參照船舶、海洋平臺等鋼結(jié)構(gòu)物陰極保護縮比模型，將深中通道某管節(jié)按照1∶80的比例縮小，縮比后模型尺寸為66cm×57cm×13cm。采用Al-Zn-In-Si-Sn-Ti鋁合金犧牲陽極，尺寸為160mm×40mm× 40mm，質(zhì)量約690g，其化學(xué)成分如表1所示。按照深中通道沉管隧道鋼殼犧牲陽極陰極保護設(shè)計方案進行設(shè)計，保護電流密度為0.0500A/m²(初始)、0.0275A/m²(平均)、0.0200A/m²(末期)，設(shè)計保護周期100a，陽極利用系數(shù)為0.9。經(jīng)計算，需配置8支犧牲陽極方可滿足沉管隧道鋼殼結(jié)構(gòu)在100a設(shè)計壽周期內(nèi)的陰極保護電流需求。參照T/CSCP0007-2022《沉管隧道鋼殼外表面防腐蝕技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，配制試驗環(huán)境為“回填石+40Ω·cm淡海水”的混合介質(zhì)。

表1 鋁合金犧牲陽極的化學(xué)成分

8支犧牲陽極分別布置于模型的頂面和側(cè)面，如圖1所示。陽極兩端接電纜，可用于連接恒流電源加速電解或連接模型進行陰極保護測試，模型正對陽極的位置焊接接線柱用于陽極保護效果測試。

如圖2所示，在沉管隧道鋼殼模型的頂部、側(cè)面和底部分別固定4支、2支、4支Ag/AgCl/海水參比電極，用于測試模型不同位置的電位，頂部和底部的4支參比電極分別位于鋼殼長度的1/2、1/4處及兩側(cè)邊緣位置，側(cè)面的參比電極位于鋼殼的中心位置。

將模型和犧牲陽極按圖1所示的位置放置于3.2m×4.9m×2.0m的水池中，為模擬沉管隧道鋼殼服役的“回填石+海淡水”環(huán)境，在縮比模型下方鋪設(shè)一層厚10cm的礫石，礫石直徑為8~12mm。犧牲陽極附近放置8cm×4cm鈦板作為輔助陰極，用礫石埋覆縮比模型、犧牲陽極和鈦板，模型上方礫石厚度約30cm，水池中灌注海淡水(由青島海域天然海水和自來水配制而成)，電阻率與沉管隧道鋼殼服役的珠江口平均電阻率一致，為40Ω·cm，水池水位需高于礫石層表面至少10cm。

1. 2. 1  加速電解方法

采用恒流電源強制電解方法加速犧牲陽極溶解，研究不同服役時間下犧牲陽極的電化學(xué)性能及陰極保護效果。如圖3所示，犧牲陽極接恒流源正極，模型和可調(diào)電阻串聯(lián)，之后和鈦板并聯(lián)，接電源負極。

在加速電解試驗階段，通過恒流電源向犧牲陽極施加5mA/cm²的電流密度，并調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使通過鋼殼縮比模型的陰極保護電流穩(wěn)定在0.092A(對應(yīng)平均保護電流密度50mA/m²) 。根據(jù)T/CSCP0007-2022規(guī)范，該電流參數(shù)可確保鋼殼達到有效保護狀態(tài)，同時避免因陰極電流過大引發(fā)鋼殼表面劇烈的析氫反應(yīng)。

1. 2. 2   陰極保護效果測試

本研究參照T/CSCP 0007-2022標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，陽極利用系數(shù)為90%。根據(jù)規(guī)范要求，運行初期鋼殼陰極保護電流密度為60~90mA/m²，平均保護電流密度維持40~50mA/m²。涂層破損率與時間的關(guān)系參照交通部標(biāo)準(zhǔn)JTS153-3-2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》計算，得出不同服役年限下犧牲陽極的累計消耗率分別為：20a(11%)、 40a(33%)、60a(52%)、80a(69%) 、100a(86%)。試驗過程中，當(dāng)通過強制電解使?fàn)奚枠O達到上述各階段消耗率時，立即斷開恒流電源，使陽極-鋼殼系統(tǒng)恢復(fù)至自放電狀態(tài)，隨后分別測量每塊犧牲陽極的實際發(fā)生電流和沉管鋼殼表面各關(guān)鍵監(jiān)測點的保護電位分布。

