離子反應(yīng)生成和CaCO3沉淀，附著在結(jié)構(gòu)物表面，從而形成鈣鎂沉積層［9］。致密的鈣鎂沉積層能大大提高陰極保護(hù)的效果，這是因?yàn)樗梢杂行У刈璧K溶解氧向金屬表面擴(kuò)散和增大金屬的極化電阻，從而減小了所需的保護(hù)電流密度和擴(kuò)大了陰極保護(hù)的范圍［9］。鈣鎂沉積層的陰極極化試驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)物表面的鈣鎂沉積層越是致密越有效，結(jié)構(gòu)物越是容易被極化［10］。因此，結(jié)構(gòu)物表面形成鈣鎂沉積層后其表面極化特性也會(huì)發(fā)生很大的變化。圖1是管道內(nèi)壁在鋁合金犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)作用下，形成鈣鎂沉積層前后的陰極極化曲線的形狀［11］。

因此，當(dāng)海洋結(jié)構(gòu)物受到犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的作用時(shí)，在一定保護(hù)電位和介質(zhì)pH值條件下，表面會(huì)逐漸形成有利于陰極保護(hù)的鈣鎂沉積層，結(jié)構(gòu)物陰極極化也變得越來越容易。若將結(jié)構(gòu)物陰極極化特性變化反映到極化曲線圖上，可簡(jiǎn)單地描述為：初期的極化曲線比較“平緩”，在表面形成鈣鎂沉積層后極化曲線變得“陡立”；然后在末期隨著犧牲陽(yáng)極輸出電流能力下降和鈣鎂沉積層發(fā)生退化破損，其又稍微變得“平緩”些。結(jié)構(gòu)物極化特性整體趨勢(shì)變化如此，但在具體的海洋環(huán)境下會(huì)略有不同。

1.2 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)等效電路

通常使用歐姆定律來描述犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的電路特征［12］，如式（4）所示。

式中：Фc為陰極自然電位，V；Фa為犧牲陽(yáng)極閉路電位，V；Ra，total為所有犧牲陽(yáng)極的接水電阻，Ω；Rc為陰極接水電阻，Ω；Ri為回路內(nèi)部電阻，Ω；Ac為陰極表面積，m2；ic為陰極表面保護(hù)電流密度，A；為陽(yáng)極極化引起的壓降，V。

這里的陰極即受保護(hù)結(jié)構(gòu)物，其表面積一般很大，故陰極接水電阻可略去不計(jì)。犧牲陽(yáng)極是通過焊接或者螺栓連接到結(jié)構(gòu)物上的，兩者之間電接觸非常充分，故回路內(nèi)部電阻也可略去不計(jì)［13］。犧牲陽(yáng)極多是采用不易發(fā)生極化的鋁合金和鋅合金材料鑄造，故陽(yáng)極極化引起的壓降也可略去不計(jì)。因此，式（4）可化簡(jiǎn)為如式（5）所示形式。

將式（5）表示在保護(hù)電流密度和保護(hù)電位的并系圖中，如圖2中實(shí)線所示。

在陰極保護(hù)初期，系統(tǒng)極化電流較大；隨著鈣鎂沉積層逐漸形成至穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)極化電流逐漸減小至穩(wěn)定，按圖2中箭頭方向沿直線變化；當(dāng)犧牲陽(yáng)極逐漸消耗至其利用率時(shí)，犧牲陽(yáng)極體積變小造成接水電阻會(huì)增大，反映到等效電路圖中為直線的斜率增大，逐漸從實(shí)線變化到虛線所示的狀態(tài)。

1.3 DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)方法基本原理

以北海海域結(jié)構(gòu)物得到的的裸鋼極化曲線為例［14］，將其和多條表示等效電路狀態(tài)的直線繪制在圖3中。

結(jié)合1.1節(jié)和1.2節(jié)的內(nèi)容可以知道，每個(gè)極化曲線和等效電路的交點(diǎn)都表示一組結(jié)構(gòu)物的極化狀態(tài)和犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)情況的組合。交點(diǎn)在最高保護(hù)電位以下時(shí)，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)才能滿足要求，結(jié)構(gòu)物才能得到充分的極化。因此，在犧牲陽(yáng)極材料不引起結(jié)構(gòu)物過保護(hù)的情況下，足夠小的等效電路直線斜率會(huì)保證結(jié)構(gòu)物得到更充分的極化，受到更好的保護(hù)。

若假定某一海域中結(jié)構(gòu)物具有特定的陰極極化特性和最高陰極保護(hù)電位，則其是否能夠受到良好的極化只是依賴于等效電路中直線的斜率。該斜率被定義為DESIGNsLOPE［5］，如式（6）所示。

