CN108396323A

CN108396323A - 一种用于海水中裸钢结构阴极保护的方法

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Publication number: CN108396323A
Application number: CN201810254822.0A
Authority: CN
Inventors: 杜敏; 王焕焕; 刘思奇; 高荣杰
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: CN108396323B

Abstract

本发明公开了一种用于海水中裸钢结构阴极保护的方法，包括以下步骤：（1）首先选择牺牲阳极种类，再计算每一块牺牲阳极发出的电流；以中期电流密度、牺牲阳极电化学容量计算牺牲阳极数量N₁；以末期阳极发出电流计算所需阳极数量N₂，比较N₁和N₂，选取较大值；（2）在被保护裸钢结构的表面涂刷临时性涂层；（3）按照通常施工方式在被保护的裸钢结构上焊接步骤（1）计算数量的牺牲阳极。本发明与已有传统牺牲阳极阴极保护方法相比较，可以节约阳极用量；同时减小构筑物承载量，节约成本，增加安全性；与传统的涂装与阴极保护联合防护技术相比较，涂装工艺简化，涂层质量要求低，在初期起作用，节约了工序和施工占用时间，节约了成本。

Description

一种用于海水中裸钢结构阴极保护的方法

技术领域

本发明涉及一种钢结构的阴极保护的方法，特别涉及一种用于海水中裸钢结构阴极保护的方法。

背景技术

远离海岸的金属构筑物往往采用牺牲阳极的阴极保护法进行防护。但是，阴极保护过程中存在初始大电流密度和中期小电流密度的矛盾，前者是后者的两倍左右。针对海洋构筑物阴极保护初始大电流密度和中期小电流密度的矛盾，目前采用的措施有：(1)分别按照初期和中期电流密度进行设计计算，然后取较大值。这样做的危害显而易见：浪费资源；加大承载量，带来安全隐患。(2)采用小质量阳极，增加阳极表面积，增大初始阳极发出电流密度。这种方法会增加阳极数量，增加安装的工作量；同时可以调整的电流密度空间不大。(3)采用“异形”牺牲阳极，增加牺牲阳极初始表面积，增大初始阳极发出电流。这种方法的关键在于牺牲阳极的溶解形态，避免由于结构异常带来的机械脱落。(4)采用复合牺牲阳极，阳极外部包覆工作电位更负的镁合金或者铝合金牺牲阳极，初期由外部活化阳极提供较大电流密度，中期和后期由内部传统牺牲阳极提供保护电流。这种方法中镁合金牺牲阳极由于电位过负，有过保护的隐患，故尚未有工程应用实例；更负电位铝合金牺牲阳极的电化学性能尚未有充分的实际海上实验数据，故也未有应用案例。

防腐涂层与阴极保护联合防护的方法在海洋金属构筑物的防护中得到了广泛应用，可以减小保护电流密度值。但是涂层涂覆需要比较复杂的工序，对钢结构表面状态要求高，前处理复杂，施工周期长、造价高，而且过负的阴极保护电位还会加速涂层的阴极剥离，缩短涂层的服役寿命。

如果能找到一种前处理简单且不存在屏蔽现象的临时性涂层，实现海水中裸钢结构的阴极保护，对节约成本、保障安全具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种施工简单、价廉、应用范围广的用于海水中裸钢结构的阴极保护方法。

本发明通过对海水中裸钢结构涂装临时性涂层并结合牺牲阳极的阴极保护法进行防护，临时性涂层在阴极保护初期提供一定的防护作用，降低初期电流密度；随着运行过程中涂层逐渐剥离，阴极保护形成的石灰质垢层逐渐沉积，继续对金属提供防护，使得阴极保护中、后期电流密度维持在较小值，解决阴极保护初期大电流密度和中期小电流密度的矛盾，并减少牺牲阳极的用量。

本发明具体的技术方案如下：

(1)牺牲阳极用量的计算：首先根据被保护裸钢结构的面积、保护周期、海水电阻率等参数选择牺牲阳极种类，再根据牺牲阳极工作电位和被保护体最小保护电位以及设计的牺牲阳极尺寸，计算每一块牺牲阳极发出的电流；根据法拉第定律以中期电流密度、保护周期、牺牲阳极电化学容量计算牺牲阳极数量N₁；计算满足后期电流所需阳极数量N₂，比较N₁和N₂，选取较大值。这是因为涂装临时性涂层后钢结构所需初始电流密度为原始的40％，前述较大值牺牲阳极发出的电流可以满足初始电流需求，因此作为设计的阳极数量。

