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》分享至：

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）。

图1 潜水员水下探摸及摄像

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。

图3 清除附着物前的阳极状况

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。

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。

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。

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

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

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

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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