式中：S為DESIGNsLOPE，Ω·m2；Ra為單塊犧牲陽(yáng)極電阻，Ω；Na為犧牲陽(yáng)極塊數(shù)，塊。

NACEsP 0176推薦了不同海域的DESIGNsLOPE值，推薦值能保證結(jié)構(gòu)物在初期得到良好的極化，如表1所示。

表1 NACEsP 0176推薦DESIGNsLOPE值

除此之外，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)還應(yīng)能夠在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)提供足夠的維護(hù)電流，即犧牲陽(yáng)極材料應(yīng)能夠轉(zhuǎn)化為足夠的維護(hù)電流，如式（7）所示。

式中：ma為單塊犧牲陽(yáng)極重量，kg；T為設(shè)計(jì)壽命，y；im為維護(hù)電流密度，A/m2；k為陽(yáng)極材料消耗速率，kg/（A·y）。

將式（6）代入式（7），整理可得式（8）。

式（8）同時(shí)包含了結(jié)構(gòu)物初期的極化要求和鈣鎂沉積層形成后的維護(hù)要求。理論上存在無(wú)數(shù)的犧牲陽(yáng)極滿足式（8）中的等號(hào)條件，此時(shí)所需的犧牲陽(yáng)極材料最少。從工程角度而言并非如此，但這仍為單塊犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)提供了方向，即調(diào)整單塊犧牲陽(yáng)極形狀尺寸使等號(hào)盡量接近成立，從而減少犧牲陽(yáng)極材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

若犧牲陽(yáng)極尺寸未使等式成立，則需校核單塊犧牲陽(yáng)極實(shí)際使用壽命。單塊犧牲陽(yáng)極輸出的電流為，再結(jié)合DESIGNsLOPE的定義，可得單塊犧牲陽(yáng)極的使用壽命計(jì)算式，如式（9）所示。

式中：Ta為單塊犧牲陽(yáng)極實(shí)際使用壽命，年。

確定單塊犧牲陽(yáng)極形狀尺寸和校核單塊犧牲陽(yáng)極的實(shí)際使用壽命后，可根據(jù)DESIGNsLOPE的定義計(jì)算單塊犧牲陽(yáng)極能夠保護(hù)的面積，如式（10）所示。

式中：A1為單塊犧牲陽(yáng)極能保護(hù)的面積，m2。

然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)物總的受保護(hù)面積可以得到所需的犧牲陽(yáng)極數(shù)量，如式（11）所示。

最后，還需要驗(yàn)證在末期犧牲陽(yáng)極消耗至其利用率時(shí)，是否還能提供足夠的極化電流，如式（12）所示。

式中：Sf為末期DESIGNsLOPE，Ω·m2；Ra，f為末期單塊犧牲陽(yáng)極接水電阻，Ω；ΔE為驅(qū)動(dòng)電壓，一般取為0.25 V；if為末期保護(hù)電流密度，A/m2。

2 DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法的應(yīng)用

結(jié)合DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法的基本理論，現(xiàn)以某全浸區(qū)無(wú)涂層的某平臺(tái)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)為例，比較采用DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法和DNV RP B401推薦方法得到的結(jié)果。該平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

初選犧牲陽(yáng)極的尺寸為2440mm×（229mm× 248mm）×248mm，凈質(zhì)量為329 kg。分別采用DNV RP B401推薦方法和DESIGNsLOPE法進(jìn)行犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。前者沒有針對(duì)犧牲陽(yáng)極尺寸優(yōu)化的具體指導(dǎo)，后者則提供了根據(jù)式（7）和式（8）進(jìn)行優(yōu)化的方向。

DNV RP B401推薦方法的計(jì)算過程較常見，不再贅述。按照DESIGNsLOPE法，根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)和初選犧牲陽(yáng)極參數(shù)，式（8）的左側(cè)值為：

式（8）的右側(cè)值為：

兩者并不相等且差值較大。根據(jù)式（9）校核單塊犧牲陽(yáng)極壽命為：

計(jì)算結(jié)果表明，初選的犧牲陽(yáng)極尺寸過大，按當(dāng)前消耗條件單塊犧牲陽(yáng)極實(shí)際壽命遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)壽命，這會(huì)造成犧牲陽(yáng)極材料浪費(fèi)，所以應(yīng)對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的犧牲陽(yáng)極尺寸為2440mm×（184mm×217mm×168mm，凈質(zhì)量為209 kg，式（8）的左側(cè)值為：

式（8）的右側(cè)值保持不變，其兩側(cè)數(shù)值接近。根據(jù)式（9）校核單塊犧牲陽(yáng)極壽命為：

單塊犧牲陽(yáng)極實(shí)際使用壽命略大于設(shè)計(jì)壽命，滿足設(shè)計(jì)要。

表3給出分別采用DNV RP B401推薦的方法和DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)結(jié)果。相比前者，DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法得到的方案，犧牲陽(yáng)極數(shù)量只增加了7.4%，但犧牲陽(yáng)極材料卻減少約31.9%。

