辅助阳极的分布对导管架阴极保护电位的影响研究

李 辉 陈亚林 贺海龙 韩 冰 李向阳许 彪 廖卓伟 尹鹏飞 李金梅 郑志建

（1. 中海油能源发发展装备技术有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；2. 青岛钢研纳克检测防护技术有限公司，山东 青岛 266071；3. 大庆油田工程有限公司，黑龙江 大庆 163712）

0 引言

在海洋强国战略的大背景下，海上风电、海上采油、采气等海洋工程项目正抓紧布局、实施。无论近海还是远海，海洋工程用钢面临的首要问题就是腐蚀。众所周知，海水中较高的氯离子浓度，使得海洋环境的腐蚀速率较淡水、内陆环境高出数十倍，因此，海洋工程的防腐问题较为突出。目前，针对大型海工钢构物，国内主要采用牺牲阳极的阴极保护方法。这种方法工程经验丰富、成本低、无需专业人员维护，受到了工程人员的广泛认可。但国际上，正在逐步减少、淘汰牺牲阳极的使用。究其原因，是因为牺牲阳极在冶炼时造成严重的大气污染，同时在使用时，大量的金属离子，尤其是其中的重金属离子溶于海水，对海洋环境产生威胁。

外加电流阴极保护法是目前日趋成熟的海工防腐方法，在国外已大量工程应用[1]，国内正处于推广阶段，其最主要的特点就是环境友好。目前各个领域，如海上风电桩基、升压站导管架、采油平台导管架等，都逐步接受这一形式，但由于工程经验较少，在远海，尤其是采油、采气平台上推广应用较慢。

由于海洋工程外加电流系统中辅助阳极一般数量较少，发生电流集中，因此容易造成被保护物靠近辅助阳极区域过保护和远离辅助阳极区域或者屏蔽严重区域欠保护的危险[2-4]。因此在外加电流阴极保护中，钢结构表面电位分布的均匀性是评价阴极保护系统设计的重要指标[2]。

数值模拟法和缩比模型法是外加电流阴极保护系统优化设计的两种方法[5]。数值模拟法是利用计算机边界元或有限元程序求解描述阴极保护电场的偏微分方程，从而预测被保护构筑物表面电位分布[6-8]。数值模拟法多是针对静态环境模型进行计算，而实际的阴极保护环境是随时间发生变化的，包括海水流动、阴极极化过程中钢表面钙镁沉积层的变化等，因此边界条件中阴极表面电位与电流密度函数会随时间不断变化，仅根据静态环境的电位与电流密度函数关系描述整个阴极极化过程，模拟结果会和实际数据有偏差[2]。

缩比模型法是利用被保护物的缩比模型优化预测分析被保护物表面电场，将平台的外形尺寸按一定比例缩放，同时将海水的电导率也缩比相同的比例。该方法具有复制平台复杂几何形状，而不依赖任何所用材料的极化曲线等电化学数据，具有节省时间、降低成本的优点，现已在船体阴极保护设计中得到应用[9-11]。

本文主要从工程角度出发，采用缩比模型法研究了辅助阳极距离、数量、流动海水等情况对导管架阴极保护电位分布的影响，试验结果可以给具体工程提供借鉴。同时，在模拟实验中发现了电位容易受外部条件影响的区域，以及容易过保护、欠保护的区域。因此在实际工程中，可以在这些区域布置电位探头，用以监测其电位变动情况，从而可以大致掌握整个导管架的阴极保护情况。

1 试验

试验以中海石油WC14-3采油平台导管架为基础，构建了1:65的缩比模型，模型材料为Q235碳钢，模型各连接处采用单面满焊焊接，焊接后对焊缝进行打磨处理，保证焊道外面光滑。

辅助阳极采用自制的远地式辅助阳极（如图1所示），主材为钛基金属氧化物，有效外露阳极共4根φ3×60mm的圆棒。其支架是PVC板，并固定于混凝土底座上。

电位监测系统利用自制的粉压Ag/AgCl作为参比电极，所有电位测量数据由数据采集仪自动采集、记录。参比电极在海水中浸泡10d后，用饱和甘汞电极测量其电极电位，挑选符合GB/T 7387-1999要求的参比电极用于试验测量。本试验中共布放10支参比电极，布放位置如图2所示。

整个缩比试验装置放在模拟水池（如图3所示）中，水池尺寸为4.1×3.0×2.1m，水池四周及底面均标有刻度尺，水池本身装有造涌、造浪装置，可模拟实际的流动海水情况。外加电流装置使用ZF-9型恒电位仪，确保外加电流系统有稳定、精确的恒流输出。试验所用海水为自然海水经淡水稀释100倍的人工海水。

2 结果与讨论

为了研究辅助阳极距导管架的距离，对导管架阴极保护电位分布的影响，以及流动海水对阴极保护电位的影响。我们将导管架紧贴水池一侧中间放置，辅助阳极放在距离导管架底边正前方120cm处的水池底面，液面处于第一平层与顶端之间，距离导管架模型顶端23cm。池中海水循环流动时，导管架模型附近的水流约30cm/s，其中水面和水底附近的流速较小，所测瞬时流速不超过35cm/s，中间流速较大，所测瞬时流速小于45cm/s。

