船舶与海洋工程用牺牲阳极检验标准分析

许佳宁

(中国船级社青岛分社，山东 青岛 266034)

0 前 言

海洋交通运输以及海洋资源开发离不开各类船舶和海洋工程装备和设施,其长期在海洋环境中运行和服役,不可避免会受到严酷海洋环境的侵蚀作用,导致结构完整性受到破坏,这不仅增大了维护维修的工作量,导致巨大经济损失,而且还严重影响船舶及海洋工程的使用寿命和安全可靠性,甚至会引发事故,造成灾难性后果[1,2]。阴极保护和防腐涂层相结合是防止船舶及海洋工程海水腐蚀的有效方法,得到了广泛的应用[3]。阴极保护是通过施加阴极电流,使被保护的金属表面发生阴极极化,从而使金属腐蚀得到有效抑制。根据提供保护电流的来源不同,可以分为外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护2种方法,前者是利用外部电源经整流后来提供直流保护电流,后者则是采用性能更活泼的金属或合金(牺牲阳极)与被保护金属结构电连接,通过活泼金属或合金的溶解消耗来提供保护所需的电流。外加电流阴极保护具有驱动电压高、输出电流大、可以自动控制结构物的保护电位等特点,主要用于大型船舶船体的保护;而牺牲阳极保护方法具有电位分布均匀、安装简便、不用维护、可靠性高等特点,广泛应用于船舶船体、海水压载舱、海洋平台、海底管线、水下油气生产系统等船舶和海洋工程的阴极保护[4,5]。

牺牲阳极阴极保护的效果主要取决于阴极保护设计、牺牲阳极材料以及安装施工质量。牺牲阳极材料的性能和质量对保证船舶及海洋工程的防腐效果具有十分重要的作用。相关技术标准是质量控制的基础和质量检验的依据,本文对船舶与海洋工程涉及的牺牲阳极标准进行了介绍,对不同标准的检验方法和要求进行了对比分析,并就存在的问题提出了建议。

1 国内外船舶与海洋工程用牺牲阳极检验标准概况

1.1 国内主要相关标准

国内涉及船舶与海洋工程牺牲阳极阴极保护的标准已基本形成体系,大体可分为2类,一类为牺牲阳极材料与试验方法标准;另一类为牺牲阳极的工程应用标准。本文主要从检验和质量控制角度出发,对船舶与海洋工程用牺牲阳极材料和试验标准进行分析,相关的国家标准如表1所列[6-9]。

表1 船舶与海洋工程用牺牲阳极材料和试验方法国家标准Table 1 National standards for sacrificial anodes materials and test methods used for marine ships and offshore structures

GB/T 4950-2021为新版的锌合金牺牲阳极国家标准,该标准以GB/T 4950-2002 “锌-铝-镉合金牺牲阳极”标准为基础,整合了GB/T 4951-2007 "锌-铝-镉合金牺牲阳极化学分析方法”的相关内容,并对部分技术内容进行了修订。该标准规定了锌合金牺牲阳极的分类、型号及规格、要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存。

GB/T 4948-2002为铝-锌-铟系合金牺牲阳极国家标准,规定了铝-锌-铟系合金牺牲阳极的规格型号、要求、试验方法、检验规则和标志、包装、运输与贮存。GB/T 4949-2018为铝-锌-铟系合金牺牲阳极化学分析方法标准,属于与GB/T 4948配套的标准,规定了铝-锌-铟系合金牺牲阳极中合金元素和杂质元素含量的分析方法,适用于铝-锌-铟系合金牺牲阳极中锌、铟、镉、锡、镁、硅、钛、铁、铜和铅含量的测定。

GB/T 17848-1999为牺牲阳极电化学性能试验方法标准,规定了测试牺牲阳极电化学性能的试验装置、试样制备、试验条件、试验程序和试验结果的表示方法。所涉及的电化学性能包括开路电位、工作电位、实际电容量、电流效率以及表面溶解状况。牺牲阳极电化学性能测试分为常规试验法和加速试验法,前者采用恒定电流密度(1 mA/cm2)试验,周期为10 d,用于常规测量电化学性能;后者采用变电流密度试验,周期为4 d,各天的电流密度分别为1.5、0.4、4.0和1.5 mA/cm2,适用于牺牲阳极产品质量的控制检验。

