鋼管樁陰極保護與Denso防腐蝕技術(shù)聯(lián)合保護

李云飛，唐聰，陳韜

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

我國從上世紀(jì)70年代起開展了鋼鐵設(shè)施在海洋環(huán)境不同腐蝕區(qū)帶的腐蝕規(guī)律研究[1]，從腐蝕的角度，海洋環(huán)境分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)5個腐蝕區(qū)帶[1-2]。由于碼頭結(jié)構(gòu)終年處于海水及海洋大氣環(huán)境中，長期受到氯化物、硫化物、海洋微生物以及各種陰、陽離子等的腐蝕，碼頭結(jié)構(gòu)不可避免地受到一定程度的腐蝕，直接影響到碼頭的使用年限和安全。

一般情況下，鋼在海洋大氣中的平均腐蝕速度約為0.03～0.08mm/a；而浪花飛濺區(qū)為 0.3～0.5 mm/a。同一種鋼，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度可比海水全浸區(qū)中高出3～10倍[1，3-4]。一旦在這個區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕破壞，會大大降低整個設(shè)施的承載能力，縮短使用壽命，影響安全生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致設(shè)施提前報廢。

目前針對海洋鋼鐵構(gòu)筑物所采用的防腐措施，水上部分以防腐涂層為主，水下部分采取防腐涂層和陰極保護技術(shù)相結(jié)合的防腐方法，但對于腐蝕最嚴(yán)重的浪花飛濺區(qū)國內(nèi)尚未有成熟、經(jīng)濟、長效的防護方法。近年來，一種新型的防腐蝕技術(shù)——包覆防腐蝕技術(shù)，對暴露于海洋浪花飛濺區(qū)部位的鋼鐵設(shè)施，包括各種鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土設(shè)施，如跨海大橋、鉆采平臺和港口碼頭等具有廣泛的適用性，具有長效經(jīng)濟的防腐蝕效果。據(jù)此，營口港某液體化工碼頭改造工程中，鋼管樁設(shè)計采用犧牲陽極加Denso包覆防腐蝕技術(shù)聯(lián)合防腐措施，對鋼管樁起到全面而有效的保護。

1 工程概述

營口港某碼頭結(jié)構(gòu)形式為樁基墩臺式結(jié)構(gòu)，其水位變動區(qū)、水下區(qū)（自樁頂以下至海泥面下2m）采用防腐涂層。防腐涂層采用美國聯(lián)合涂料公司生產(chǎn)的E－160改性聚氨酯涂料，設(shè)計要求鋼管樁表面除銹等級為Sa2.5級，水位變動區(qū)（樁頂至標(biāo)高-1.5m段）涂層厚度1mm，水下區(qū)（自標(biāo)高-1.5m以下至海泥面下2m段）涂層厚度0.6 mm，2002年開始施工，2004年底竣工并交付使用，設(shè)計使用年限30 a。

該碼頭投入使用后不久，在例行檢查中發(fā)現(xiàn)水位變動區(qū)及水下區(qū)防腐涂層有剝落現(xiàn)象，后已逐漸發(fā)展為大面積剝落并返銹。為確保該碼頭鋼管樁的安全使用和耐久性，需對碼頭鋼管樁采取防腐措施。

2 保護方案的確定

該碼頭為已投入使用的成品油及液體化工品碼頭，屬于易燃易爆環(huán)境，從安全、管理和經(jīng)濟角度考慮，不適宜采用外加電流陰極保護技術(shù)，因此本工程確定采用犧牲陽極陰極保護技術(shù)。犧牲陽極保護系統(tǒng)的設(shè)計使用壽命為30 a，有效保護率不小于90%。

