DESIGNsLOPE牺牲阳极阴极保护设计方法

尚世超 潘方豪 李志雨

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

DESIGNsLOPE牺牲阳极阴极保护设计方法

尚世超 潘方豪 李志雨

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

海洋工程领域常用的牺牲阳极阴极保护设计法可能存在过度设计的问题。针对此问题，文章介绍了适用于无涂层结构物的DESIGNsLOPE牺牲阳极阴极保护设计法。首先，简述了阴极保护下结构物表面生成钙镁沉积层的机理，分析了结构物表面极化特性在设计寿命期内的变化情况；然后，结合牺牲阳极阴极保护系统等效电路，引出DESIGNsLOPE的概念，说明该设计方法的基本理论；最后，应用DESIGNsLOPE设计法完成某平台牺牲阳极阴极保护设计工作。该法能够避免牺牲阳极阴极保护过度设计，从而提高设计方案的经济性。

阴极保护；牺牲阳极；DESIGNsLOPE；极化状态；等效电路

引 言

钢质结构物在海水环境中会受到严重的腐蚀作用，需要采取适当的腐蚀防护措施。阴极保护是一种常用而且有效的防腐方法［1］，其中牺牲阳极阴极保护技术已在世界范围内被广泛采用［2］。在海洋工程领域，牺牲阳极阴极保护设计一般是按照规范推荐的设计准则和经验公式［1，3］，使用校核结构物的初期、平均和末期保护电流的方法［4-6］。但该方法存在过度设计的风险［5］，若牺牲阳极过量则会导致结构负荷增大和投资浪费等问题［7］。针对此问题，规范［5］推荐了适用于无涂层结构物的DESIGNsLOPE设计法。该方法给出了单块牺牲阳极尺寸设计的优化依据，能够避免牺牲阳极阴极保护过度设计的问题［5］，既节省了牺牲阳极材料又减轻结构负载。

1 DESIGNsLOPE设计法相关理论

1.1 阴极保护下结构物表面极化特性

在阴极保护的作用下，初期时海洋结构物水下部分的表面会形成一定状态的钙镁沉积层［8］。钙镁沉积层形成的机理是，结构物表面由于受到阴极保护作用而发生吸氧或者析氢反应，在一定的介质pH值下会发生如式（1）～（3）所示的某些离子反应。

这些反应生成的OH-和离子会和海水中的钙离子和镁离子反应生成和CaCO3沉淀，附着在结构物表面，从而形成钙镁沉积层［9］。致密的钙镁沉积层能大大提高阴极保护的效果，这是因为它可以有效地阻碍溶解氧向金属表面扩散和增大金属的极化电阻，从而减小了所需的保护电流密度和扩大了阴极保护的范围［9］。钙镁沉积层的阴极极化试验表明，结构物表面的钙镁沉积层越是致密越有效，结构物越是容易被极化［10］。因此，结构物表面形成钙镁沉积层后其表面极化特性也会发生很大的变化。图1是管道内壁在铝合金牺牲阳极阴极保护作用下，形成钙镁沉积层前后的阴极极化曲线的形状［11］。

因此，当海洋结构物受到牺牲阳极阴极保护的作用时，在一定保护电位和介质pH值条件下，表面会逐渐形成有利于阴极保护的钙镁沉积层，结构物阴极极化也变得越来越容易。若将结构物阴极极化特性变化反映到极化曲线图上，可简单地描述为：初期的极化曲线比较“平缓”，在表面形成钙镁沉积层后极化曲线变得“陡立”；然后在末期随着牺牲阳极输出电流能力下降和钙镁沉积层发生退化破损，其又稍微变得“平缓”些。结构物极化特性整体趋势变化如此，但在具体的海洋环境下会略有不同。

1.2 牺牲阳极阴极保护系统等效电路

通常使用欧姆定律来描述牺牲阳极阴极保护系统的电路特征［12］，如式（4）所示。

式中：Фc为阴极自然电位，V；Фa为牺牲阳极闭路电位，V；Ra，total为所有牺牲阳极的接水电阻，Ω；Rc为阴极接水电阻，Ω；Ri为回路内部电阻，Ω；Ac为阴极表面积，m2；ic为阴极表面保护电流密度，A；为阳极极化引起的压降，V。

这里的阴极即受保护结构物，其表面积一般很大，故阴极接水电阻可略去不计。牺牲阳极是通过焊接或者螺栓连接到结构物上的，两者之间电接触非常充分，故回路内部电阻也可略去不计［13］。牺牲阳极多是采用不易发生极化的铝合金和锌合金材料铸造，故阳极极化引起的压降也可略去不计。因此，式（4）可化简为如式（5）所示形式。

将式（5）表示在保护电流密度和保护电位的并系图中，如图2中实线所示。

在阴极保护初期，系统极化电流较大；随着钙镁沉积层逐渐形成至稳定状态，系统极化电流逐渐减小至稳定，按图2中箭头方向沿直线变化；当牺牲阳极逐渐消耗至其利用率时，牺牲阳极体积变小造成接水电阻会增大，反映到等效电路图中为直线的斜率增大，逐渐从实线变化到虚线所示的状态。

1.3 DESIGNsLOPE设计方法基本原理

以北海海域结构物得到的的裸钢极化曲线为例［14］，将其和多条表示等效电路状态的直线绘制在图3中。

结合1.1节和1.2节的内容可以知道，每个极化曲线和等效电路的交点都表示一组结构物的极化状态和牺牲阳极系统情况的组合。交点在最高保护电位以下时，牺牲阳极阴极保护设计才能满足要求，结构物才能得到充分的极化。因此，在牺牲阳极材料不引起结构物过保护的情况下，足够小的等效电路直线斜率会保证结构物得到更充分的极化，受到更好的保护。