对于船舶和海洋工程来说,锌合金和铝合金牺牲阳极是最主要的牺牲阳极材料,尤其是铝合金牺牲阳极具有比锌合金牺牲阳极更高的实际电容量、更优的性价比和更小的密度,在船舶和海洋工程中得到了越来越广泛的应用[10]。近年来,针对船舶和海洋工程的一些特殊工况环境,研发了一些新型牺牲阳极材料。例如,针对船舶和海洋平台海水管路系统,开发了铁合金牺牲阳极,以保护铜及铜合金、不锈钢等材料构成的管路和设备[11]。针对高强钢和其他高强合金材料,开发了低驱动电位牺牲阳极,在提供有效阴极保护的同时,可降低高强结构材料氢致应力腐蚀开裂的风险[12]。针对深海装备的发展,还研发出了适于深海环境(高压、低温、低氧)的铝合金牺牲阳极[13]。这些新型牺牲阳极材料目前尚没有形成相应的国家标准或行业标准,在一定程度上制约了新型牺牲阳极材料在船舶和海洋工程中的推广应用。

在船舶和海洋工程牺牲阳极应用标准方面,主要有GB 8841-88 “海船牺牲阳极阴极保护设计和安装”、GB/T 16166-2013 “滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护”、GB/T 31316-2014 “海水阴极保护总则”、GB/T 39155-2020 “金属和合金的腐蚀 海港设施的阴极保护”、GB/T 35988-2018“石油天然气工业海底管道阴极保护” 等标准[14-18]。这些标准涉及牺牲阳极阴极保护的设计准则(允许的保护电位范围)、保护参数、设计方法、布置原则、安装要求和保护效果的检测。在实际工程中,要获得良好的保护效果,不仅牺牲阳极材料(产品)需要满足相应标准和规范的要求,而且还需要根据海洋装备和结构物的具体结构以及使用工况进行合理的阴极保护设计,可基于过往的经验以及数值模拟仿真计算来实现牺牲阳极的最优化布置[19, 20]。实际运行过程中,可通过监(检)测结构物的电位及其分布以及牺牲阳极的工作电位、发生电流和消耗状况来评判阴极保护的效果以及牺牲阳极的工作状态[13, 21]。

1.2 国外主要相关标准

国外涉及船舶与海洋工程用牺牲阳极材料和试验方法的主要标准如表2所列,包括国际标准 (ISO)、欧洲标准 (EN)、美国材料试验协会标准 (ASTM)、国际腐蚀工程师协会 (现材料性能与保护协会) 标准 (NACE/AMPP) 、挪威石油工业技术标准(NORSOK)以及相关船级社规范等[22-36]。

表2 船舶与海洋工程用牺牲阳极材料和试验方法的国外标准Table 2 Foreign standards for sacrificial anodes materials and test methods used for marine ships and offshore structures

ISO 20313 “船舶与海洋技术-船舶的阴极保护”规定了船舶阴极保护电位准则以及阴极保护系统的设计、安装、调试、运行与维护要求,包括牺牲阳极和外加电流阴极保护系统。该标准适用于船体水下部位(含舵、螺旋桨、轴、减摇鳍等附体)以及海水压载舱的保护。该标准的附录给出了船舶阴极保护用牺牲阳极的技术要求,推荐的阳极材料为铝-锌-铟合金牺牲阳极和锌-铝-镉合金牺牲阳极。标准中还给出了牺牲阳极接水电阻、发生电流和使用寿命的计算方法,以及在船体尾部和压载舱中的特殊布置和安装要求。在牺牲阳极保护系统调试和维护过程中,可通过测量保护电位和进行水下检查或干坞检查,以评估牺牲阳极的消耗状况和船体保护效果[22]。

