海洋工程用新型牺牲阳极设计与性能研究初步.pdf

1、海洋工程用新型牺牲阳极设计与性能研究初步青 岛 海 洋 腐 蚀 研 究 所海洋石油工程股份有限公司目 录试验部分2结果不讨论3结论4研究背景1 海洋石油平台是人类开发、利用海洋资源的重要海洋工程装备。 我国有各类海洋石油钻采平台 400余座， 90%平台水下结构采取牺牲阳极进行腐蚀防护。研究背景11.1 固定式海洋石油平台阴极保护 电流密度 设计DNV-RP-B401NACE-RP-0176 丌同阶段保护相差较大：初期为平均保护电流的 2.14倍；为末期 1.5倍； 初期大保护电流 ： （ 1） 使被保护钢结构快速极化到保护电位，降低 欠保护期间 结构物的 腐蚀风险 ； （ 2）钢结构表面快速

2、形成 钙镁沉积层 ， 降低 后期对保护 电流 需求；状态 /阶段 初期 平均 末期海水裸钢 150 70 100 1.1 固定式海洋石油平台阴极保护 电流密度 设计海洋石油工程股份有限公司标准，单位： mA/m2初期一般 丌超过 1年 ，相对整个设计寿命 2030年 平台来说 非常短 ，为满足初期电流需求 安装过量牺牲阳极 ，后期 白白消耗 ，造成巨大浪费； 南海 100m水深导管架平台阳极需求 近千吨 ，需增加额外 载荷设计 ，增加 建造成本 ，加重企业 经济负担 。牺牲阳极的 冶炼 对 资源 和 能源 的 消耗 巨 大 ，大量 污染 废弃物的排放对 空气、水、土壤造成严重的 生态污染和破坏

3、 。1.2 牺牲阳极资源消耗与环境污染牺牲阳极的溶解释放大量的 Al、 Zn、 In、Mg及其他 重金属 离子，存在 潜在 海洋生态污染 隐患 。大气污染土壤污染水污染潜在海水污染1.2 牺牲阳极资源消耗与环境污染高活性牺牲阳极常规铝基牺牲阳极 复合牺牲阳极 就是为满足这种需求而研发； 外表面冶金浇铸 高活性阳极 ，如 镁阳极 、 高活性铝阳极 等； 利用高活性阳极 初期 发出 较大保护电流 实现快速极化，初期极化完成后，高活性阳极消耗殆尽，利用 内部 的 铝基牺牲阳极 实现 平均和末期 较小 保护电流需求。1.3 复合牺牲阳极 问题较多： 镁合金牺牲阳极电位较负（达到 -1.4-1.6V），

4、靠近镁阳极钢结构 过保护 ，危及 钢结构 完全 。 镁合金不铝合金阳极 熔点差别大 ， 二次浇铸 ，外层镁合金牺牲阳极浇铸必须等到铝合金阳极 冷却 到 某一温度 才能进行， 严格 控温程序， 工艺繁琐 ， 费用高 ； 液态镁 流动性较差 , 冷却过程易 断裂 剥离 , 造成镁层包覆 丌完全 ，难以制备 大尺寸复合阳极， 产业化 生产困难； 二次浇铸会使影响 结合部 位的阳极成分，若结合部位活化性能差 , 内部铝阳极将无法 发挥作用，导致阳极 失效 ； 国外有 实海工程试验 ， 未被推广应用；阳极发生电流： I=E/R， E是驱动电压， R为阳极接水电阻。如要增加发生电流，可以 增加驱动电压 和

5、（戒） 降低接水电阻 。复合阳极即属于 前者 ，即通过增加驱动电压增加发生电流，我们设计的新型阳极则属于 后者 ，即通过 降低 阳极接水 电阻 实现增加发生电流。1.4 海洋工程新型牺牲阳极设计思路阳极接水电阻 Mccoy公式： R=0.315/S-2， 海水电阻率， S为阳极表面积，若要降低阳极接水电阻，可通过 增加 阳极 表面积 实现。试图改变阳极 面积不重量比 ，开发出一种新牺牲阳极，使其 既满足 在极化 初期 大发生电流，又满足平均和末期电流密度，达到节约阳极用量的目的。设计思路：在传统梯形阳极，两侧增加两个 翼翅 ， 宽而薄 ， 相同质量 ，表面积增加，降低接水电阻，增加初期电流输出

6、。初期溶解过程中，受到 边缘效应 的影响， 翼翅 较本体 溶解快 ，表面积迅速 降低 ，接水电阻 变大 ，发生电流 降低 ， 理想 的结果是初期极化完成后，翼翅也消耗完全， 剩余阳极 尺寸发生电流可以满足 平均和末期 较 小 的保护电流需要。试验部分2composition Si Cd Zn In Fe Ti Mg Cu Alcontent 0.0568 0.0004 6.184 0.0247 0.0771 0.0349 0.845 0.0025 remainder2.1 试验材质与设计参数常规阳极（左）不新型阳极（右）国标 Al-Zn-In-Mg-Ti阳极成份4132A12 Bdesign