(2)涂刷临时性涂层：在被保护裸钢结构的表面涂刷临时性涂层；

采用临时性涂层，该涂层是一类涂层，其具有涂刷简单，刷涂和喷涂均可，可以随着阴极电流逐渐剥离。

(3)安装牺牲阳极：按照通常施工方式在被保护的裸钢结构上焊接步骤(1)计算数量的牺牲阳极。

所述牺牲阳极种类指铝合金或者锌合金牺牲阳极。

所述焊接牺牲阳极的步骤可以在涂装临时性涂层之前或者之后。

所述进行涂装的裸钢结构表面带锈或者不带锈。

所述临时性涂层为醇酸铁红涂层。

由于临时性涂层的存在，覆盖了被保护体的部分表面，阴极保护初始所需保护电流较小。随着阴极保护的进行，临时性涂层逐渐脱落，海水中存在的Ca²⁺、Mg²⁺离子在阴极沉积，生成石灰质垢层，填补了临时性涂层的脱落，使得保护电流维持在一个恒定的数值。

本发明与已有传统牺牲阳极阴极保护方法相比较，可以节约阳极用量，例如，采用醇酸铁红涂层，可以节约牺牲阳极用量；同时减小构筑物承载量，节约成本，增加安全性；与传统的涂装与阴极保护联合防护技术相比较，涂装工艺简化，涂层质量要求低，在初期起作用，节约了工序和施工占用时间，节约了成本。

附图说明

图1是本发明对比例1和2与实施例1和2中初始电流密度选择的实验结果对照图。

具体实施方式

下面结合附图并通过对比例和具体实施例来详细说明本发明。

对比例1：未涂刷临时性涂层裸钢的阴极保护方法

某渤海采油平台导管架结构海水中保护面积9300m²，设计寿命20a，海水电阻率ρ＝20Ω·cm。选Al-Zn-In牺牲阳极，具有下列性能参数：驱动电压ΔE＝0.25V，牺牲阳极工作电位为-1.05V(vs.SCE)，阴极极化电位为-0.80V(vs.SCE)。设计阳极尺寸为(250+260)×260×(2100+2300)，阳极初期等效半径r＝16.4cm。阳极芯为Φ114×8.5×3360的Q235钢管，阳极芯半径r_corr＝5.7cm。阳极净重333kg。牺牲阳极电化学容量取ε＝2500Ah/kg。

由此得到每块阳极初期发生电流为：

按照NACE标准推荐初期电流密度100mA/m²，中期电流密度35mA/m²，末期电流密度35mA/m²。

按照法拉第定律计算保护周期内需要的牺牲阳极数量N₁：

然后，计算满足后期电流所需阳极数量，阳极末期半径：

r_expended＝r_initial-[(r_initial-r_core)×0.9]

＝16.4-[(16.4-5.7)×0.9]

＝6.8cm (3)

式中：0.9是细长阳极的利用率。假设阳极长度不变。

每块阳极后期发出电流：

则保护暴露面积为9300m²的构筑物后期所需阳极数量为N₂：

选择73块。此时，牺牲阳极初期可以发出的电流I₃为：

I₃＝5.79A×73＝422.67A(6)

初期需要的保护电流为：

I₄＝100mA/m²×9300m²＝930A (7)

此时，由于I₃<I₄，不满足设计要求。需要增加牺牲阳极数量为N₃：

N₃＝930A/5.79(A/块)＝161块 (8)

实施例1：涂刷临时性涂层裸钢的阴极保护方法

由此得到每块阳极初期发生电流为：

根据中期电流密度35mA/m²，按照法拉第定律计算保护周期内需要的牺牲阳极数量N₁：

然后，计算满足后期电流所需阳极数量(后期临时性涂层消耗殆尽，不起作用)，阳极末期半径：

r_expended＝r_initial-[(r_initial-r_core)×0.9]

＝16.4-[(16.4-5.7)×0.9]

＝6.8cm (3)

式中：0.9是细长阳极的利用率。假设阳极长度不变。

每块阳极后期发出电流：

则保护暴露面积为9300m²的构筑物后期所需阳极数量为N₂：

因此，该设计选用阳极数量为73块。则：

牺牲阳极初期发出总电流：

I₃＝73块×5.79A/块＝422.67A (6)

采用涂刷临时性涂层醇酸铁红，根据图1可知，初期电流密度设计为原来的40％，即为40mA/m²。初期需要的保护电流为：

I₄＝9300m²×40mA/m²＝372A (9)

I₃大于I₄，满足初期电流需求。因此所需要的牺牲阳极个数为73块。

具体的阴极保护过程如下：采油平台导管架结构建造结束后，水面以上不做更改。焊接所设计阳极的同时，采用醇酸铁红涂料，刷涂在裸钢表面，厚度在15-40μm之间。涂层不要涂刷在阳极上。涂刷涂层前不需要做喷砂、打磨、除锈等前处理。