ISO 15589-2为海底油气管道阴极保护国际标准,属于阴极保护应用标准。该标准规定了海底管道阴极保护系统的设计、材料、设备、制造、安装、调试、运行、检查和维护等要求,并给出了推荐的做法。该标准适用于新的阴极保护系统的设计安装和旧的阴极保护系统的修复与更新。牺牲阳极和外加电流阴极保护系统都可以达到保护效果,需要结合具体的工况条件来选择。采用镯式阳极或由多块条状阳极成组布置的牺牲阳极阴极保护系统简单可靠,日常不用维护,在实际工程中得到很多应用。该标准对牺牲阳极材料及其适用条件、牺牲阳极的性能、阳极的制造和质量控制、牺牲阳极保护系统的设计和安装、阴极保护的监测和检查等均有规定。由于海底管道埋设在海底,通常采用潜水员或水下机器人(ROV)进行管道保护状况、牺牲阳极状态检查以及电位测量。对于立管或平台附近的管段,也可安装固定式阴极保护监测装置,通过测量保护电位、牺牲阳极的输出电流来确定管段的保护情况和牺牲阳极的工作状态。有时也通过测量水中的电场梯度来评价阳极和管道的电流密度水平以及定位涂层破损部位[23]。

EN 12496 “海水和海泥中阴极保护用牺牲阳极” 标准规定了在海水和海泥环境中使用的牺牲阳极的化学成分、电化学性能、尺寸和质量的误差、测试和检验的程序,涉及铸造成形的牺牲阳极[24]。

NACE SP0387和NACE SP0492两项标准分别规定了海洋工程用铸造牺牲阳极和海底管道用镯式阳极的冶金质量和检验要求[25, 26],前者主要针对海工平台用大块阳极(单块阳极净重不小于50 kg),后者则针对海底管道阴极保护用镯式阳极。该两项标准均不涉及具体的牺牲阳极化学成分和电化学性能。NACE RP0176规定了海上石油生产钢质固定结构的腐蚀控制要求,包括腐蚀控制结构设计、阴极保护准则、阴极保护系统的设计与安装、杂散电流干扰控制、阴极保护系统的运行与维护、飞溅区的腐蚀控制措施及其维护、金属表面预处理、涂层体系与施工和检验、腐蚀控制记录等。附录中给出了各种商用牺牲阳极的电化学性能要求[27]。NACE TM 0190-2006规定了铝牺牲阳极实验室性能测试用外加电流试验方法,用于确定牺牲阳极的电化学性能,以便评价牺牲阳极产品的质量[28]。需要注意的是,实验室短期试验所获得的性能测试结果不应作为阴极保护设计参数。

NORSOK M-503为挪威石油工业技术标准,该标准对浸没在海水中设施(或设备)的阴极保护设计、牺牲阳极生产制造与安装提出了要求。该标准仅涉及牺牲阳极阴极保护,对锌合金和铝合金牺牲阳极的成分、电化学性能以及检测试验方法进行了规定[29]。

ASTM B418和ASTM F1182均为锌牺牲阳极规范,但ASTM B418涉及两种铸造或挤压成形锌阳极,一种为用于海水、咸水和其他含盐溶液中的锌-铝-镉合金牺牲阳极,另一种为用于其他水溶液、填料、土壤中的纯锌阳极。该标准规定了锌及锌合金牺牲阳极的化学成分、适用温度、加工和表面质量等要求[30]。而ASTM F1182涉及铸造或机加工成形的锌-铝-镉合金牺牲阳极,主要用于海洋船舶、海水冷凝器、热交换器的保护[31]。该标准规定了阳极的分类、型号规格、阳极成分、钢芯材料和形状、阳极尺寸和质量偏差、表面质量、检验等要求。

ABS 289为美国船级社制定的船舶阴极保护指导性说明文件,给出了船舶阴极保护设计、安装与维护的相关要求和推荐做法。针对船舶的牺牲阳极阴极保护,给出了不同标准规定的锌合金和铝合金牺牲阳极的化学成分和电化学性能[32]。

