某FPSO工艺水舱牺牲阳极耗蚀过快的防腐对策

第49卷2020年7月
船海工程
SHIP&OCEAN ENGINEERING
Vol.49
Jul.2020
DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2020.SI.026
某FPSO工艺水舱牺牲阳极耗蚀过快的防腐对策
康健1，潘金辉彳
(1.中国船级社湛江分社，广东湛江524022；2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江524057)
摘要:结合某FPSO工艺水舱室牺牲阳极检验，针对该舱室内牺牲阳极耗蚀过快的现象进行试验和调查分析，找出其耗蚀过快的3个原因并提出合理的防腐对策,针对舱室内部牺牲阳极的布置情况，通过公式推导,得出优化的合理布置方法。

关键词:牺牲阳极;工艺水舱;耗蚀过快;优化布置
中图分类号:U692.7文献标志码:A 文章编号：1671-7953(2020)S1-O1O7-O5
阴极保护技术是一种电化学保护技术,其原理是向被腐蚀金属结构施加一个外加电流，使被保护结构成为阴极,从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生⑴，其主要有3种保护方式:强制电流法、牺牲阳极法和排流保护法国。

其中，由于牺牲阳极法具有施工简单、对周边金属设施干扰小甚至无干扰、电流发散能力好、阳极利用效率高等优点，广泛应用于金属防腐蚀工程叫
1工艺水舱牺牲阳极耗蚀情况
1.1牺牲阳极耗蚀情况
在对某FPSO工艺水舱进行内部检查时发现，其舱室底部及舱壁上用于防止构件过快腐蚀的牺牲阳极耗蚀严重,3个工艺水舱舱底牺牲阳极几乎全部耗蚀殆尽，舱壁牺牲阳极出现多处贯穿性穿孔耗蚀，并伴有牺牲阳极脱落的现象。

据了解,距最近一次牺牲阳极换新时间只有6个月左右。

1.2牺牲阳极设计参数
牺牲阳极阴极保护系统设计之初，工艺水舱牺牲阳极规格为510mm X(100+120)mm X100mm (见图1)，单个牺牲阳极净重14.46炖,设计使用寿命12年，其化学成分见表1;开路电流不大于-1.10V,电容量不小于1800A・h/kg；试验介质电阻率为20Q・cm阳极骨架为Q235扁铁，规
收稿日期：2020-03-18
修回日期：2020-04-30
第一作者:康健(1987-)，男，硕士，工程师
研究方向:船舶与海洋结构物设计检验格为1440mm x50mm X10mm o
500
图1牺牲阳极规格(单位：mm)
由图1可知，该FPSO工艺水舱牺牲阳极类型为Long slender stand-off型,通过焊接方式将牺牲阳极与工艺水舱被保护构件连接起来。

表1牺牲阳极理论化学成分表
成分质量百娅/%
Zn 3.5~5.5
Sn0.04~0.12
Ti0.01~0.03
Fe0.12
Cu0.005
Si0.10
Al其余
由表1可知，该FPSO工艺水舱牺牲阳极为Al-Zn-Sn系合金阳极。

该种牺牲阳极中Sn元素能够破坏铝的钝性，降低铝的自身电位，促使铝阳极的晶界优先溶解,但经过长时间使用其电化学性能明显下降⑷。

1.3牺牲阳极舱内布置
该FPSO共设有3个工艺水舱，肋位号为44 ~50。

其中,2号与3号工艺水舱关于船舶中纵剖面对称布置,1号工艺水舱位于2号工艺水舱左舷侧，回收油舱位于3号工艺水舱右舷侧。

3个工艺水舱船艄方向邻近污油水舱,船驢方向邻近货油泵舱。

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1号工艺水舱舱底板布置有17块牺牲阳极,前后横舱壁分别布置有10块牺牲阳极，左右舷舱壁分别布置有5块牺牲阳极（见图2）；2号、3号工艺水舱舱底板布置有19块牺牲阳极，前后横舱壁13块牺牲阳极，左右舷舱壁分别布置有6块牺牲阳极（见图3）。

EL1X800
EL15500
EL12400
EL.9000
EL.5500
EL.2500
EL.0
J450
LI2BHD.&
L23BHD
图21号工艺水籬牺牲阳极布置
sSSfci
图32号、3号工艺水艇牺牲阳极布置
由图4、图5可知,3个工艺水舱牺牲阳极在舱底采用均布的方式，在舱壁则是中下部布置较多，上部布置较少。

其中,1号工艺水舱左右舷侧舱壁只在15.5m以下布置了阳极，艄鴉方向舱壁也只是在1&6m以下布置了阳极;2号和3号工艺水舱左右舷侧及艄驢方向舱壁在18.6m以下布置了牺牲阳极。