根据对比例1和实施例1的情况，两个处于相同海域且结构相同的采油平台导管架，采用本发明的临时性涂层，可以将牺牲阳极的用量从161块减少到73块，节约了近55％。

对比例2：未涂刷临时性涂层裸钢的阴极保护方法

以南海某导管架为例。

某南海采油平台导管架结构海水中保护面积95000m²，设计寿命31a，海水电阻率ρ＝25Ω·cm。选Al-Zn-In牺牲阳极，具有下列性能参数：驱动电压ΔE＝0.25V，牺牲阳极工作电位为-1.05V(vs.Ag/AgCl/海水)，阴极极化电位为-0.80V(vs.Ag/AgCl/海水)。设计阳极尺寸为(250+260)×260×(3000+3100)，阳极初期等效半径r＝16.4cm。阳极芯为Φ114×8.5×4390的Q235钢管，阳极芯半径r_corr＝5.7cm。阳极净重461.7kg。牺牲阳极电化学容量取ε＝2000Ah/kg。

由此得到每块阳极初期发生电流为：

按照NACE标准推荐初期电流密度150mA/m²，中期电流密度70mA/m²，末期电流密度100mA/m²。

根据中期电流密度，按照法拉第定律计算保护周期内需要的牺牲阳极数量N₁：

然后，计算满足后期电流所需阳极数量，阳极末期半径：

r_expended＝r_initial-[(r_initial-r_core)×0.9]

＝16.4-[(16.4-5.7)×0.9]

＝6.8cm (12)

式中：0.9是细长阳极的利用率。假设阳极长度不变。

每块阳极后期发出电流：

则保护暴露面积为95000m²的构筑物后期所需阳极数量为：

因此，该设计选用阳极数量为2079块。则：

牺牲阳极初期发出总电流：

I₃＝2079块×5.79A/块＝12037.41A (15)

初期需要的保护电流为：

I₄＝150mA/m²×95000m²＝14250A (16)

I₃小于I₄，不能满足初期电流需求。因此，需要的牺牲阳极个数为：

N₃＝14250A/5.79(A/块)＝2462块 (17)

实施例2：涂刷临时性涂层裸钢的阴极保护方法

以南海某导管架为例。

由此得到每块阳极初期发生电流为：

采用临时性涂层(醇酸铁红)，初期电流密度设计为原来的40％，即为60mA/m²。而根据中期电流密度，按照法拉第定律计算保护周期内需要的牺牲阳极数量N₁：

r_expended＝r_initial-[(r_initial-r_core)×0.9]

＝16.4-[(16.4-5.7)×0.9]

＝6.8cm (12)

式中：0.9是细长阳极的利用率。假设阳极长度不变。

每块阳极后期发出电流：

则保护暴露面积为95000m²的构筑物后期所需阳极数量为：

因此，该设计选用阳极数量为2079块。则：

牺牲阳极初期发出总电流：

I₃＝2079块×5.79A/块＝12037.41A (15)

由于涂刷了临时性涂层，根据图1可知，初期电流密度取原来的40％，为60mA/m²，则初期需要的保护电流为：

I₄＝60mA/m²×95000m²＝5700A (18)

I₃远远大于I₄，满足初期电流需求。因此，所需要的牺牲阳极个数为2079块。

采油平台导管架结构建造结束后，水面部分不变，焊接所设计阳极的同时，采用醇酸铁红涂料，刷涂在水面下裸钢上，厚度在15-40μm之间。涂层不要涂刷在阳极上。涂刷涂层前不需要做喷砂、打磨、除锈等前处理。

根据对比例2和实施例2可知，两个处于相同海域且结构相同的采用平台导管架，采用本发明的临时性涂层，可以将牺牲阳极的用量从2462块减少到2079块，节约了近15.6％。同时该实施例初期电流较大(是所需电流的12037.41/5700≈2倍),可以快速形成致密的石灰质垢层，减小运行过程中的电流消耗，保障保护效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种用于海水中裸钢结构阴极保护的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）牺牲阳极用量的计算：首先根据被保护裸钢结构的面积、保护周期以及海水电阻率参数选择牺牲阳极种类，再根据牺牲阳极工作电位和被保护体最小保护电位以及设计的牺牲阳极尺寸，计算每一块牺牲阳极发出的电流；根据法拉第定律以中期电流密度、保护周期、牺牲阳极电化学容量计算牺牲阳极数量N₁；以末期阳极发出电流计算所需阳极数量N₂，比较N₁和N₂，选取较大值；

（2）涂刷临时性涂层：在被保护裸钢结构的表面涂刷临时性涂层；

（3）安装牺牲阳极：按照通常施工方式在被保护的裸钢结构上焊接步骤（1）计算数量的牺牲阳极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述牺牲阳极种类包括锌合金或铝合金。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（3）所述的焊接牺牲阳极在涂装临时性涂层之前。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述进行涂装的裸钢结构表面带锈或者不带锈。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述临时性涂层会随着阴极电流逐渐剥离。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于所述临时性涂层为醇酸铁红涂层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述醇酸铁红涂层的厚度在15-40mm之间。