海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估方法

张文锋，陈韬，刘凯，李云飞，李秋实，3，曹忠露，3

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；3.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津300461）

0 引言

牺牲阳极由于性价比较高、海水中性能优良等特点，被广泛用于海水环境下钢结构的阴极保护。其中，铝合金牺牲阳极使用最为广泛。然而，我国沿海有大量回淤港口，随着淤积程度不断加剧，服役于其中的牺牲阳极常会被海泥不同程度掩埋[1]。当设计用于海水环境的铝合金牺牲阳极被海泥掩埋，被动服役于海泥环境中时，工作性能可能会下降甚至过早失效[2]。牺牲阳极安装之初，表面状态良好，通常会均匀溶解，但服役一段时间后，表面往往会被海生物（如牡蛎、藤壶等）覆盖[3]，可能造成牺牲阳极不均匀溶解，进而影响牺牲阳极使用效果和寿命。因此，有必要对海洋回淤环境下钢结构的牺牲阳极系统进行定期检测评估，以便及时采取处理措施，保障牺牲阳极正常运行和使用寿命。

国内外有关设计标准[2，4-8]给出了牺牲阳极使用年限的计算公式，而现行行业检测标准[9]有涉及牺牲阳极检测评估的相关内容，但主要针对海水中钢结构的牺牲阳极系统，基本未考虑回淤带来的相关问题，如海泥环境中牺牲阳极的工作效能、泥面升高钢结构保护电流需求量减少等，不适用于海洋回淤环境下的牺牲阳极系统。既有牺牲阳极检测评估中，当发现牺牲阳极被海泥掩埋后，通常仅对被掩埋牺牲阳极进行记录或描述，而不考虑回淤带来的相关问题[10]。本文针对海洋回淤环境牺牲阳极系统，提出一种剩余寿命检测评估方法。

1 海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估基本思路

牺牲阳极阴极保护是由与被保护体耦合的牺牲阳极提供保护电流的阴极保护[2]。根据法拉第定律，牺牲阳极消耗所产生的电量（保护电流×保护时间）与其消耗的质量成正比。由此可知，当获知牺牲阳极总质量和被保护体所需保护电流时，便可得到牺牲阳极系统使用年限。定义产生单位电容量（如1 A·a）所消耗的牺牲阳极质量为消耗率[2]，可得到牺牲阳极使用年限计算公式如下：

式中：t为牺牲阳极使用年限，a；M为牺牲阳极质量，kg；E为牺牲阳极消耗率，kg/（A·a）；I为被保护体所需保护电流，A，即被保护体所需保护电流密度与保护面积的乘积。

根据式（1）可知，当检测得到海洋回淤环境下的牺牲阳极剩余质量、牺牲阳极消耗率和被保护体所需保护电流，便可通过相关公式得到海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命。回淤导致牺牲阳极被掩埋后，牺牲阳极工作性能有所下降，海泥中牺牲阳极的消耗率E将有所增大；同时，回淤使得泥面升高，导致水下区面积减小、泥下区面积增大，被保护体所需保护电流I有所下降。可见，综合考虑上述两个因素有助于提高回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估的准确性。根据以上思路，本文提出了海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估步骤。

2 海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估步骤

海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估包括牺牲阳极有效净重获得、海泥掩埋牺牲阳极消耗率获取、钢结构所需维持保护电流取得和牺牲阳极系统剩余寿命计算4个步骤。其中，海泥掩埋牺牲阳极消耗率获取可采用理论计算、室内试验和现场试验3种方式；考虑到回淤海泥沉积时间较短，性质与原泥下区海泥性质有所不同，将泥下区分为回淤区和原泥下区，故钢结构所需维持保护电流为钢结构水位变动区、水下区、回淤区和原泥下区所需维持保护电流之和。图1为海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估流程图。

图1 海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命检测评估流程图Fig.1 Flow diagram for detection and assessment of remaining life for sacrificial anode system in marine siltation environment

2.1 牺牲阳极有效净重

首先从被保护钢结构上取样数块牺牲阳极并进行表面清理，然后测量各牺牲阳极的净重和体积元素，并通过数学方法建立牺牲阳极净重与体积元素的函数关系，接着测量钢结构上所安装牺牲阳极的体积元素，并通过相关公式计算某个牺牲阳极的有效净重。牺牲阳极净重指在清理表面后牺牲阳极本体的质量，即牺牲阳极毛重减去钢芯及焊脚的质量。牺牲阳极系统在服役过程中，除向被保护钢结构提供保护电流外，有部分会因自腐蚀、局部脱落、不均匀溶解等原因异常消耗。牺牲阳极有效净重指向被保护钢结构提供保护电流所消耗的阳极本体质量。牺牲阳极体积元素是指计算牺牲阳极体积所用的边长、周长、高度或直径等元素。