试验期间，移动辅助阳极，使其逐渐靠近导管架模型，在距离40cm、60cm、80cm、100cm、120cm时，开始施加100mA的阴极电流，并分别测量静态、动态海水中，导管架的阴极保护电位。每个间距点测量时，先测量静态海水中的数据，测量结束后及时断电，并间隔8h以上，再测量动态海水中的数据，确保每次测量前导管架充分去极化。测量结果如图4～图8所示。

首先，静态海水与动态海水条件下的横向比较中，无论间距远近，动态海水的10个监测点的阴极保护电位值比较分散，既各点电位差距较大，而静态海水下，各点的阴极保护电位值相对集中。动态海水下的电位分散性在间距40cm和120cm时尤为突出，说明动态海水更容易出现过保护和欠保护的情况，而辅助阳极与被保护物间的距离调整，可以改善电位分散的情况。我们知道，相同条件下，海水流速越快，其阴极去极化能力越强。而导管架复杂的结构，以及海水流速在纵向上的差异，使得导管架各点附近的实际海水流速差别较大。因此，各点不同的阴极反应速率导致了各点电位值有较大差异。

此外，我们发现，距离水面较近的监测点，如1#、6#，其电位相对偏正，处在水底的电位监测点，如3#，其电位相对偏负。而且无论在静态还是动态海水中，无论辅助阳极距离导管架模型远、近，这种情况始终存在。对于远地式外加电流系统，由于辅助阳极距离3#点始终最近，而距离1#、6#始终最远，加上水面附近的溶氧充足，容易去阴极极化，因此在电位分布上，底端的3#点电位最负，顶端的1#、6#点电位最正。也就是说，上述点位是容易过保护和欠保护的地方，在外加电流系统中需要重点监测。

在不同间距下测得的导管架电位的纵向比较中，我们着重研究了不同距离，对导管架电位分布均匀性的影响。图9为不同间距下，导管架各点的电位差极值。静态海水中，随着辅助阳极向导管架逐渐靠近，电位差极值先减小，后增加，在间距80cm时电位分布最均匀。而动态海水中，上述规律并不明显，在间距80cm时，电位差极值虽然出现了一个拐点，但间距40cm时，导管架的电位分布才最均匀。需要指出，这种电位分布规律，仅适用于远地式外加电流系统。因为在远地式外加电流系统中，辅助阳极距离导管架较近，会造成电流屏蔽，结构复杂和距离阳极较远的地方，阴极电流分流较少，造成电位分布不均；如辅助阳极距离导管架较远，回路电阻明显增加，导管架是距离阳极较远的地方回路电阻大，阴极电流分流少，也容易形成电流分布不均。实际海况下，由于导管架各点的海流差别较大，海流影响阴极反应速率，进而影响导管架表面电位，但不同流速对导管架电位分布影响，还需进一步探究。

使用与上文中相同的辅助阳极2组，分列在导管架左右两侧且距离导管架中心距离相等，两个辅助阳极横向间距300cm，纵向与导管架近侧底边的距离为200cm，并在纵向上同时移动两个辅助阳极，逐步接近导管架模型。测量方法与单组阳极的试验一致。

本组试验，分别测量了辅助阳极距导管架底边纵向距离为40cm、80cm、120cm、160cm、200cm时，静态、动态海水中导管架各点电位，结果如图10～图14所示。

采用左右2组辅助阳极发生阴极电流时，明显可以看出动态海水中，与1组辅助阳极相比，导管架各点电位值的分散性较小。上述图10～图14静态与动态的横向比较中，电位值的分散性基本相当，亦表明2组辅助阳极，明显有助于动态海水中的导管架电位均匀分布。

上述图10～图14中，依然发现1#、6#点位，也就是最靠近水面的地方电位最正，但电位最负点，变成了8#点位。8#点与3#点在同一水平面，虽然2组辅助阳极改变了最负电位的位置，但整体规律没变，既远地式外加电流系统中，底端容易过保护，而顶端容易欠保护。

图15是使用2组辅助阳极后，各间距测量点的电位差极值变化情况。静态海水中，我们发现了与1组辅助阳极试验中相同的规律，只是电位分布最均匀的间距为120cm。采用2组辅助阳极后，对动态海水中的电位分布均匀性影响明显。可以看出下图中，动态海水条件下，电位差极值的变化也出现了与静态海水相近的V型规律，且同样在间距120cm时，电位分布最均匀。

从上述结果中可以看出，2组辅助阳极的使用，主要影响了动态海水条件下的电位分布，使得导管架的电位分布更均匀，改善了1组辅助阳极导致的容易发生过保护和欠保护的情况，这对实际工程具有重大的指导意义。但总体看来，流动海水较静态海水，增加了导管架的外加电流阴极过保护、欠保护的风险。

3 结语

远地式外加电流阴极保护系统组，距离辅助阳极较近的位置容易发生过保护，距离辅助阳极较远的位置容易发生欠保护，工程应用中应重点监测。

动态海水中的导管架阴极保护电位分布较不均匀，增加了过保护、欠保护的风险，亦表明海水流速对阴极保护电位分布存在相关性影响。

辅助阳极距导管架的距离，影响了导管架电位分布的均匀性，随着辅助阳极远离导管架，导管架各处的最大电位差先变小，后变大，亦既对于电位均匀性来说，存在一个最佳距离。

2组辅助阳极的使用，明显改善了动态海水条件下，导管架电位分布的均匀性，降低了过保护、欠保护的风险。