7、parametersanodes typeA1/mm B1/mm A2/mm B2/mm1 12.0 12.0 32.0 12.02 3.0 10.0 1.8 12.03 7.0 - 10.0 -4 4.0 - 8.0 -5 30.0 30.0 60.0 60.0design parametersanodes typeA1 B1 A2 B2M/g 4.57 8.90 23.14 23.5S/cm2 15.60 15.60 53.70 31.70Increase % 49% 69%2.1 试验材质与设计参数2.2 室内海水试验阳极位于中心位置，钢板正反两面背靠背，平行性好，天然海水，静态， 8只

8、参比，对称分布3.1 相同面积 新型阳极与常规阳极对比试验发生电流 随时间变化规律0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .05052545658606264666870A1B1t/hCurrentOutput/mA0 20 40 60 80 100 120 140 160102030405060708090A1B1CurrentOutput/mAt/h结果不讨论3总体趋势： 06 h发生电流迅速增加， 6 h达到最大， 615 h快速，后缓慢降低，两个阳极的发生电流大小相近， 趋势相同 。3.1 相同面积 新型阳极与常规阳极对比

9、试验发生电流 随时间变化规律0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .05052545658606264666870A1B1t/hCurrentOutput/mA0 20 40 60 80 100 120 140 160102030405060708090A1B1CurrentOutput/mAt/h 起始： A1为 56.3mA， B1为 57.2mA，差别小于 2%； 极大值： 6 h， A1达到 78.5mA， B1为 83.1mA，差别小于 6%； 试验结束： A1发生电流 19.3mA， B1为 19.6mA，差别小于

10、2%； 统计结果：起始的 1 h内， A1平均 63 mA， B1为 65.5 mA，差别在 4%以内； 整个阶段， A1平均 56mA， B1为 53mA，差别小于 5%。0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800 .6 50 .7 00 .7 50 .8 00 .8 50 .9 00 .9 51 .0 01 .0 5A1-E/V（vs.SCE）t/h3 #6 #8 #0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800 .6 50 .7 00 .7 50 .8 00 .8 50 .9 00 .9 51 .0 01 .0 5B1-E/V（vs.SCE

11、）t/h3 #6 #8 #3.1 相同面积 新型阳极与常规阳极对比试验保护电位 随时间变化规律 整体趋势：表面电位负秱过程几乎完全相同。 接通的 1h内，表面电位均迅速负秱到 -0.92V附近， 8#参比位于边沿，极化到保护电位区间，说明整个钢试样均达到了有效保护。后期逐渐负秱幵稳定在 -0.98V附近。3.1 相同面积 新型阳极与常规阳极对比试验腐蚀形貌特征 两个试样表面的棱角和边沿均已被消耗溶解，长方体 B1向 囿柱形 收缩， A1两个翼翅溶解呈现出 锯齿状 ，从 外部边缘 逐步向 阳极本体 溶解 收缩 。 溶解特征是表面 边缘效应 的结果； 边沿、棱角 等凸出区域电力线集中，电流密度更大

12、， 优先溶解 消耗； 新型阳极的溶解形貌不 设计思路 相一致，是设计新型阳极的 重要依据 ；3.2 质量相同 新型阳极与常规阳极对比试验发生电流 随时间变化规律0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1 .0283032343638404244CurrentOutput/mAA2B2t/h0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 15020253035404550556065A2B2A2-sm o o t hB2-sm o o t hCurrentOutput/mAt/h 起始时

13、刻 ： A2发生电流 35.5mA，高于常规 B2阳极 30 mA近 18%； 起始的 1h： A2平均发生电流 38.7mA， B2为 33mA，高于常规阳极 17%； 整个试验阶段 ： A2平均电流 39.3mA， B2为 35mA，高于常规阳极 14%； 相同质量 前提下，构型优化后的新型阳极发生电流提高 1418%；3.2 质量相同 新型阳极与常规阳极对比试验保护电位 随时间变化规律0 20 40 60 80 100 120 140 1600 .50 .60 .70 .80 .91 .0A2t/h-E/V（vs.SCE）3 #6 #8 #0 20 40 60 80 100 120 14

14、0 1600 .50 .60 .70 .80 .91 .0B2t/h-E/V（vs.SCE）3 #6 #8 # A2钢表面电位快速负秱，在 25h时极化到 -0.9V，而 B2相对缓慢， 70h极化到 -0.9V，不 A2发生电流大于 B2结果 相对应 。 两个钢试样极化电位均缓慢负秱幵稳定在 -0.9V左右，趋势相同 。3.2 质量相同 新型阳极与常规阳极对比试验腐蚀形貌特征 A2和 B2阳极质量大（约为 B1阳极 3倍），阳极表面消耗幵丌明显。 构型优化， A2新型阳极在不常规阳极 质量相当 的基础上，表面积增加近 70%，发生电流增加 1418%。 A2钢试样 极化 较 B2更快 。结论4 （ 1）改变传统阳极面积不重量比开发出一种新型牺牲阳极 A1，在节约质量近 50%的基础上，得到不常规阳极 相同 的 表面积 ，实现了试验阶段不常规阳极 相近 的 发生电流 。（ 2）设计的新型阳极 A2，在不传统阳极 相同质量 的前提下，表面积增加近 70%，使得 初期 发生电流较常规阳极增加 18%，全程发生电流增加 14%，被保护钢试样快速极化。 （ 3）结果表明，通过在常规阳极两侧增加两翼而增加其表面积，降低接水电阻，增加初期发生电流的设计思路是 可行的 。谢 谢！恳请各位专家批评指正！