牺牲阳极有效净重获得的具体步骤如下：

1）现场取样相关区域的n块牺牲阳极，清理牺牲阳极表面，称重并记录牺牲阳极的毛重mi，i为牺牲阳极编号，i=1，…，n。

2）根据牺牲阳极形状确定体积计算公式V[C（j）]，C（j）为牺牲阳极体积元素，j为体积元素编号，j=1，…，a。

3）测量并记录现场取样1～n号牺牲阳极的体积元素实测值C（i，j），i=1，…，n；j=1，…，a。

4）根据牺牲阳极毛重mi、体积元素实测值C（i，j）和钢芯及焊脚质量mx，并通过线性回归、多元线性回归或最小二乘拟合等数学方法，建立牺牲阳极净重Mn与体积元素C（j）的函数关系Mn=F[C（j）]。

5）现场测量并记录安装在钢结构上b个牺牲阳极的体积元素实测值C（k，j），k为现场被检安装在钢结构上牺牲阳极的编号，k=1，…，b。

6）根据牺牲阳极原始毛重M0，计算1～b号牺牲阳极的有效净重Me（k），k=1，…，b。其中，第k号牺牲阳极有效净重Me（k）计算公式如下：

式中：Me（k）为第k号牺牲阳极有效净重，kg；F（·）为牺牲阳极净重与体积元素的函数关系；C（k，j）为第k号牺牲阳极体积元素实测值，m；M0为牺牲阳极原始毛重，kg；mx为钢芯及焊脚质量，kg；fu为牺牲阳极利用系数，%。

2.2 海泥掩埋牺牲阳极消耗率

海泥掩埋牺牲阳极消耗率可通过理论计算、室内试验或现场试验3种方式获取。

2.2.1 理论计算

海泥掩埋牺牲阳极消耗率Egn理论计算公式：

式中：Egn为海泥掩埋牺牲阳极消耗率，kg/（A·a）；Ql为牺牲阳极理论电容量，A·h/kg；ηs为牺牲阳极在海水中的电流效率，%；KEgn1为修正因子（0＜KEgn1≤1）。

2.2.2 室内试验

现场取样相关区域的海泥及牺牲阳极材料，然后通过室内电化学性能试验获取牺牲阳极在海泥中的电流效率ηn，并根据理论容量Ql计算海泥掩埋牺牲阳极消耗率Egn：

式中：ηn为室内试验测得的牺牲阳极在海泥中的电流效率，%；KEgn2为修正因子（0＜KEgn2≤1）；其他参数同式（3）。

2.2.3 现场试验

现场相关区域原位安装同类材质的牺牲阳极及对电极试件组合，然后在现场进行电化学性能试验，获得牺牲阳极在海泥中的电流效率ηx，并根据理论容量Ql计算海泥掩埋牺牲阳极消耗率Egn：

式中：ηx为现场试验测得的牺牲阳极在海泥中的电流效率，%；KEgn3为修正因子（0＜KEgn3≤1）；其他参数同式（3）。

2.3 海洋回淤环境钢结构所需维持保护电流

现场测量待测区域钢结构所处位置水深Ds，得到水下区高度Hs和泥下区高度Hn，并根据钢结构形状及原始数据获得钢结构的水位变动区表面积Sb、水下区表面积Sx、回淤区表面积为Sh和原泥下区表面积Sn。随后根据钢结构在相应腐蚀区带的涂装面积St，涂层破损率fp和所需维持保护电流密度iw，计算待测区域钢结构所需维持保护电流Iw：

式中：Iw为钢结构所需维持保护电流，A；Sb、Sx、Sh和Sn分别为钢结构水位变动区、水下区、回淤区和原泥下区表面积，m2；Stb、Stx、Sth和Stn分别为钢结构在水位变动区、水下区、回淤区和原泥下区的相应涂装面积，m2；fpb、fpx、fph和fpn分别为钢结构水位变动区、水下区、回淤区和原泥下区的涂层破损率，%；iwb、iwx、iwh和iwn分别为钢结构水位变动区、水下区、回淤区和原泥下区所需维持保护电流密度，A/m2。

2.4 海洋回淤环境牺牲阳极系统剩余寿命计算

现场检测待测区域海水中h块牺牲阳极的体积元素为C（x，y），分别将其代入式（2）有效净重计算公式，得到h块牺牲阳极的有效净重Me（x）。其中，x=1，2，…，h；y=1，…，q。待测区域海泥中牺牲阳极有g块，那么待测区域牺牲阳极系统剩余寿命tr计算如下：

式中：tr为牺牲阳极系统剩余寿命，a；Me（x）为第x号牺牲阳极的有效净重，kg；Eg为牺牲阳极在海水中的消耗率，kg/（A·a）；Egn为海泥掩埋牺牲阳极消耗率，kg/（A·a）；μ为海泥掩埋牺牲阳极利用率（0≤μ≤1）；h为待测区域海水中牺牲阳极数量，块；g为待测区域海泥掩埋牺牲阳极数量，块；γ为安全系数，通常取1.00～1.50。