DNV-RP-B401为挪威船级社制定的阴极保护设计推荐实施规范,涉及采用锌基或铝基牺牲阳极的阴极保护设计、阳极的制造、检验和安装,适用于海上油气生产用永久性安装的固定式结构物。该标准在海洋工程阴极保护领域得到广泛使用。该标准给出了阴极保护设计时应考虑的内容,包括阴极保护的局限性、环境参数对阴极保护的影响、不同材料适宜的保护电位、阴极保护可能带来的负面效应、钙质沉积层的影响、涂层和阴极保护的联合作用、其他结构物的干扰等。该标准还给出了设计保护寿命、设计电流密度、涂层破损因子、牺牲阳极电化学性能、海水和海泥的电阻率、牺牲阳极的利用率等阴极保护参数的选择指南,并提供了阴极保护设计流程和计算方法[33]。DNV-RP-F103 为海底管线阴极保护实施规范。对于海底管线来说,通常都是采用牺牲阳极阴极保护。该规范涉及采用锌基或铝基牺牲阳极的海底管线阴极保护详细设计、牺牲阳极的制造、检验和安装[34]。

2 国内外船舶与海洋工程用牺牲阳极检验要求对比分析

牺牲阳极的质量是影响阴极保护效果的关键因素。牺牲阳极的生产厂家应具有质量保证体系,并对阳极产品质量进行有效控制。牺牲阳极检验内容主要包括阳极尺寸和质量、表面质量、阳极与钢芯的接触电阻、化学成分和电化学性能等。

2.1 阳极尺寸和质量

阳极的形状和尺寸不仅影响阳极的安装,而且影响阳极的接水电阻,进而影响阳极的发生电流量。阳极的质量会影响阳极的保护寿命。GB/T 4948和GB/T 4950对块状阳极允许的长度偏差为±2%,宽度偏差为±3%,厚度偏差为±5%,直线度偏差不大于2%。每块阳极允许毛重偏差为±3%,但每批次阳极总质量不允许出现负偏差。

ISO 15589-2则对海底管道保护用牺牲阳极的净重提出了要求,当单块阳极质量超过50 kg时,要求每块阳极的净重偏差不超过±3%;而当阳极质量小于50 kg时,允许的阳极净重偏差为±5%。但每批次阳极总净重不允许出现负偏差。对于长条状阳极,阳极的长度偏差应在±3%以内或±25 mm,以两者中的较小值为准;阳极宽度允许偏差为±5%;厚度的允许偏差为±10%;如阳极截面为圆形,则直径允许偏差为±5%。长条状阳极的直线度偏差不大于2%。对于镯式阳极,其长度偏差要求和长条状阳极是一致的,而厚度允许偏差为±3 mm。另外,根据海底管道直径的大小,对镯式阳极的内径偏差提出了不同的要求。由此可见ISO 15589-2比GB/T 4948和GB/T 4950的规定更细致,针对性更强。EN 12496对牺牲阳极的质量和尺寸的要求与ISO 15589-2基本是一致的,但规定了每批次阳极总净重的正偏差应不超过2%。另外,对圆形截面的长条阳极,直径允许的偏差更小一些,要求在±2.5%。

NACE SP0387主要适用于近海平台阴极保护用大块阳极(单块净重不小于50 kg),要求每块阳极的净重偏差不超过±3%或者2.3 kg,以两者中较大值为允许的偏差值。每项合同阳极的总质量须为正偏差,但不应超过2%。阳极的尺寸偏差要求与EN 12496是一致的。NACE SP0492则针对海底管道用镯式阳极,要求单块阳极的净重应大于设计净重的97%,所供阳极总的净重不应低于合同规定的阳极总净重。而镯式阳极的尺寸偏差要求则与ISO 15589-2完全一致。

ASTM F1182对锌合金牺牲阳极质量偏差做了规定,对每种规格型号的单块阳极有最小的质量要求,并规定每种规格型号阳极的总质量除以阳极数量后的单块阳极平均质量应大于等于该阳极要求的最小质量。同时,对各种阳极的尺寸偏差也做了相应的规定。

DNV-RP-B401中关于牺牲阳极材料和制造质量控制方面的要求与NACE SP0387的规定一致。DNV-RP-F103中关于海底管道阴极保护用牺牲阳极的材料和制造质量控制则与ISO 15589-2是一致的。

