钢质趸船阴极保护问题探讨

钢质趸船阴极保护问题探讨

许波

鄂州市海之舟船舶设计有限公司 , 邮编 : 436000

摘要：以沙钢集团钢质趸船为研究对象，在概述该趸船现有防腐措施及不锈钢拦污栅对钢质趸船船壳腐蚀有加速影响的基础上，对该钢质趸船阴极保护的安装过程及阴极保护效果进行分析探讨，并通过海港进行挂片试验对无动力钢质趸船间断阴极保护的可能性进行研究，结果表明，即使在未成膜的间歇性通电模式下，只要持续通电16h/d，钢质趸船阴极保护程度便可达到85.4%；阴极保护措施是预防钢质趸船电化学腐蚀的最有效方式，对于江河水、湖水中高电阻率金属结构船舶具有普遍适用性。

关键词：钢质趸船；阴极保护；

1 钢质趸船概况

沙钢集团某条无动力钢质趸船长52.5m、宽13.8m，吃水深1.2m，船舱内设置有6台抽水泵，主要为沙钢集团提供工业及生活用水。该钢质趸船下水投运前船外壳仅进行了油漆涂层防腐，且在船取水侧设置有不锈钢拦污栅，以避免污物进入泵体。根据对加装裸露不锈钢拦污栅后趸船船体自然电位的测量结果来看，各测点参比电极均选用相对Cu/饱和CuSO₄。根据自然电极电位分布情况，不锈钢拦污栅加装后对钢质趸船电位分布有较大影响，并导致加装不锈钢拦污栅后的船舷侧电位与钢船壳自然电极电位发生较大偏离，不锈钢拦污栅和船壳的混合电位值趋于正向变动；而对于未加装不锈钢拦污栅的船舷侧，其电位与自然电极电位更加接近。测量结果充分说明，不锈钢拦污栅的加装使钢质趸船船壳腐蚀加速。

金属在江河水、海水、土壤中均有遭受电化学腐蚀的可能，大量工程实践证明，阴极保护是最经济有效的应对电化学腐蚀的手段，阴极保护与涂料联合防腐方案的保护度可达80%以上，可使结构寿命延长数倍。

2 钢质趸船阴极保护原理

在江河水、海水等的水化作用下，金属与水体接触界面便产生双层电，金属便与水体建立起不同电位差，当通过导线连接水体中两种不同金属后，其间便会产生腐蚀电流。正电位金属为阴极，负电位金属为阳极，电流从正极向负极流动过程中，阳极金属便会发生腐蚀，这种腐蚀属于原电池腐蚀^[1]。包含少量夹杂物及其余元素的钢铁金属在江河水、海水中其夹杂物和所含元素便会与铁产生电位差，形成微小原电池腐蚀，此外，钢铁结构表面组织差异、应力不均、加工形变等均会造成微观原电池腐蚀。而钢铁结构以外水流流速、温差、浓度等差异会造成宏观原电池腐蚀，宏微观原电池腐蚀共同构成钢铁在江河水、海水等水体中的严重腐蚀。

为避免钢铁在水体中发生腐蚀，可将水体中的钢铁与电源负极相接，而电源正极与辅助阳极相接，向钢铁施加阴极极化电流，并使其电位移动至钢铁结构表面阳极电位，通过外加电流阴极保护以消除电池腐蚀作用。

3 钢质趸船阴极保护实施

3.1 钢质趸船阴极保护的安装

基于阴极保护作用原理，以恒电流法为钢质趸船外加电流主要的阴极保护形式，就安装过程而言，先将整流器、蓄电池等阴极保护仪安放在钢质趸船指定位置，并使电源正极和以铅银合金为主要铸材的辅助阳极连接，而电源负极和受保护钢质趸船相连；连接完成后通电，钢铁阴极便极化至保护电位，并以恒流方式维护该电位。通过对以上安装及作用过程的概述可以看出，阴极保护过程中以保护电位为最主要参数，其既能反应阴极保护程度和效果，又能通过保护电位调节以控制阴极保护水平。相关试验结果及工程实践经验显示，相对于银/氯化银电极而言，钢铁在江河水、海水等水体中保护电位可达到-0.85~-0.95伏，且保护程度一般在95%及以上。保护电流的保护及分散能力主要与阳极分布有直接关系，必须加强阳极分布位置的科学设计。对于该无动力钢质趸船，若采用2个可供16A电流的阳极，只需将阳极放置在趸船底部以下0.5~1.0m处，便能保证趸船电位均匀分布。