2牺牲阳极耗蚀过快原因分析
2.1电化学性能验证试验
针对工艺水舱牺牲阳极出现耗蚀过快的情况，在工艺水舱内阳极本体上取了3组试样，按照GB/T17848—1999中的试验要求，对该试样进行了电化学性能试验，试验温度为工艺水舱温度10865覽，试验介质为工艺水，试验时间为14天。

通过试验结果计算得岀，牺牲阳极3个试样的电化学容量约为1462.45A・h/kg,平均电流效率为49.11,牺牲阳极工作电位变化见图4,牺牲阳极发生电流见图5。

由图4可知,3组试样工作电位在-1067~ -1090mV之间波动，说明阳极被极化后，其能够持续稳定的与介质发生反应;由图5可知，牺牲阳极发生电流在100h内由100mA降低到65mA；前24h发生电流主要位于90-100mA区间，换算成电流保护密度为180-200mA/irf,而南海海域平台阴极保护电流密度设计值一般为130~140mA/m2o
经过模拟工艺水舱环境条件下的牺牲阳极耗蚀试验，其耗蚀形态见图6。

图6
牺牲阳极耗蚀形态
由图6可知，牺牲阳极试样出现了与工艺水舱内牺牲阳极相似的蜂窝状不均匀腐蚀,尤其是牺牲阳极的棱边处,有些阳极片块已经脱落或即将脱落。

说明高温工艺水环境加剧了牺牲阳极的晶间腐蚀。

2.2化学成分分析
按照GB/T4949—2007《铝■锌■锢系合金牺牲阳极化学分析方法》中的各种元素测定方法的要求,对工艺水舱内原有牺牲阳极进行了化学成分分析，其结果见表2。

表2额牲阳极化学成分表
成分质量百分妙％
Zn 5.001
Sn0.002
Ti0.031
Fe0.081
Cu0.002
Si0.098
Al其余
由表2与表1数据对比可知，工艺水舱原有牺牲阳极化学成分几乎完全满足理论值的要求范围，说明牺牲阳极耗蚀过快并非牺牲阳极质量引起的。

2.3牺牲阳极耗蚀过快原因
通过对工艺水舱原有牺牲阳极的电化学性能分析及查阅相关文献，归纳总结产生牺牲阳极过度耗蚀的原因如下。

1）试验标准与实际情况不符。

由牺牲阳极设计文件知，试验是按照CB/T17848—1999要求进行，其要求的试验介质温度为15-30%：,而实际工艺水舱介质温度约为65r，铝基合金阳极随着温度升高,阳极溶解性变差。

2）工艺水舱介质电阻率具有不确定性。

工艺水一般包括分散油、乳化油、溶解油、阴阳离子（Ca2+、Mg2+、Ba",Sr2+、C0「、CT、S0「等）、溶解气（O2、CO2、H2S等）等⑸，对于不同油田、甚至同一油田不同油层的原油,其经过油气水分离产生的工艺水也大相径庭。

研究表明，含油污海水中的阳极表面容易钝化，形成一层腐蚀产物硬壳,是其局部腐蚀加剧，电流效率降低⑹；工艺水中阴阳离子浓度过高，则会减低介质的电阻率，从而加速了牺牲阳极的耗蚀速率。

3）工艺水舱牺牲阳极布置不合理。

由图2、3可知，工艺水舱左右舷侧及踊牌方向舱壁上并非全位置布置了牺牲阳极。

据了解,3个工艺水舱液面不稳定,上部阳极浸没时间短,无法达到有效的活化电流密度，从而出现了舱室上部牺牲阳极钝化。

3牺牲阳极布置优化
针对工艺水舱牺牲阳极耗蚀过快产生的前两个原因，很多文献中都已进行了研究，但对于牺牲阳极布置的合理性研究，相关文献并不多见。

CB/T3855—2013《海船牺牲阳极阴极保护设计和安装》中提及“液舱内的牺牲阳极应合理布置在底部和舱内构件上”、“用于液舱内保护的牺牲阳极、应均匀地布置在最低液位仍被浸没的位置上”⑺，但其中并未说明如何“合理布置”，且提及的“均匀布置”是否合理，有待商榷。

3.1牺牲阳极电流保护模型
根据元电荷电场线的分布规律,2个带正电元电荷的电场线分布见图7。

对于Long slender stand-ofif型牺牲阳极，其通过两端的牺牲阳极骨架焊接在被保护构件上。

假设牺牲阳极焊点为2个极小的点,且平行于牺牲阳极投影于被保护构件平面的投影边线的等势线为直线时，则其电子流动方向及等势线见图8。

图7元电荷电场线及等势线
由图8及其假设可知，单块阳极的保护面积可以近似表示为2个半圆的面积（兄）与一个矩形面积（h Z）之和。

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3.2单块牺牲阳极保护面积
由CB/T 3855—2013＜海船牺牲阳极阴极保 护设计和安装》中5.4章节内容可知:
1) 牺牲阳极发生电流量厶。

