基于缩比模型的压载舱牺牲阳极消耗行为

王孝一,宋世德,张 周,张 崎,杨璐嘉,黄 一

(大连理工大学，大连 116023)

压载舱工作时处于极端恶劣的腐蚀环境中，因此需要设计合理有效的腐蚀防护系统。通常采用防腐蚀涂层和牺牲阳极的联合保护系统对压载舱进行保护[1]，在船舶全寿命期内该系统处于一个动态的退化过程[2]：一方面防腐蚀涂层的破损和退化会提高结构的电流密度需求[3]；另一方面牺牲阳极的不断消耗、间浸环境导致的表面结壳和阳极钝化现象会显著降低牺牲阳极的性能，使牺牲阳极产生的电流下降和工作电位正移[4-5]，从而无法提供足够的保护。涂层失效后对压载舱保护完全依赖于牺牲阳极，所以有必要对牺牲阳极的消耗状态进行实时评估。目前对于牺牲阳极消耗状态的评估通常使用的方法有：人工测量检测[6-7]、质量损失法检测[8-10]和电流监测[11-12]。但是由于压载舱内部结构复杂，人员进入困难，维护检修都极为不便；同时压载舱长期处于黑暗中，人工检测难以全面反映压载舱的保护状态。因此，可以通过在线监测牺牲阳极产生的电流来评估牺牲阳极的消耗状态和剩余寿命，并为压载舱的维护检修提供准确的数据支持。

本工作设计了一种在线监测牺牲阳极消耗率并评估牺牲阳极剩余寿命的方法，然后搭建压载舱缩比模型并建立与实船等同的牺牲阳极保护系统进行验证试验，该方法通过在线监测牺牲阳极在不同寿命阶段(涂层破损率)的电流计算牺牲阳极的消耗量，并与实测值进行对比，研究了不同寿命阶段的电流密度需求和温度对牺牲阳极电流效率的影响。

1 压载舱缩比模型和阴极保护系统

1.1 缩比模型

选取某半潜平台作为压载舱缩比模型的母型船，对其下浮体按照1∶4进行缩放。同时对实船的内部结构进行简化，使用矩形梁代替压载舱中的T型材、L型角钢等加强构件。通常认为加强筋高度在0.1 m以上即可实现对屏蔽效应的模拟，而且加强筋厚度对屏蔽效应的影响不明显[13]。在保证结构强度的前提下，尽量减轻模型的质量，通过有限元法计算优化后确定压载舱缩比模型的结构形式。压载舱缩比模型的主要参数如下：缩尺比1∶4，长度3 m，宽度4.5 m，高度2.5 m，板厚6 mm，矩形梁高度0.15 m，总面积82.2 m2，材料Q235B钢，质量3.36 t。

压载舱缩比模型内部共有6道加强筋：4条纵向加强筋，间距为900 mm；2条横向加强筋，间距为1 000 mm。其内部结构如图1。

图1 压载舱缩比模型结构图Fig.1 Structure diagram of ballast tank scale model

参考实船涂装要求对压载舱缩比模型内部进行涂装。涂装前表面处理方法参考GB/T 6823-2008《船舶压载舱漆》、IMO MSC.215(82)《所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准》。涂层体系采用的是NACE SP0108-2008《使用防护漆对海上平台结构进行防腐蚀控制》中典型压载舱的涂层推荐体系，使用三道纯环氧树脂涂层体系，涂层名义干膜厚度为375 μm(90/10规则)。

1.2 牺牲阳极系统设计

基于DNV RP B-401-2011《阴极保护设计》和GB/T 4948-2002《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》进行阴极保护系统的设计，阳极型号为AT-8，阳极材料为Al-Zn-In-Mg-Ti，单块阳极质量为3.0 kg。

牺牲阳极系统的设计寿命为25 a，实测海水电阻率为0.201 Ω·m。通过边界元软件计算优化阳极位置与数量。最终，在模型中共布置18块牺牲阳极，布置位置如图2所示，图中黄色长方体为牺牲阳极。