1. 2. 3  介質(zhì)電阻率測試

介質(zhì)電阻率是影響犧牲陽極陰極保護效果的關(guān)鍵參數(shù)。研究表明，“回填石+海淡水”非勻質(zhì)介質(zhì)的混合電阻率顯著大于海淡水介質(zhì)的電阻率。電阻率測試采用定制亞克力塑料槽體裝置(內(nèi)腔尺寸：3.7cm×7.7cm×18.0cm，電極間距18cm，詳見圖4)，測試時施加10mA恒定電流，每10min記錄一次測量的電極兩端電壓，取3次測量值的平均值作為最終數(shù)據(jù)。基于式(1)計算“回填石-海淡水”混合介質(zhì)的體積電阻，再通過式(2)換算得到實際電阻率。

當(dāng)加速電解至陽極消耗率分別為11%，33%，52%，69%，86%時，從陽極周圍取出填充有腐蝕產(chǎn)物的回填石裝入電阻率測試箱中，加入電阻率為40Ω·cm的海淡水，水線與回填石頂部齊平，測試不同服役階段犧牲陽極周圍的實際電阻率。

圖5是鋼殼縮比模型在入水初期(初始狀態(tài)) 的陰極保護電位分布。可以看到:模型各測量點的保護電位均低于-1.0V(相對于Ag/AgCl/海水電極，下同)，鋼殼達到有效保護狀態(tài)；各測試點間的電位差均小于100mV，表明保護系統(tǒng)具有優(yōu)良的電位分布均勻性。未布置陽極的鋼殼縮比模型底面(對應(yīng)1~4號參比電極) 的保護電位相對較正(-1.05~-1.0V)；布置陽極的鋼殼縮比模型側(cè)面(對應(yīng)5號、6號參比電極) 和頂面(對應(yīng)7~10號參比電極) 的保護電位更負(-1.1~-1.05V) ，接近犧牲陽極的工作電位。為保證100a設(shè)計壽命要求，采用過量陽極配置策略。這種設(shè)計可提供更高的初始電流密度，使鋼殼盡快達到充分保護狀態(tài)。

采用恒流電源結(jié)合輔助陽極對犧牲陽極進行加速電解，分別模擬犧牲陽極消耗率為 11%、33%、 52%、69%和 86%(對應(yīng)服役周期20a、40a、60a、 80a和100a) 時的工況，以恢復(fù)鋼殼的自放電陰極保護效果。通過測試鋼殼模型不同位置的保護電位，獲得如圖6所示的保護電位分布結(jié)果。

由圖6可見：從初始狀態(tài)到模擬服役100a(陽極消耗率86%)，鋼殼縮比模型的保護電位逐漸正移，表明犧牲陽極的陰極保護效果隨消耗率增加而減弱；在模擬服役20a(陽極消耗率11%) 時，保護電位與初始狀態(tài)相比無明顯變化，說明此時犧牲陽極仍處于過量供應(yīng)狀態(tài)，陰極保護效果保持穩(wěn)定；在模擬服役40a(陽極消耗率33%) 時，保護電位開始正移，但仍維持在-1.0 V以下；隨著模擬服役時間延長至100a，各測量點的保護電位不斷正移，整個保護電位在-0.950~-0.888mV，平均保護電位為-0.910V；模型底面中心位置(1號參比電極) 的保護電位最正(-0.888V)，而側(cè)面位置(5號和6號參比電極) 的保護電位最負(約為-0.95V)，各測量點的保護電位差小于80mV，表明陰極保護分布相對均勻。綜上可見，在整個模擬試驗周期內(nèi)，犧牲陽極的消耗會導(dǎo)致保護電位正移，但保護電位始終滿足陰極保護準(zhǔn)則(保護電位不超過-800 mV)，證明犧牲陽極在全周期內(nèi)能維持有效的陰極保護效果，且保護電位分布均勻性良好。