为避免该无动力钢质趸船阳极影响码头正常作业或遭受停靠船舶碰撞，必须将其阳极紧靠趸船内舷安装，并在趸船水线上30cm处以及距离趸船工作面30cm处各焊接安装1个牛鼻环以固定阳极，同时还应在阳极支架设计位置处焊接7个铁钩，扦在牛鼻环上以紧固阳极^[2]。以塑料管为保护套将阳极导线引至电源，具体见图1。阳极安装于趸船甲板后必须采取有效措施避免膨胀及日晒雨淋，夏天高温天气应加强散热，使仪器实际温度不超出40℃。

图1 阳极安装示意图

3.2 阴极保护效果

钢质趸船阴极保护结构安装完成后运行过程中，必须加强日常管理，按照10d/次的频次进行保护电位定点监测，并根据监测结果调整电位；同时在钢质趸船四周设置10个测点并按照1次/月的频次监测电位分布。为监测阴极保护运行情况及效果，通常采用挂片比较试验，即将与受保护趸船同材质的钢铁加工成长200mm、宽10mm、高5mm的钢板挂片，称重后划分水线，并通过导线连接钢板挂片和趸船，待趸船和所连接挂片自由腐蚀后将挂片划分成2组，放入水体内充分浸泡，达到试验时间后取出挂片，进行其腐蚀速率的检测与计算，便可得知试验期间具体的保护效果。

通过对该条无动力钢质趸船阴极保护挂片比较试验结果的分析发现，钢质趸船应用阴极保护措施后腐蚀速率最大可降低160倍，电化学腐蚀的保护效果十分优异。该钢质趸船下水后，按照运行要求，每隔4~5a必须进行一次进坞养护，养护费用约40万元人民币/次，养护时间大致1~1.5个月，养护费用高，耗时长。若施加阴极保护措施，则以上定期进坞养护过程可完全省去，养护费用大大节省，且保护效果比常规性养护更佳。具体见表1。

表1 无动力钢质趸船阴极保护挂片比较试验结果

3.3 间断阴极保护

在该无动力钢质趸船所在海港进行挂片试验^[3]，以研究其间断阴极保护的可能，挂片试验结果详见表2。根据试验结果，即使在通电16h/d、断电8h/d的未成膜间断性的保护模式下，阴极保护程度仍可达到85.4%；如果对挂片通电后持续保护10d并使其表面镁、钙等物质沉积并成膜后再实施通电16h/d、断电8h/d的间断性保护措施，阴极保护程度可以提升至90.5%。可见，无论实施未成膜间断保护，还是成膜间断保护，阴极保护通电时间必须在16h/d及以上。

表2 间断阴极保护挂片试验结果

根据对持续通电后再切断电流情况下钢质趸船电位衰减曲线的分析发现，对钢质趸船持续通电1d后，其电位便会降至-0.95V，而断电10min后电位便迅速调整至-0.8V；而在-0.95V的情况下对钢质趸船持续实施2个月阴极保护措施后，断电10h才能使其电位退回至-0.8V水平；如果对钢质趸船持续实施18个月阴极保护措施，则断电72h后其电位才能退回至-0.8V。以上试验结果表明，对钢质趸船实施阴极保护后，在起初较短的时间内保护电位极不稳定，必须加强管理和检验，避免发生断电，但持续通电保护1a后，钢质趸船表面的镁、钙等逐渐沉积形成致密覆盖膜，即使发生2~3d的短期断电，也不会对阴极保护效果造成不良影响。

4 结论

以上钢质趸船阴极保护措施实施以来，保护效果十分显著，该无动力钢质趸船进坞维修养护周期大大延长，经济效益和社会效益可观。阴极保护措施实施后保护系统运行稳定，钢质趸船船壳达到保护电位的同时，不锈钢拦污栅也同时得到阴极保护极化，不锈钢拦污栅对船壳腐蚀的负面影响也得到有效遏制。对钢质趸船阴极保护试验过程、结果的分析以及阴极保护运行效果也表明，外加电流阴极保护是避免钢质趸船发生腐蚀的有效措施，其保护装置安装简便，投资少，管理简单，且运行可靠稳定，在类似船舶防腐保护方面具有推广应用价值。

参考文献：

[1]郑天为,韩宇,单学永.海洋石油162平台桩腿外加电流阴极保护系统探析[J].天津科技,2020,47(05):51-53.

[2]张圣慧,林兆栋.钢质储罐海水充水试验中防腐蚀措施的应用[J].石油化工腐蚀与防护,2018,35(03):52-55.

[3]赖凌俊.钢质渔船船体腐蚀原因及对策探讨[J].科技创新与应用,2017(07):135.