图2 压载舱缩比模型中牺牲阳极布置图Fig.2 Sacrificial anode layout in ballast tank scale model

1.3 试验流程

参考GB/T 6823-2008《船舶压载舱漆》 附录A-模拟压载舱条件试验中对于压载舱模拟试验的要求进行试验。试验时间为180 d，水温(35±2) ℃，压载周期为3周(2周满载、1周空载)。试验海水为符合GB 3097-1997《海水水质标准》的过滤海水或人工海水，其氧气含量为3～8 mg/L，pH为7.2～8.6。试验过程中通过总功率为30 kw的6支加热器和温度控制设备保证试验水温的恒定。

试验中使用的测量设备和精度如下：电位监测仪(Ag/AgX固体参比电极)，精度1 mV；电流监测仪(10 mΩ精密电阻)，精度1 mA；电子天平，精度4 200 g/0.01 g。

安装完成后压载舱缩比模型内外部如图3所示，其中外部表面贴满铝箔泡沫保温层，用于减少热量损失。

试验前称量牺牲阳极初始质量，然后按以下步骤进行试验：①注水加热，满载2周(14 d)；②排空压载舱，空载1周(7 d)；③人工破损涂层；④重复以上3个步骤。用涂层破损率表示牺牲阳极所处的寿命阶段,涂层破损率从0.5%依次增大为2.0%、5.0%、8.0%、10.0%、15.0%、20.0%，其中在涂层破损率为10.0%条件下进行了2个压载周期的试验(温度分别为25 ℃和35 ℃)；试验结束后，测量牺牲阳极的质量损失。在整个试验过程中使用标准电阻法对牺牲阳极电流进行监测，即通过测量串联接入的10 mΩ电阻上的电压降得到牺牲阳极电流。

(a) 外部

(b) 内部图3 压载舱缩比模型内外部照片Fig.3 Photos of inside (a) and outside (b) of ballast tank scale model

2 结果与讨论

2.1 电流监测值

根据试验期间的牺牲阳极电流监测数据，绘制出阳极电流随时间变化的曲线，如图4和图5所示。从图中可以看出，牺牲阳极电流呈周期性变化，在每一个压载周期开始时牺牲阳极入水开始极化，电流同时达到峰值，随后电流值呈指数下降，约10 d后达到稳定。这是由于在压载水舱环境中，阴极表面处于干湿交替的状态，阴极保护无法形成致密的保护膜，表面的钙镁沉积层质地疏松，孔隙较大，无法形成长期的保护。在经历初期的大电流极化后，阴极表面迅速形成一层保护膜，减小了电流密度需求，因此阳极输出电流迅速减小到一稳定值。

图4 牺牲阳极电流监测曲线Fig.4 Sacrificial anode current monitoring curves

图5 涂层破损率为20%时牺牲阳极电流监测曲线Fig.5 Sacrificial anode current monitoring curves at coat damage rate of 20%

同时在每一次压载结束后会人为改变涂层破损率，因此每一周期稳定阶段的电流值也不断增大。对各周期的阳极电流峰值和破损率以及对应的平稳阶段电流值进行统计，结果列于表1中。将阳极电流密度稳定值(阳极总电流稳定值/阴极保护面积)和涂层破损率作图，并采用最小二乘法进行线性拟合，结果见图6。

表1 牺牲阳极的电流及电流密度Tab. 1 Current and current density of sacrificial anode

从图6中可以看到，阳极电流密度与涂层破损率基本呈现线性关系，其中涂层破损率为2.0%(第2压载周期)和涂层破损率为10.0%(第5，6压载周期)时，试验数据略偏离了拟合曲线。这是由于第2压载周期为首次进行涂层破损，压载舱缩比模型表面出现大面积的裸露部分，所以电流密度需求稍高于拟合值；由于第5，6压载周期中间未对涂层进行破坏，所以在第5个压载周期中形成的钙镁沉积层减小了第6个压载周期的电流密度需求，造成了该点略低于拟合值，如图7所示。通过同DNV RP B-401-2011规范对比发现，当涂层破损率小于10.0%时，电流密度略大于规范要求值，当涂层破损率不小于10.0%时，电流密度基本相等。