2.2 表面质量

GB/T 4948和GB/T 4950规定牺牲阳极的铸造表面可直接作为工作面,一般不需要额外加工,但阳极表面应清洁,不应沾染油漆和油污,并且阳极表面应无氧化渣、毛刺、飞边等缺陷。阳极表面允许有较小的铸造缩孔,但深度不应超过10 mm,且不应超过厚度的10%。锌合金阳极不允许有裂纹,而铝合金阳极允许有长度不超过50 mm、深度不超过5 mm横向细裂纹存在,但不允许有裂纹团。

ISO 15589-2对长条状阳极和镯式阳极允许的表面缺陷做出了详细规定,并对阳极内部缺陷提出限制要求(通过破坏试验来检测)。对于长条状阳极,缩孔深度不应超过阳极表面到钢芯厚度的10%,在补充浇注区域,最大缩孔深度不应超过10 mm,且缩孔体积不大于0.5%的阳极总体积。冷隔深度不应超过10 mm,延伸的长度不应超过阳极宽度的3倍。对于镯式阳极,缩孔深度应小于阳极厚度的10%,缩孔处不得暴露出阳极钢芯。在补充浇注区域,对缩孔的要求与长条状阳极相同。冷隔深度应小于10 mm,延伸的长度应小于150 mm。锌合金阳极表面不允许存在肉眼可见的裂纹,而铝合金阳极可以允许存在裂纹,但必须满足相应的要求。在没有钢芯完全支撑的部位,铝合金阳极不允许有肉眼可见的裂纹,裂纹深度也不允许穿透到钢芯或贯通阳极。对于长条状阳极,在有钢芯支撑的部位,裂纹长度不应大于100 mm,宽度不应大于1 mm;不允许存在纵向的裂纹;每块阳极上的裂纹数量不应超过10条,其中宽度小于0.5 mm的裂纹忽略不计,小而密的裂纹计为一条裂纹。对于镯式铝合金阳极,当裂纹长度大于100 mm或阳极直径的50%(取较大值),或者裂纹宽度大于3 mm时,则该阳极的质量为不合格。

NACE SP0492规定了镯式阳极缩孔深度不应超过阳极名义厚度的10%,且不允许露出阳极钢芯。阳极表面的冷隔或折叠深度不应超过10 mm时,延伸长度不应大于150 mm。对于有钢芯的铝合金牺牲阳极,由于铝合金和钢芯之间热膨胀系数差别较大,而镯式阳极厚度通常较薄,因此铸造时容易出现裂纹。当阳极长度方向的裂纹宽度不大于0.5 mm、裂纹长度不超过阳极长度的20%,周向或横向的微裂纹宽度不大于0.5 mm、长度小于阳极内径的50%时,这些裂纹是允许存在的。而当裂纹宽度大于3 mm,裂纹长度超过阳极长度的50%或周向(横向)裂纹超过阳极内径的50%,或者裂纹深度超过阳极表面至钢芯厚度的50%时,阳极即为不合格品。当阳极表面裂纹尺寸介于上述条件之间时,需要根据钢芯和阳极的设计情况由供需双方商定是否合格。

NACE SP0387对缩孔、冷隔等要求与NACE SP0492是一致的,但对表面裂纹的要求存在差异。除了最后补浇的金属外,阳极纵向不允许出现裂纹。如果横向裂纹宽度不超过5 mm(不管长度和深度),并且每块阳极上裂纹数量少于10条,则仍然可认为是合格的。小而密的微裂纹可以算作一条裂纹,而宽度不大于0.5 mm的裂纹不应计入。另外,不允许存在环周向的裂纹。对于没有钢芯的阳极,则不允许存在肉眼可见的裂纹。为检测阳极内部缺陷,NACE SP0387和NACE SP0492均要求对抽取阳极在规定位置处的截面切开检查,以评估夹杂、孔洞等缺陷以及钢芯与阳极体界面的接触情况,内部缺陷的面积或长度应符合相应要求。