若假定某一海域中结构物具有特定的阴极极化特性和最高阴极保护电位，则其是否能够受到良好的极化只是依赖于等效电路中直线的斜率。该斜率被定义为DESIGNsLOPE［5］，如式（6）所示。

式中：S为DESIGNsLOPE，Ω·m2；Ra为单块牺牲阳极电阻，Ω；Na为牺牲阳极块数，块。

NACEsP 0176推荐了不同海域的DESIGNsLOPE值，推荐值能保证结构物在初期得到良好的极化，如表1所示。

表1 NACEsP 0176推荐DESIGNsLOPE值

除此之外，牺牲阳极阴极保护还应能够在设计寿命期内提供足够的维护电流，即牺牲阳极材料应能够转化为足够的维护电流，如式（7）所示。

式中：ma为单块牺牲阳极重量，kg；T为设计寿命，y；im为维护电流密度，A/m2；k为阳极材料消耗速率，kg/（A·y）。

将式（6）代入式（7），整理可得式（8）。

式（8）同时包含了结构物初期的极化要求和钙镁沉积层形成后的维护要求。理论上存在无数的牺牲阳极满足式（8）中的等号条件，此时所需的牺牲阳极材料最少。从工程角度而言并非如此，但这仍为单块牺牲阳极设计提供了方向，即调整单块牺牲阳极形状尺寸使等号尽量接近成立，从而减少牺牲阳极材料，优化设计方案。

若牺牲阳极尺寸未使等式成立，则需校核单块牺牲阳极实际使用寿命。单块牺牲阳极输出的电流为，再结合DESIGNsLOPE的定义，可得单块牺牲阳极的使用寿命计算式，如式（9）所示。

式中：Ta为单块牺牲阳极实际使用寿命，年。

确定单块牺牲阳极形状尺寸和校核单块牺牲阳极的实际使用寿命后，可根据DESIGNsLOPE的定义计算单块牺牲阳极能够保护的面积，如式（10）所示。

式中：A1为单块牺牲阳极能保护的面积，m2。

然后，根据结构物总的受保护面积可以得到所需的牺牲阳极数量，如式（11）所示。

最后，还需要验证在末期牺牲阳极消耗至其利用率时，是否还能提供足够的极化电流，如式（12）所示。

式中：Sf为末期DESIGNsLOPE，Ω·m2；Ra，f为末期单块牺牲阳极接水电阻，Ω；ΔE为驱动电压，一般取为0.25 V；if为末期保护电流密度，A/m2。

2 DESIGNsLOPE设计法的应用

结合DESIGNsLOPE设计法的基本理论，现以某全浸区无涂层的某平台的牺牲阳极阴极保护设计为例，比较采用DESIGNsLOPE设计法和DNV RP B401推荐方法得到的结果。该平台的基础设计参数如表2所示。

初选牺牲阳极的尺寸为2440mm×（229mm× 248mm）×248mm，净质量为329 kg。分别采用DNV RP B401推荐方法和DESIGNsLOPE法进行牺牲阳极阴极保护设计。前者没有针对牺牲阳极尺寸优化的具体指导，后者则提供了根据式（7）和式（8）进行优化的方向。

DNV RP B401推荐方法的计算过程较常见，不再赘述。按照DESIGNsLOPE法，根据基础设计参数和初选牺牲阳极参数，式（8）的左侧值为：

式（8）的右侧值为：

两者并不相等且差值较大。根据式（9）校核单块牺牲阳极寿命为：

计算结果表明，初选的牺牲阳极尺寸过大，按当前消耗条件单块牺牲阳极实际寿命远大于设计寿命，这会造成牺牲阳极材料浪费，所以应对其尺寸进行优化。优化后的牺牲阳极尺寸为2440mm×（184mm×217mm×168mm，净质量为209 kg，式（8）的左侧值为：

式（8）的右侧值保持不变，其两侧数值接近。根据式（9）校核单块牺牲阳极寿命为：

单块牺牲阳极实际使用寿命略大于设计寿命，满足设计要。

表3给出分别采用DNV RP B401推荐的方法和DESIGNsLOPE设计法的设计结果。相比前者，DESIGNsLOPE设计法得到的方案，牺牲阳极数量只增加了7.4%，但牺牲阳极材料却减少约31.9%。

表3 牺牲阳极阴极保护设计结果

通过比较上述两种设计方案可知，DESIGNsLOPE设计法在确定牺牲阳极几何尺寸时提供了优化的指导。选择合适的牺牲阳极尺寸，能够提高牺牲阳极材料的利用率和减轻该平台的负载，从而提高设计方案的经济性。

3 结 论

海洋工程领域常用的牺牲阳极阴极保护设计方法存在过度设计的风险，文章介绍了针对无涂层结构物的DESIGNsLOPE牺牲阳极阴极保护设计方法。结合结构物表面极化状态变化特点和阴极保护系统等效电路，说明了DESIGNsLOPE设计法的理论基础。该方法能够较好地指导牺牲阳极形状尺寸设计从而优化整体设计方案，避免过度设计，既节省了牺牲阳极材料又减轻了结构负载，提高了阴极保护方案的经济性。

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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，助理工程师。研究方向：船舶与海洋工程舾装设计与研究。潘方豪（1978-），男，研究员。研究方向：船舶与海洋工程舾装设计与研究。李志雨（1988-），男，助理工程师。研究方向：船舶与海洋工程总体设计与研究。

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