I 厂罟
⑴
式中:厶为单块牺牲阳极发生电流量,mA/块;AE 为牺牲阳极驱动电位,V ；(铝合金阳极驱动电位
A£=0.30 V) ；/?为牺牲阳极接水电阻,Q 。

2) 牺牲阳极接水电阻屁
Long slender stand-o 任型牺牲阳极，其接水电
阻R 为
◎盘畔-1)
⑵
式中:p 为介质电阻率,Q ・cm ；Z 为牺牲阳极长 度,cm ；?■为牺牲阳极的当量半径(r = C/2qr,C 为 牺牲阳极的横截面周长),cm o
由式(1)、(2)可得单块牺牲阳极最大保护面 积&为
XE • 2tt £
⑶
(4)
式中诲为保护电流密度,mA/m 2 o
由图8及其假设可知,£也可表示为
氏二兄+ A, • 2彳
式中迅为牺牲阳极以焊点为中心的保护半径,
cm ；L w 为牺牲阳极骨架焊点间距离,cm 。

在已知L 、p 、r 及.的情况下,氏为常数，则由 式(4)化求得q ：
_ Ew + /©w + 鸥
/ =、G ---------不-------
(5)
当且仅当令多話时'式(5)才有意义。

3・3牺牲阳极布置优化
基于3.1中对牺牲阳极电流方向及等势线的
合理假设,加之推导出的单块牺牲阳极保护半径
可以得出平板结构牺牲阳极最优化布置见 图9。

图9中，相邻两层阳极平行布置，平行间距为
2r sO 通过如图9布置，可以充分利用单块牺牲阳
a)优化布置1
极的保护面积，减少单位面积上牺牲阳极的数量,
从而在满足牺牲阳极保护要求的前提下,降低费
用的支出。

4 结论
针对某FPSO 工艺水舱内牺牲阳极的设计参 数及布置情况，通过牺牲阳极的电化学性能试验
和化学成分分析，得到了工艺水舱牺牲阳极耗蚀 过快的3个主要原因，并着重对牺牲阳极的优化
布置进行研究,推导出单块牺牲阳极的保护半径
r s ,对于舱室内牺牲阳极的合理布置提供参考。

参考文献
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究[J] •技术,2019(8) ：74-80.
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北京冲国船舶工业综合技术经济研究院,2013.
110
7月
The Anti-corrosion Countermeasures Against Fast
Erosion of Sacrificial Anode in a FPSO Process Tank
KANG Jian1,PAN Jin-hui2
(1.Zhanjiang Branch of China Classification Society,Zhanjiang Guangdong524022,China；
2.Zhanjiang Branch of China National Offshore Oil Corporation,Zhanjiang Guangdong524057,China)
Abstract：Combined with the inspection of sacrificial anode in theprocess water tank of a FPSO,the phenomenon of rapid e-rosion of sacrificial anode in the tank was investigated and analyzed.Threecauses were found out and the reasonable measures were proposed.According to the layout of sacrificial anodes in the tank,the optimal and reasonable arrangement was achieved through formula calculation.
Key words:sacrificial anode;process tank；fast erosion；reasonable arrangement
(上接第103页)
Generating Mechanism of Propeller Sing and
Treating Method for a Catamaran Ferry
CHEN Zhuo1,Al Zi-tao1,ZHOU Jian2
(1.Guangzhou Plan Approval Centre,Guangzhou Branch of China Classification Society,Guangzhou510235,China;
2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi Jiangsu214082,China)
Abstract:The metal cutting sound appears in the rudder cabin of a catamaran ferry during sea trial.After trouble shooting, the problems of the shaft and the bearing were eliminated,the abnormal noise was finally characterized as the propeller singing. The abnormal noise was improves by trimming the trailing edgy of the propeller.And by retaining the silence line and replacing the propeller with a larger skew angle,the abnormal sound finally disappeared.
Key words:propeller；sing；silence line
(上接第106页)
On the Requirements and Modification Inspection of
Inland Riverbank Power System
WANG Ji
(Chongqing Branch of China Classification Society,Chongqing401121,China) Abstract:In order to protect the ecological environment and rationally utilize the resources,the evolution process of the e-lectricity consumption of inland river ships when they reach the shorewas briefly described.Thetypes, advantages and disadvan-tagesof theriverbankpower systemswere introduced,as well as t he important requirements of riverbankpower in the Technical Regu­lations for the Statutory Inspection of Inland River Vessels.Based on the reconstruction of the riverbankpower of inland river ships,some problems and suggestions in the process of design and inspection were put forward.
Key words:ship；inland river；riverbankpower
111。