2.3 阳极体与钢芯的接触电阻

钢芯不仅起着支撑阳极的作用,而且还起着电连接的作用,这就要求阳极体和钢芯之间具有很小的接触电阻。GB/T 4948和GB/T 4950规定了阳极体与钢芯之间的接触电阻应不大于0.001 Ω。ISO 15589-2、EN12496、NACE SP0387和NACE SP0492则规定,阳极在规定的多个位置处截断后,截面中钢芯与阳极体接触不良部位的平均长度应最大不超过钢芯周长的10%,并且单个截面中最大不允许超过20%。

2.4 化学成分

化学成分是决定牺牲阳极性能的关键因素。GB/T 4948规定了五种铝-锌-铟系合金牺牲阳极的化学成分,包括铝-锌-铟-镉(A11)、铝-锌-铟-锡(A12)、铝-锌-铟-硅(A13)、铝-锌-铟-锡-镁(A14)以及铝-锌-铟-镁-钛(A21)合金阳极。其中,前4种为常规铝合金牺牲阳极,最后1种为高效率铝合金牺牲阳极。通过加入多种活化元素并控制杂质元素的含量,使得铝合金牺牲阳极溶解均匀并具有良好的电化学性能。GB/T 4950规定了锌合金牺牲阳极的化学成分,该标准依据阳极的成分将锌基阳极分为3种类型,I型和II型均为锌-铝-镉合金,但合金元素铝和镉的含量范围以及杂质元素硅的含量上限存在一定差异。I型阳极为我国研制的牺牲阳极,II型阳极的成分与ASTM B418中的I型阳极保持了一致。III型为高纯锌阳极,等同于ASTM B418中的II型阳极。ASTM F1182规定的锌-铝-镉合金阳极的成分与ASTM B418中的I型阳极基本一致,但镉含量的上限更宽。国内外标准均规定锌-铝-镉合金阳极的使用温度不应超过50 ℃,以免发生晶间腐蚀。

ISO 15589-2给出了典型的锌合金和铝合金牺牲阳极的化学成分,所给出的锌合金阳极为锌-铝-镉合金;而给出的铝合金阳极为铝-锌-铟三元合金。锌合金阳极成分与GB/T 4950中的II型阳极、EN 12496中规定的Z1合金是一致的,而铝合金阳极与EN 12496中的A2合金相近。同时,该标准也规定只要电化学性能达到要求,其他成分的锌合金阳极和铝合金阳极也可以使用。

EN 12496规定了多种锌合金和铝合金牺牲阳极的化学成分要求。锌合金阳极包括锌-铝-镉合金(Z1)、高纯锌(Z2)、低铁含量锌-铝-镉合金(Z3)以及锌-铝-镁合金(Z4),其中Z1和Z3合金不适合用于50 ℃以上的环境。铝合金阳极包括2种铝-锌-铟合金(A1和A2)、1种铝-锌-铟-硅合金(A3)和1种铝-镓合金(A4),A2和A1的区别在于A2的合金元素的含量范围更窄、杂质含量控制更严格。A1为海水中通用型阳极,A2则主要用于海洋工程中,A3主要用于深水或冷水环境,而A4为低驱动电位阳极,主要用于高强钢等对氢脆敏感材料的保护。

2.5 电化学性能

牺牲阳极的电化学性能涵括实际服役性能和实验室测试性能,前者是阴极保护设计和维护的重要参数,而后者是牺牲阳极质量控制和产品检验的重要指标。牺牲阳极的电化学性能参数包括开路电位、工作电位、实际电容量(消耗率)、电流效率、表面溶解状况等,其中工作电位和实际电容量是最常用的指标。GB/T 4948规定了铝合金阳极在海水中的电化学性能,其开路电位为-1.18～-1.10 V (相对于SCE),工作电位为-1.12～-1.05 V(相对于SCE),试验后阳极表面应溶解均匀。对于常规铝合金阳极(A11～A14),实际电容量应不小于2 400 A·h/kg,电流效率应不低于85%;而对于高效铝合金牺牲阳极(A21),要求实际电容量应不小于2 600 A·h/kg,电流效率应不低于90%。GB/T 4950规定了锌合金阳极在海水中的电化学性能,要求开路电位应不大于-1.05 V(相对于 SCE),工作电位应不大于-1.00 V(相对于 SCE),表面应溶解均匀。锌-铝-镉合金阳极(I型和II型)的实际电容量应不小于780 A·h/kg,电流效率应不低于95%;高纯锌阳极(III型)的实际电容量应不小于760 A·h/kg,电流效率应不低于92%。

