全球超过80%的海上油气设施已经超出了原设计寿命，进入高风险的服役阶段。这些设施长时间暴露于海洋环境中，在极为复杂的自然条件下，面临着腐蚀破坏、风浪冲击等多重风险。在海洋环境中长时间暴露后，海洋平台腐蚀，其导致的稳定性问题已经成为影响海上油气安全生产的关键[1-3]。钢质导管架平台腐蚀失效不仅会降低结构部件的厚度，从而损害结构的完整性，还会导致腐蚀疲劳[4]和微生物腐蚀[5]。阴极保护[6-8]和防腐蚀涂层[9-10]是减缓海洋平台导管架腐蚀的主要措施。但是在现场发现，海洋生物的附着和污损不仅会导致防腐蚀涂层破损，还会显著降低牺牲阳极的输出电位，使其难以达到理想的保护效果[11-14]。因此，作者以胜利海域海洋平台导管架阴极保护系统为主要研究对象，现场勘察其海生物附着情况，并通过室内试验了解牺牲阳极的腐蚀形貌、工作电位和活化特性等，揭示了贝类附着条件下牺牲阳极失效的关键原因，为海洋阴极保护设置提供借鉴。

1. 现场情况

胜利海域属于渤海湾，常年温度在0~28 ℃，海水盐度为2.9%~3.1%；油田海洋平台为近海平台，因此平台附近贝类富集。从图1所示现场照片可以看出，海生物附着位置主要集中在导管架的潮差区和全浸区，以全浸区居多[15-17]。海生物在导管架的平均厚度为16.65 cm，最大厚度为31.7 cm，平均覆盖率高达95.58%。海生物的附着不仅会增加导管架的负重、降低其冲击韧性，还会破坏表面涂层、包覆牺牲阳极并降低其活化性能，导致导管架的腐蚀进一步加剧，呈现层状剥落和密集点蚀的腐蚀特征。因此，每隔3~6个月就需要对导管架表面附着的海生物进行物理清除，同时对导管架的运行状态进行监检测，这极大地增加了运行人员的工作量。

图 1 胜利海域海洋平台导管架现场照片

Figure 1. Field photographs of offshore platform jacket in Shenli sea area: (a) shellfish fouling;(b) sacrificial anode; (c) jacket

2. 室内试验

2.1 牺牲阳极腐蚀形貌

从现场收集三段牺牲阳极样品，机械清除表面附着的贝类海生物后观察其宏观形貌，结果如图2所示。由图2可见，试样表面不均匀特征显著，存在明显的孔洞，孔洞最大深度可达5.2 cm，较大的孔洞主要集中在阳极与导管架连接的支脚位置。

图 2 牺牲阳极宏观形貌

Figure 2. Macrographs of sacrificial anodes

通过扫描电镜（SEM）观察牺牲阳极样品表面腐蚀产物（以下称产物）形貌，结果如图3所示。可以看出，产物不完整呈破碎状，通过放大图像可以看出，产物表面致密性较差，存在明显的孔洞，为腐蚀性介质扩散到达牺牲阳极本体提供了通道，这进一步导致牺牲阳极基体腐蚀的不均匀程度增加，形成明显的点蚀坑。

图 3 牺牲阳极表面腐蚀产物的形貌

Figure 3. Morphology of corrosion products on sacrificial anode surfaces

依据GB/T 16545-2015《金属和合金的腐蚀-腐蚀试样上腐蚀产物的清除》，配备两种腐蚀产物清洗溶液（A和B）。溶液A和由50 mL磷酸（密度为1.69 g/mL）、20 g三氧化铬加蒸馏水至1 000 mL配备而成；溶液B为密度为1.42 g/mL的硝酸溶液。首先，将牺牲阳极在80 ℃溶液A中浸泡10 min，然后在25 ℃溶液B中浸泡5 min。去除腐蚀产物后牺牲阳极基体的形貌如图4所示。从图中可以看出，牺牲阳极基体表面存在明显的蚀坑特征，部分区域呈现溃疡状，这说明贝类海生物的覆盖加剧了牺牲阳极的不均匀腐蚀。

图 4 去除腐蚀产物后牺牲阳极基体的形貌

Figure 4. Morphology of sacrificial anode substrate after removal of corrosion product

2.2 牺牲阳极工作电位

根据GB/T 17848-1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》搭建如图5所示试验装置。分别以去除产物层牺牲阳极和未去除产物层牺牲阳极为试样，测牺牲阳极的工作电位。辅助阳极为不锈钢，工作面积（内外面）为840 cm2，参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。试验时间为96 h，温度为25 ℃。

图 5 牺牲阳极电化学性能测试试验装置示意图

Figure 5. Schematic diagram of electrochemical performance test device for sacrificial anode

图6为两种牺牲阳极的工作电位变化曲线。从图中可以看出，在不同的外加电流密度下，去除产物层牺牲阳极的工作电位区间为-1.11~-1.06 V（现场采用的牺牲阳极为1型铝阳极，工作电位区间为-1.12~-1.05 V），满足标准要求；但是未去除产物层牺牲阳极的工作电位仅为-0.82~-0.61 V。

图 6 两种牺牲阳极的工作电位变化曲线

Figure 6. Working potential curves of two sacrificial anodes

表1给出了3个未去除产物层牺牲阳极的实际电容量、电流效率以及消耗率等参数的计算结果。现场1型铝阳极的理论电容量为2 754.674 A·h/kg，测试得到未去除产物层牺牲阳极的实际电容量仅为1 054.63、1 109.39、1 041.68 A·h/kg，电流效率分别为38.3%、40.3%、37.8%，远低于规范中≥85%的要求；计算其消耗率分别为8.31、7.90、8.41 kg/（A·a），远高于规范中≤3.50 kg/（A·a）的要求。现场牺牲阳极块设计使用寿命为15 a（131 400 h），初始质量为80 kg/块，计算得平均腐蚀速率分别为0.33、0.11、0.21 mm/a。因此，海洋贝壳海生物的附着极大降低了铝基牺牲阳极的性能，提高了其消耗率，导致导管架难以受到有效的阴极保护作用。