图6 阳极电流密度随涂层破损率变化曲线及规范推荐值Fig.6 Curves of anodic current density vs coat damage rate and recommended values of specifications

图7 涂层破损率为10%时牺牲阳极监测曲线Fig.7 Sacrificial anode current monitoring curves at coat damage rate of 10%

在第6压载周期中，将海水温度从25 ℃提高到35 ℃，牺牲阳极的电流输出有了明显的提高，但监测到的压载舱缩比模型表面电位却略有下降，如图8所示，这说明温度升高降低了牺牲阳极的效率。

2.2 牺牲阳极剩余寿命评估

为了评估牺牲阳极的剩余寿命，需要先计算牺牲阳极工作时间内的质量损失。通过对实时监测得到的电流数据进行处理，即可实时了解牺牲阳极的工作、消耗状态。牺牲阳极的消耗质量可通过式(1)计算。

图8 涂层破损率为10.0%时电位监测曲线Fig.8 Potential monitoring curves at coat damage rate of 10.0%

(1)

式中：F为法拉第常数，96 500 C/mol；M为相对原子质量，此处为27 g/mol；V为阳极材料化合价，此处为3；E为阳极电流效率，此处为0.9。

根据式(1)计算得到的牺牲阳极理论消耗质量见表2。同时根据GB/T 16545-2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》中有关方法去除牺牲阳极表面腐蚀产物，再称量牺牲阳极的剩余质量，试验前后牺牲阳极的质量差即为其实测消耗质量，结果也列于表2中。

由于各牺牲阳极的电流效率并不相同，同时监测时间有限，牺牲阳极的理论消耗质量与实际消耗质量难免存在误差，除个别牺牲阳极相对误差较大外，大部分都较小。从表2中可以看出，消耗质量较大的牺牲阳极，其相对误差值大多为正值。这是由于牺牲阳极表面腐蚀不均匀，腐蚀部分呈斑点状分布，且蚀坑较深，如图9所示,在腐蚀产物去除过程中，附着不牢固的金属基体很容易同腐蚀产物一同被去除所致,表2中多数牺牲阳极消耗质量的相对误差在13% 以内，其中15和13号牺牲阳极由于本身输出电量较少，消耗质量较少，因此误差相对较大，但误差仍在20%以内。

表2 牺牲阳极消耗质量Tab. 2 Consumption mass values of sacrificial anodes

图9 8号牺牲阳极去除腐蚀产物后的照片Fig.9 Photo of sacrificial anode No. 8 after removal of corrosion products

从图4中的电流趋势可见，压载舱内牺牲阳极输出的电流并不连续，牺牲阳极根据压载周期间歇性工作，所以使用牺牲阳极的平均消耗率对其剩余寿命进行评估，如式(2)所示，以1号牺牲阳极为例，计算得其剩余寿命为19.11 a。

(2)

式中：N为牺牲阳极的剩余寿命；K为牺牲阳极的利用系数，取0.9；m0为牺牲阳极的初始质量；Δm为试验期间牺牲阳极的消耗质量；t为试验时间。

3 结论

(1) 压载舱中牺牲阳极间歇性工作，阳极入水再极化时电流达到峰值，其后呈指数趋势迅速下降，约10 d后保持稳定。

(2) 随着涂层破损率的变化，在压载舱全寿命期内各牺牲阳极输出电流差别较大，且同DNV规范相比，涂层破损率小于10.0%时电流密度较大，涂层破损率不小于10.0%时电流密度基本相等。因此需对压载舱牺牲阳极做出适当调整，例如使用前期电流输出较大的复合牺牲阳极等。

(3) 在同等条件下，温度升高，阳极的输出电流增大，压载舱保护电位降低，牺牲阳极效率下降。

(4) 通过法拉第定律计算可以较为精确地预估牺牲阳极的消耗状态，通过平均消耗率可以对牺牲阳极的剩余寿命进行评估。若进行长期的监控，可以有效提高消耗状态的预测精度。

致谢：本文工作得到海洋工程装备科研项目“第七代钻井平台船型方案研究(半潜式)”和高技术船舶科研项目“浮式保障平台工程防腐抗蚀技术”的大力帮助，在此表示感谢。