表3 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)果

通過比較上述兩種設(shè)計(jì)方案可知，DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法在確定犧牲陽(yáng)極幾何尺寸時(shí)提供了優(yōu)化的指導(dǎo)。選擇合適的犧牲陽(yáng)極尺寸，能夠提高犧牲陽(yáng)極材料的利用率和減輕該平臺(tái)的負(fù)載，從而提高設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

海洋工程領(lǐng)域常用的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法存在過度設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，文章介紹了針對(duì)無(wú)涂層結(jié)構(gòu)物的DESIGNsLOPE犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法。結(jié)合結(jié)構(gòu)物表面極化狀態(tài)變化特點(diǎn)和陰極保護(hù)系統(tǒng)等效電路，說明了DESIGNsLOPE設(shè)計(jì)法的理論基礎(chǔ)。該方法能夠較好地指導(dǎo)犧牲陽(yáng)極形狀尺寸設(shè)計(jì)從而優(yōu)化整體設(shè)計(jì)方案，避免過度設(shè)計(jì)，既節(jié)省了犧牲陽(yáng)極材料又減輕了結(jié)構(gòu)負(fù)載，提高了陰極保護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性。

［ 1 ］ 李成杰， 杜敏. 深海鋼鐵材料的陰極保護(hù)技術(shù)研究及發(fā)展［J］. 中國(guó)腐蝕與防腐學(xué)報(bào)， 2013（1）： 10-16.

［ 2 ］ 夏定健. 近海固定平臺(tái)陰極保護(hù)陽(yáng)極系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及應(yīng)用［C］// 第三屆中國(guó)國(guó)際腐蝕控制大會(huì)， 河南長(zhǎng)恒，2005： 118-126.

［ 3 ］ 孫吉星， 王慶璋， 李永豐. 海洋工程陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素研究［C］//第27次全國(guó)涂料工業(yè)信息年會(huì)，寧波， 2010： 55-58.

［ 4 ］ 施以航. 海洋工程防腐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.大連： 大連理工大學(xué)， 2013： 72-74.

［ 5 ］ NACE. Corrosion Control of submerged Areas of Permanently Installed Offshore structures Associated with Petroleum Production［S］. 2007.

［ 6 ］ DNV. Cathodic Protection Design［S］. 2007.

［ 7 ］ 蘭志剛. 海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)數(shù)值仿真研究［D］. 青島： 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所， 2012： 1-2.

［ 8 ］ 溫國(guó)謀， 鄭輔養(yǎng). 海水中陰極保護(hù)時(shí)鈣質(zhì)沉積層的形成及其應(yīng)用［J］. 腐蝕與防護(hù)， 1995（1）： 50-54.

［ 9 ］ 曹振宇. 模擬深海環(huán)境陰極保護(hù)初期鈣鎂沉積層的研究［D］. 青島： 中國(guó)海洋大學(xué)， 2010： 9-10.

［10］ 朱錫昶， 葛仁淦， 朱穎. 大電流密度下陰極產(chǎn)物膜的探討［J］. 海洋工程， 1992（1）： 60-68.

［11］ 劉曼， 殷正安， 戰(zhàn)廣深. 流動(dòng)場(chǎng)管內(nèi)陰極保護(hù)的電位分布計(jì)算［J］. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 1998（5）： 599-602.

［12］ FISCHER K P， Field Testing of Deep Water Cathodic Protection on the Norwegian Continental shelf［J］.materials Performance， 1987（1）： 49-56.

［13］ 胡士信.陰極保護(hù)工程手冊(cè)［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 1999.

［14］ GARTLAND P，sTROMMEN R， BARDAL E. Current Density Requirements for Cathodic Protection of steels tru ctures in the Nor thsea［J］.materials Performance，1983（6）： 40-48.

DESIGNsLOPE design method of sacrificial anode cathodic protection

SHANGshi-chao PAN Fang-hao LI Zhi-yu
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

since the sacrificial anode cathodic protection method that commonly used in marine engineering may be over-designed, this paper introduces the DESIGNsLOPE design method of the sacrificial anode cathodic protection for the structure without coating. Firstly, it briefly introduces the formation of the calcareous deposits on the structure surface under the cathodic protection, and analyzes the variation of the surface polarization characteristics of the structure during the whole design lifetime. Combined with the equivalent circuit of the sacrificial anode cathodic protection system, it introduces the conception of DESIGNsLOPE and clarifies the basic theory of DESIGNsLOPE. Finally, the sacrificial anode cathodic protection design for a platform is accomplished by using the DESIGNsLOPE disign method. The DESIGNsLOPE design method can avoid the over-design of the sacrificial anode cathodic protection, thus improving the economy of the designs cheme.

cathodic protection;sacrificial anode; DESIGNsLOPE; polarizationstate; equivalent circuit

U672.7

A

1001-9855（2017）05-0092-05

2017-03-02；

2017-05-17

尚世超（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計(jì)與研究。潘方豪（1978-），男，研究員。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計(jì)與研究。李志雨（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)與研究。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.092