导管架平台外加电流阴极保护系统缩比模型模拟研究

王 辉 王廷勇 许 实 王海涛

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）

0 引言

海洋环境十分严酷，海水是自然界最大的天然电解质，海洋平台长期处于海洋腐蚀环境中，腐蚀问题十分突出[1]。阴极保护是海洋平台等钢结构物腐蚀控制的有效措施之一。根据提供电流方式的不同，阴极保护分为牺牲阳极法和外加电流法[2]。牺牲阳极保护技术规范完善、建造时一次性安装、后期维护少；但也存在驱动电压有限，单只阳极保护范围小，设计寿命有限等缺点。外加电流法虽然一次性投入较大，全寿命期需要维护与保养，但海上安装相对容易，输出电流大、保护范围广，不会因为保护面积增加而增加对平台的负重，而且使用中不会有重金属离子产生，是一种环境友好的阴极保护技术[3]。

目前绝大多数海洋平台的都是基于25年的服役寿命设计的[4]，当探明储量增加，使得海洋平台的使用寿命需要延长，或原有的阴极保护失效时，就需要对平台的阴极保护系统进行延寿修复[5]。对于较深水域的海洋平台，如果采用牺牲阳极修复技术，阳极的安装施工费用将远大于阳极本身的成本，因此外加电流阴极保护技术是主流的海洋平台阴极保护修复延寿技术。

目前已应用的平台延寿外加电流阴极保护系统主要有拉伸式阳极系统和远地式阳极系统。拉伸式阳极是由一个或若干个辅助阳极固定在一条绳索上，该绳索可提供足够的支撑力，绳索下端栓上负载用以固定，并将整个拉伸式阳极都固定在外套管上。远地式阳极是将阳极置于海底泥土区或者底座上，根据被保护钢结构的尺寸，阳极和被保护体的距离在几米到300m之间[6,7]。

海洋平台外加电流阴极保护工程具有投资高、施工难度大，工程经验缺乏等特点，通常会采用数值模拟法或缩比模型法对外加电流阴极保护系统优化设计方案[8,9]。缩比模型法是基于缩比理论，将海洋工程装备按一定比例制成缩比模型，同时将介质的电导率按比例缩小，测量评价不同方案的保护效果，从而确定最佳的阴极保护方案的试验优化设计技术。使用缩比模型法可以对形状复杂的平台进行复制，同时不需要使用所用材料的极化曲线等电化学数据，可以在较少投入的情况下对平台阴极保护技术进行验证和优化[10,11]。

本文以南海某海洋平台为原型，基于缩比模型理论，研究远地式和拉伸式辅助阳极数量、发生电流及与平台距离对阴极保护效果的影响，比较两种外加电流系统的保护效果，为平台外加电流阴极保护设计提供参考依据。

1 试验

实验设施主要由海洋平台缩比模型、远地式外加电流系统、拉伸外加电流系统、电位分布监测系统、试验水池等组成。

1.1 平台缩比模型

缩比模型由南海某海洋平台按1:80的比例缩比而成，模型模拟整个导管架的结构，但只对水下部分进行外加电流优化设计。缩比后模型底部尺寸49.8×47.3cm，上部17.5×15cm，高1.74m，其中水下部分1.65m，水上部分0.09m；被保护面积约为3.6m2，用Q345钢焊接而成，如图1所示。

1.2 远地式外加电流系统

远地式外加电流阴极保护系统由恒流源和远地式辅助阳极体组成。恒流源由朝阳电源生产，80V/16A。辅助阳极体包括底座、氧化物阳极和连接导线，底座由PVC加工制成，尺寸10×10×10cm；上方固定有2块3×1cm的钛基金属氧化物阳极，阳极与铜导线连接，连接处用环氧树脂密封，如图2所示。