3 算例

某码头钢管桩采用铝合金牺牲阳极阴极保护，设计保护年限20 a，至今运行5 a。码头某排架A、B轴各安装3块牺牲阳极（分别为上层、中层和下层），C、D轴各安装2块牺牲阳极（分别为上层和下层），E、F、G、H、K轴各安装1块牺牲阳极，共计15块牺牲阳极。检查过程中发现，由于回淤导致泥面升高，3个排架钢管桩A、B轴的下层阳极和G、H、K轴的阳极已被海泥掩埋。图2为码头某排架钢管桩牺牲阳极系统安装示意图。根据泥面标高测量及设计资料查阅所得数据，计算得到水位变动区、水下区、泥下区的涂装和裸钢面积及其所需维持保护电流，见表1。

图2 码头某排架钢管桩牺牲阳极系统安装示意图Fig.2 Installation diagram of sacrificial anode system for a steel pipe pile bent of a wharf

表1 某排架钢管桩不同区的涂装和裸钢面积及其所需维持保护电流Table 1 Painted and bare steel areas in different zones of a bent steel pipe pile and their required maintenance protection currents

牺牲阳极规格为（220+260）mm×230 mm×1 000 mm；牺牲阳极毛重M0为158.8 kg；钢芯及焊脚质量mx为12.5 kg；牺牲阳极理论电容量Ql为2 889 Ah/kg，电流效率ηs为90%，牺牲阳极在海泥中修正因子KEgn1为0.65；牺牲阳极利用系数fu为90%；海泥掩埋牺牲阳极利用率μ为0.95；安全系数γ为1.00。评估该排架牺牲阳极系统的剩余寿命。

该排架牺牲阳极系统剩余寿命的检测评估过程如下：

1）牺牲阳极有效净重

现场取样3块牺牲阳极，编号为1—3，根据牺牲阳极外观确定体积计算公式，见式（8）；测量牺牲阳极体积元素的剩余尺寸并称重，结果见表2。

式中：Vy为牺牲阳极体积，cm3；Ws为牺牲阳极上宽，cm；Wx为牺牲阳极下宽，cm；Hy为牺牲阳极高度，cm；Ly为牺牲阳极长度，cm。根据1—3号牺牲阳极毛重、牺牲阳极剩余尺寸、钢芯及焊脚质量，通过线性拟合建立牺牲阳极有效净重与体积元素的函数关系如下：

式中：Mex为海水中牺牲阳极有效净重，kg；其他参数含义同式（8）。根据式（9）和牺牲阳极剩余尺寸计算4～10号牺牲阳极有效净重，结果见表2。

表2 牺牲阳极剩余尺寸和有效净重Table 2 Remaining sizes and effective net weights of the sacrificial anodes

2）海泥掩埋牺牲阳极消耗率

根据式（3）计算可知，海泥掩埋牺牲阳极消耗率Egn为5.18 kg/（A·a）。

3）码头某排架钢管桩所需维持保护电流

根据式（6）计算可知，码头某排架钢管桩所需维持保护电流Iw为27.730 A，见表1。

4）该排架牺牲阳极系统剩余寿命计算

根据式（7）计算可知，该排架牺牲阳极系统剩余寿命为14.3 a。

若按现行标准规范和惯例，通常忽略回淤带来的影响，不考虑海泥中牺牲阳极的工作效能和泥面升高后钢结构保护电流需求量减少这两个因素，据此计算所得剩余寿命为10.9 a，比本文方法计算所得剩余寿命小3.4 a。若忽略回淤带来的影响，按此剩余寿命提前采取处理措施，将造成额外成本。本文方法考虑回淤带来的综合影响，更接近回淤环境钢结构牺牲阳极所处实际工况，有助于提高回淤环境钢结构牺牲阳极剩余寿命评估的准确性，避免因过早采取处理措施而造成的额外成本。但需指出，被海泥掩埋牺牲阳极的电化学性能会随着海泥性质、使用时间和温度而变化[2]。随着牺牲阳极被掩埋时间的延长，其电化学性能可能进一步下降，从而导致上述两种评估方法所得剩余寿命的差值减小。建议定期检测评估，及时掌握牺牲阳极系统剩余寿命相关信息。

4 结语

本文针对海洋回淤环境牺牲阳极系统，综合考虑海泥中牺牲阳极的工作效能和泥面升高后钢结构保护电流需求量减少这两个因素，提出了一种更准确的海洋回淤环境牺牲阳极剩余寿命检测评估方法，避免因过早采取处理措施而造成的额外成本，便于在合理时间及时采取处理措施，确保在经济适用的条件下，保障钢结构的阴极保护效果和年限。