圖7是在犧牲陽極消耗率為86%時鋼殼縮比模型實物圖。可以看出，模型周圍存在大量腐蝕產(chǎn) 物，主要沉積于回填石的縫隙中。這是因為在犧牲陽極服役過程中，陽極溶解產(chǎn)生的Al³⁺與鋼殼表面吸氧腐蝕生成的OH^-發(fā)生反應(yīng)，生成 Al(OH)₃沉淀。發(fā)生的反應(yīng)如下：

海水中大量的Ca²⁺、Mg²⁺會進一步與OH^-和CO₃^2-反應(yīng)，生成CaCO₃和Mg(OH)₂。回填石的存在顯著降低了陽極區(qū)海水的交換速度，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物難以擴散遷移，沉積的腐蝕產(chǎn)物會進一步堵塞回填石縫隙，這一過程會降低犧牲陽極對沉管隧道鋼殼的保護效果。

介質(zhì)電阻率是影響犧牲陽極陰極保護效果的重要因素之一。為驗證腐蝕產(chǎn)物堆積對介質(zhì)電阻率的影響，測試了不同服役階段犧牲陽極周圍“回填石+海淡水”介質(zhì)環(huán)境的實際電阻率，結(jié)果如圖8所示。

可以看出，采用四電極法實測的初始狀態(tài)(0%消耗率)下介質(zhì)電阻率約為66Ω·cm，隨著犧牲陽極服役時間的增加，介質(zhì)電阻率逐漸升高。在模擬服役100a(86%消耗率) 后，混合介質(zhì)的電阻率升高至146Ω·cm，電阻率增幅達1.2倍。這是因為腐蝕產(chǎn)物在回填石孔隙中持續(xù)堆積，離子遷移通道受阻和導(dǎo)電性能下降。混合介質(zhì)電阻率升高直接導(dǎo)致犧牲陽極的發(fā)生電流下降，從而降低犧牲陽極保護效果。該研究結(jié)果提示，在沉管隧道等工程的陰極保護系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮介質(zhì)電阻率隨服役時間的動態(tài)變化特性。

為評價犧牲陽極在全服役周期內(nèi)的電化學(xué)性能，在初始狀態(tài)和模擬服役100a后分別對陽極進行性能測試。表2是初始狀態(tài)和模擬服役100a下原位測量的犧牲陽極開路電位。可以看出，犧牲陽極的開路電位保持穩(wěn)定，在全服役周期內(nèi)開路電位均負于-1.05V，表明陽極性能穩(wěn)定。

圖9為模擬服役100a后的犧牲陽極表面形貌變化。服役前[圖9(a)] ，犧牲陽極表面被致密的白色腐蝕產(chǎn)物包裹，這并未顯著影響其電位穩(wěn)定性(-1.15~-1.05V)，但會阻礙Al³⁺遷移，不利于陽極的溶解。服役后[圖9(b)] 可見陽極尺寸明顯縮小，整體溶解形貌基本均勻，但存在局部腐蝕區(qū)域，這是由于回填石阻礙了溶解氧的均勻擴散和部分區(qū)域陽極反應(yīng)溶解。以上結(jié)果表明，該犧牲陽極表面溶解基本均勻，在長期服役中能保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能。

為評價犧牲陽極的保護效果，測試了初始狀態(tài)和模擬服役100a下犧牲陽極的發(fā)生電流，結(jié)果如表3所示。可以看出，初始狀態(tài)下犧牲陽極輸出的保護電流較大，達到40mA左右；模擬服役100a后，陽極輸出的保護電流在11mA左右，下降了約75%。電流下降主要有兩個原因：一是隨著犧牲陽極消耗率的不斷增加，陽極尺寸在縮小；二是腐蝕產(chǎn)物沉積在犧牲陽極和鋼殼縮比模型周圍，降低了離子遷移速率，不利于陽極的溶解。

3   結(jié)  論

作者：

王輝，許實，羅維華，王海濤，王廷勇，趙永韜

作者單位：

青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司

來源：《腐蝕與防護》2025年6期