1.3 拉伸式外加电流系统

拉伸式外加电流阴极保护系统由恒流源和拉伸式辅助阳极体组成。恒流源由朝阳电源生产，80V/16A。拉伸式辅助阳极由钛棒和氧化物阳极棒组成。钛棒直径φ5mm，表面用橡胶自粘带密封，顶端固定于缩比模型的顶部，底部固定于水池底部的卡槽中；从钛棒的上部到底部，每隔35cm安装一个φ10×30mm氧化物阳极棒，每个拉伸式辅助阳极包含4个阳极棒，结构如图3所示。

1.4 电位监检测系统

电位监检测系统由参比电极和数据采集装置组成。参比电极采用上海雷磁生产的固态Ag/AgCl电极，相对于氢标电极的电位约为+0.2224V，分别固定于平台缩比模型的4条桩腿的上、中、下部位，如图4所示。数据采集装置采用Campbell Scientific生产的CR1000X数据采集器。

1.5 试验水池

实验水池尺寸3×2.4×2m3。试验海水采用青岛附近海域天然海水，用蒸馏水按1:80稀释，稀释后实测电导率615u S/cm，pH=7.45。

2 结果与讨论

2.1 远地式外加电流阴极保护

2.1.1 保护电流大小对平台保护效果的影响

将单座辅助阳极放置于平台一侧，与缩比模型底部水平距离115m，如图5所示。辅助阳极和恒流源的正极相连，缩比模型与恒流源的负极相连。

通过辅助阳极对平台施加389mA的电流，即保护电流密度约为108mA/m2。平台不同位置的保护电位变化如图6所示。

从图6可见，施加外加电流后，平台各位置的电位均迅速负移，14h后基本稳定，所有位置测得的电位均小于-900mV（v.s. Ag/AgCl电极，下同），但不同位置的电位差别较大。平台靠近阳极体一侧的保护电位均明显负于另外一侧，说明屏蔽效应对平台保护电位影响显著。距离远地式阳极最近的3#参比电极测得的电位达-1107mV，位于距辅助阳极另一侧的上部的7#参比电极测得的电位为-907mV，相差约200mV。

待保护电位稳定后，将保护电流依次降至292 mA和194mA，即平均被保护电流密度81mA/m2和54 mA/m2，平台被保护电位变化如图6和图7所示。

保护电流密度降至81mA/m2后，不同位置的保护电位在-1050～-890mV之间。3#参比电极测得的保护电位达到-1050mV；12#参比电极测得的保护电位约为-890mV，相差约160mV。说明随着保护电流降低，不同位置的电位差有所缩小。

保护电流密度降至54mA/m2时，稳定后的保护电位在-840～-1015mV之间，依然是3#参比电极测得的电位约为-1015mV，9#和12#测量点的电位最正，均在-840mV左右。1～6#测量点保护电位从上到下逐渐变负，3#测量点电位最负，其他位置的保护电位差别较小。7～12#测量点中，位于平台底部、距离辅助阳极相对较近的9#和12#测量点保护电位-840mV，位于顶部的7#和12#测量点虽然距离较远，但保护电位达到-900mV，这是因为平台底部结构更复杂，对电场的屏蔽效应更强。

2.1.2 辅助阳极和平台距离对保护效果的影响

将发生电流设定在292mA，即保护电流密度81 mA/m2，按照115cm、100cm、85cm、70cm依次调整阳极体与被保护体的距离，记录平台不同测量点的保护电位，如图8所示。

从图8可以看出，当平台模型与阳极体的距离由115cm缩小到70cm时，平台不同位置的保护电位均匀性降低。值得注意的是，当辅助阳极靠近时，距离较远、受屏蔽作用影响较大的7～12#测量点的保护电位但变化不大；1～6#测量点保护电位明显负移，特别是距离辅助阳极最近的3#测量点，距离115cm时的电位约为-1050mV，但70cm时的负移至-1100mV左右。

2.1.3 辅助阳极数量对保护效果的影响

将阳极体增加为两支，分布位于平台两侧距离85cm，单只阳极体输出电流145mA，如图9所示。

图10是发生电流、辅助阳极和平台距离均相同情况下，采用单辅助阳极和采用双辅助阳极的保护电位分布情况。可以发现，双阳极体时平台保护电位的均匀性显著提高，稳定后平台的保护电位在-975～-1050mV之间，最大电位差仅有约75mV。而单阳极体时，稳定后平台的保护电位在-890～-1090mV之间，最大电位差达到200mV。说明采用双辅助阳极体保护时，平台的电位分布均匀性远优于采用单辅助阳极体。