對部分鋼樁的浪花飛濺區(qū)及潮差區(qū)采取Denso礦脂防腐帶冷包纏保護。Denso防腐蝕保護系統(tǒng)具有優(yōu)異的防腐性能，其特點是：對酸、堿、鹽和微生物等有很強的抵抗力，對水、水蒸氣和氣體都有極強的防滲性能，耐紫外線、耐候性良好，礦脂防腐劑不干裂、不脫落，使金屬完全隔絕空氣和水，而且施工簡單，對表面處理要求低。這種防腐蝕系統(tǒng)不含可揮發(fā)性物質(zhì)，適用溫度范圍廣，不含任何有毒物質(zhì)，不可燃，無污染，采用冷施工方法，不需要動火，可以在潮濕、水中的環(huán)境下施工。

3 Denso冷包纏防腐技術(shù)

3.1 施工工藝

Denso礦脂防腐帶冷包纏系統(tǒng)由礦脂帶底漆、冷包纏防腐帶和高密度乙烯護甲組成。在海洋環(huán)境應(yīng)用時，應(yīng)先用Denso S105礦脂底漆覆蓋清理后的待保護表面，再包纏Denso海洋礦脂冷纏帶，最后安裝HDPE高密度乙烯護甲保護包纏過的表面。

Denso冷包纏防腐技術(shù)工藝施工簡便易行，詳細操作如下：

1）所有被保護的地方一定要經(jīng)過徹底的清理和檢查。對鋼管樁的表面處理要求低，無需考慮噴砂等嚴(yán)格處理工藝，表面清潔度要求達到ST2.0級即可。

2）如果表面有2mm或以上凹痕，必須先用Denso S105礦脂底漆填補，再涂上一層薄薄底漆。如果表面有太深或不規(guī)則的凹痕，可以選用Denso Under Water Mastic水底專用防腐膠泥填滿空隙，使表面平整。小面積可以用手套或海綿涂抹，大面積可以用油漆滾筒涂抹。

3）用礦脂帶包裹樁柱時，在開始和結(jié)束的位置都需要纏繞一個完整的圓周。一般情況下都是由下往上螺旋形包裹樁柱，帶子重疊不少于50%～55%。不可以有不平滑的摺疊或皺紋出現(xiàn)，避免讓水滲透入帶內(nèi)。礦脂帶一定要緊纏在樁柱上，不可有松散、氣泡或水存在。重疊的邊緣必須弄平，使高層和低層的帶子完全密封。當(dāng)包裹至樁柱頂部時、用纏繞帶完整纏繞一圈才算完成。

4）安裝護甲至頂部。在安裝之前，要檢查護甲是否有破洞、切口或損壞，兩邊焊接的法蘭凸緣是否完整無損；在安裝之后，要檢查護甲是否緊密接合，沒有膨脹凸起或摺縫出現(xiàn)，護甲與護甲垂直重疊后，螺栓的位置要一致。

3.2 保護效果

2008年，該港口選取了10根鋼管樁進行Denso高緯度海洋樁柱保護系統(tǒng)的防腐試驗，以觀測其在北方寒冷冰凍情況下的使用效果。2009年對該防腐系統(tǒng)進行了檢測：防腐護甲未出現(xiàn)位移、破損、開裂等現(xiàn)象，確實起到了防冰凌撞擊的保護作用；護甲內(nèi)防腐礦脂、礦脂帶及底漆完好，起到了鋼管樁與海水的隔離作用；系統(tǒng)所用螺栓等配件未出現(xiàn)銹蝕、松動等現(xiàn)象。初步認定為該系統(tǒng)達到了預(yù)期的防腐效果。

4 犧牲陽極陰極保護設(shè)計

4.1 保護電流密度

根據(jù)碼頭所處環(huán)境條件及作業(yè)工況，以及原鋼管樁防腐涂料的設(shè)計要求和使用現(xiàn)狀，該港區(qū)保護電流密度取值[5-6]如下：海水中初始值為11mA/m2、維護值21mA/m2及末期值56mA/m2，泥下區(qū)中保護電流密度的初始值為25 mA/m2、維持值為20mA/m2及末期值為20mA/m2。