ISO 15589-2规定锌合金阳极的工作电位应不大于-1.03 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于780 A·h/kg;铝合金阳极的工作电位应不大于-1.05 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于2 500 A·h/kg。

EN 12496规定在海水中,锌合金阳极(Z1、Z3和Z4)的工作电位应不大于-1.03 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于780 A·h/kg;高纯锌阳极(Z2)的工作电位应不大于-1.00 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于760 A·h/kg。铝-锌-铟系合金(A1、A2和A3)牺牲阳极的工作电位应不大于-1.09 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于2 500 A·h/kg;铝-镓合金阳极(A4)的工作电位为-0.83 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于1 500 A·h/kg。

ASTM B418和ASTM F1182没有规定锌合金阳极的电化学性能。NACE RP0176附录中也给出了典型牺牲阳极在海水中的电化学性能,锌-铝-镉合金阳极的工作电位为-1.05～-1.00 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量为770～820 A·h/kg;铝-锌-铟合金阳极的工作电位为-1.10～-1.05 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量为2 290 ～2 600 A·h/kg。该电化学性能数据来自于实际长周期实海试验结果。

NORSOK M503规定了牺牲阳极生产检验时的电化学性能要求。锌阳极的工作电位和实际电容量与ISO 15589-2的规定一致;铝-锌-铟合金阳极的工作电位应不大于-1.07 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量的平均值应达到2 600 A·h/kg。

DNV-RP-B401和DNV-RP-F103规定采用4 d法测量牺牲阳极的电化学性能时,锌基阳极的工作电位应不大于-1.00 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于780 A·h/kg;铝基阳极的工作电位应不大于-1.05 V(相对于Ag/AgCl/海水),实际电容量应不小于2 500 A·h/kg。该规范还给出了实验室内长周期(12个月)电化学性能试验方法,用于牺牲阳极的型式检验。

3 结语与展望

(1)对比国内外相关标准可以看出,船舶和海洋工程阴极保护用牺牲阳极主要为锌-铝-镉合金和铝-锌-铟系合金,这些阳极均具有优良的电化学性能。由于铝合金阳极具有比锌合金阳极更大的实际电容量,因此在船舶和海洋工程中得到了越来越多的应用。不论是锌合金还是铝合金阳极,都有多种不同的成分类型,需要根据每种成分牺牲阳极的电化学性能和适用环境来合理选用。

(2)在现有的国家标准基础上,应进一步完善我国船舶及海洋工程用牺牲阳极标准体系。一些新型牺牲阳极材料如铁合金牺牲阳极、深海牺牲阳极以及低电位牺牲阳极等需要尽快制定或纳入标准,以促进新型牺牲阳极材料的推广应用。现有的国家标准中没有牺牲阳极长周期电化学性能试验方法和性能要求,可考虑在后续相关标准修订时纳入。

(3)牺牲阳极需检测的项目主要包括物理性能(质量和尺寸、表面质量、钢芯与阳极体的结合状态)、化学成分和电化学性能。针对不同用途和不同类型以及规格的牺牲阳极,不同标准对阳极性能的要求存在一定的差异。因此,在比较牺牲阳极材料的性能时,必须注明所采用的试验方法和标准。对于牺牲阳极质量控制,一般采用实验室短周期电化学性能试验,而对于牺牲阳极型式检验(定型试验),倾向于进行长周期电化学性能试验,以获得牺牲阳极的长期性能,更好支撑阴极保护设计。另外,需要掌握牺牲阳极化学成分和电化学性能之间的关系。应不断积累相关试验数据,建立成分-性能关系模型,从而进一步优化阳极的化学成分范围和电化学性能。