2.2 拉伸式外加电流阴极保护系统

2.2.1 单拉伸式阳极保护效果研究

采用单侧拉伸式阳极对平台模型进行阴极保护，保护电流390mA，电流密度108mA/cm2。阳极底端与缩比模型的距离为60cm，平台的保护效果如图11所示。

从图11可以看出，单拉伸式阳极保护时平台各部位的电位相差较大，保护效果较差。靠近阳极一侧模型的保护电位达-1076mV，而模型另一侧的保护电位仅达到-830mV，电位差达246mV。由于氧化物阳极棒自上而下分布，发生电流分布较均匀，因此靠近阳极一侧缩比模型的保护电位分布较均匀，在-1044～-1076mV之间；另一侧电位差较大，保护电位在-830～-940mV之间。

2.2.2 双侧斜拉式阳极保护效果研究

由于单只拉伸式阳极对平台的保护效果较差，在保护电流密度达108mA/cm2仍无法使缩比模型处于有效保护状态，因此调整为采用双侧斜拉式阳极对平台进行阴极保护。斜拉式阳极下端与缩比模型的距离为15cm，分别调节电流为389mA、292mA、194mA、98mA，对应的保护电流密度分别为108mA/cm2，81mA/cm2，54mA/cm2，27mA/cm2。平台缩比模型的保护电位分布如图12所示。

采用双侧拉伸阳极施加外加电流后，保护电位的均匀性显著提高，当保护电流密度大于54mA/cm2时，所有部位的保护电位均负于-900mV，且电位差均不超过100mV。随着保护电流的降低，平台的保护电位正移，当发生电流降至98mA，即保护电流密度27mA/cm2时，平台部分区域的保护电位仍负于-800mV，但不同部位的电位差扩大到135mV。

2.2.3 双侧拉伸式阳极位置对保护电位的影响

采用双侧拉伸式阳极对平台进行阴极保护，施加电流380mA，即保护电流密度为108mA/cm2。当拉伸式阳极上端固定于平台顶部，下端与缩比模型的距离分别为60cm，45cm，30cm，15cm，平台的保护电位如13所示。

由图13可以看出，所有位置测得的电位均小于-950mV，不同位置保护电位差在100mV以内。与远地式外加电流系统相比，拉伸式阳极和缩比模型间的距离对平台保护电位分布的影响没有显著的规律性。这是因为由于重力作用，拉伸式阳极存在自然弯曲，在调整下端与缩比模型距离时，不同位置的氧化物阳极与平台距离变化不均匀。

3 结语

（1）当采用远地式外加电流保护系统时，若采用单辅助阳极体，保护电流密度达54mA/m2可以使平台保护电位不正于-800mV，但保护电位不均匀。阳极距离越远，电位分布越均匀；采用双辅助阳极体保护时，平台的电位分布更加均匀，不同区域的电位差更小，保护效果明显优于单辅助阳极；

（2）在无屏蔽作用情况下，缩比模型不同测量点的保护电位取决于和阳极体的距离，距离越近的区域保护电位越负；当存在屏蔽作用时，屏蔽作用对保护电位的影响比距离更加显著；

（3）当采用拉伸式外加电流阴极保护系统时，若采用单阳极，电流密度需达到108mA/cm2才能使平台保护电位不正于-800mV，且保护电位不均匀。采用双阳极时，保护均匀性显著提升，保护电流密度只需27mA/cm2即可使平台处于有效保护中；

（4）远地式和拉伸式外加电流系统均可以实现对海洋平台的有效保护。由于拉伸式外加电流系统辅助阳极布置更均匀，若通过合理的布置避免屏蔽效应，拉伸阳极系统需要的发生电流小于远地式外加电流系统。