4.2 保護電位

依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范[5-7]，有效保護期限內(nèi)，鋼管樁水位變動區(qū)、水下區(qū)的保護電位自始至終控制在保護電位范圍：-780～-1 050mV（相對Ag/AgCl參比電極）。

4.3 保護面積和保護電流

保護面積和保護電流見表1。

表1 保護面積和保護電流

4.4 犧牲陽極型號、用量與布置

根據(jù)鋼管樁所需初期保護電流、平均維護保護電流、末期保護電流和犧牲陽極的設(shè)計使用壽命30 a，設(shè)計選用Al-Zn-In-Mg-Ti合金犧牲陽極，其規(guī)格尺寸為1 250mm×（200+240）mm×180mm，每塊陽極質(zhì)量為137 kg，實際安裝884塊。陽極盡量均勻布置，使陽極電流分布均勻，從而使鋼樁的各部分都得到應(yīng)有的保護。

5 犧牲陽極陰極保護的實施

5.1 鋼管樁的電連接

由于該碼頭是在役的危險品建筑，在碼頭上面設(shè)置測試點和電連接裝置，因其線路不可能澆筑在混凝土中，暴露在碼頭面上的連接鋼筋可能會對結(jié)構(gòu)的安全性帶來隱患；施工中的敷設(shè)和焊接會對碼頭的裝卸作業(yè)造成很大的影響?？紤]到原結(jié)構(gòu)墩臺鋼樁與鋼筋之間已有電焊連接，因此，要求對鋼管樁之間的電阻進行測量，若相鄰兩樁電阻大于1Ω，則需采用φ16鋼筋及水下焊接工藝對鋼管樁進行電連接。

5.2 犧牲陽極的安裝工藝

陽極可采用水下局部排水CO2氣體保護半自動干法焊接工藝，或者采用經(jīng)工程實踐證明行之有效的水下專用焊條及其配套水下焊接工藝進行安裝。每塊陽極2個焊腳、4條焊縫，要求每條焊縫有效長度大于80mm，焊縫高度大于5mm，焊縫基本連續(xù)、寬度均勻、平整、無虛焊，焊接牢固可靠。

5.3 鋼管樁保護電位

保護電位是評價保護狀態(tài)和保護效果的重要參數(shù)。保護電位值在-780～-1 050mV（相對Ag/AgCl參比電極）之間時保護是充分的，保護效果良好[8]。該工程犧牲陽極保護實施結(jié)束后，對鋼管樁保護電位進行抽查，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼管樁犧牲陽極陰極保護電位檢測結(jié)果 mV

6 結(jié)論

目前該碼頭經(jīng)過礦脂防腐帶冷包纏處理過的鋼管樁，其外表護甲在經(jīng)過兩期冰凌后依然完好，試驗證明防腐保護效果值得肯定；鋼管樁保護電位均在設(shè)計要求范圍內(nèi)，犧牲陽極陰極保護的保護效果良好。

陰極保護與礦脂防腐帶冷包纏技術(shù)的聯(lián)合保護是當(dāng)前對鋼樁整體防腐蝕應(yīng)用的一種較為理想的保護方法，可供類似鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕參考與借鑒。

[1] 侯保榮.鋼鐵設(shè)施在海洋浪花飛濺區(qū)的腐蝕行為及其新型包覆防護技術(shù)[J].腐蝕與防護，2007，28（4）：174-175.

[2] 侯保榮.海洋腐蝕環(huán)境理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[3] 舒馬赫M.海水腐蝕手冊[M].李大超，楊蔭，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1985：8.

[4] Baorong Hou，Jizhou Duan，Jinglei Zhang，et al.Tests for Hanging Steel Specimens in Seawater[J].MP，2002，41（10）：45-49.

[5] JTS-153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[6] EN 13174—2001，Cathodic protection for harbour installations[S].

[7] GB/T 4948—2002，鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極[S].

[8] 劉銳，戴維艾.東營港碼頭工程鋼管樁防腐措施及應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2008（3）：21-23.