營口港某碼頭腐蝕與防護(hù)狀況調(diào)查與分析

邵成，張文鋒，陳韜

（1.營口港務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 營口 115007；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

近年來，隨著營口港吞吐量的迅速提升，鋼管樁在營口港得到了廣泛應(yīng)用，但與此同時(shí)也帶來了鋼管樁維護(hù)管理問題。盡管鋼管樁具有良好的施工和使用性能，但由于鋼管樁具有在海洋環(huán)境中易腐蝕的特性，必須依靠防腐系統(tǒng)來抑制鋼管樁的腐蝕。鋼管樁作為碼頭的基礎(chǔ)直接關(guān)系到碼頭的安全性和耐久性，而防腐系統(tǒng)又是保障鋼管樁在海洋環(huán)境中安全長效使用的關(guān)鍵措施。因此，開展碼頭鋼管樁及其防腐系統(tǒng)的調(diào)查與分析，不僅可以為制定維護(hù)管理措施提供依據(jù)，而且關(guān)系到碼頭的安全性和耐久性，具有重要的意義。

1 工程概況

營口港某碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用直徑為φ1 000 mm的鋼管樁，材質(zhì)為Q345B，設(shè)計(jì)壁厚為20 mm（16 mm）。該碼頭鋼管樁浪濺區(qū)和大氣區(qū)采用防腐涂層保護(hù)，水下區(qū)及泥下區(qū)部位采用外加電流陰極保護(hù)，水位變動(dòng)區(qū)采用防腐涂層和外加電流陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)。防腐涂層采用環(huán)氧重防腐涂料，涂層厚度1 600μm，2008年竣工并交付使用，設(shè)計(jì)使用年限30 a。

2 腐蝕與防護(hù)狀況的調(diào)查與分析

2.1 鋼管樁外觀狀況

通過目視外觀檢查法和水下攝像方法全面檢查鋼管樁涂層破損和腐蝕狀況，重點(diǎn)調(diào)查已出現(xiàn)局部破損的區(qū)域。

2.1.1 鋼管樁涂層的破損狀況

調(diào)查結(jié)果表明，絕大部分鋼管樁的涂層基本完好，未發(fā)現(xiàn)鼓泡、脫落和銹蝕等現(xiàn)象。但部分鋼管樁的大氣區(qū)和浪濺區(qū)（主要是大氣區(qū)）存在局部破損，破損形式以小面積或連續(xù)小面積破損為主，大面積剝落現(xiàn)象所占比例不大。小面積破損呈不規(guī)則分布，大面積破損則多集中于系纜墩位置鋼管樁，其中迎海側(cè)系纜墩的鋼管樁涂層破損最嚴(yán)重?，F(xiàn)行規(guī)范JTS153-3—2007[1]指出，防腐涂層的有效使用壽命有多種影響因素，包括涂裝前鋼材表面預(yù)處理質(zhì)量、涂層厚度、涂層種類、施工環(huán)境條件及涂裝工藝等。根據(jù)影響涂層壽命的各種因素[1]，分析涂層破損可能的原因：

1） 表面預(yù)處理質(zhì)量和涂料施工。涂料施工時(shí)，現(xiàn)場的溫度、濕度、粉塵含量或涂料的配置、攪拌、熟化、涂裝間隔時(shí)間等工序?qū)ν繉拥馁|(zhì)量都有重大影響。本工程涂料施工和表面處理均在廠區(qū)完成，采用成熟工藝涂裝，而且檢查發(fā)現(xiàn)未破損處涂層質(zhì)量都較好，因此涂料施工應(yīng)當(dāng)是合格的。

2） 涂料種類。本工程選用環(huán)氧重防腐涂料，具有良好的耐候性、耐腐蝕性和附著力，而且在工程上得到了較廣泛的應(yīng)用。因此，本工程涂料選擇應(yīng)當(dāng)是合理的，不存在問題。

3） 涂膜厚度。涂膜厚度也是影響涂層有效使用壽命的重要因素，為進(jìn)一步明確涂膜厚度的影響作用，本次調(diào)查對(duì)涂層進(jìn)行相關(guān)檢查。結(jié)果表明，涂層在使用數(shù)年后平均厚度仍符合設(shè)計(jì)要求。再者，本工程的涂層在廠區(qū)采用成熟工藝涂裝，有嚴(yán)格的質(zhì)量控制程序，因此，涂膜厚度是合格的。

4） 鋼管樁運(yùn)輸及施工。在鋼管樁運(yùn)輸和施打過程中，涂層難免會(huì)受到嚴(yán)重的外力作用，導(dǎo)致涂層局部破損。然而，由于海洋環(huán)境的影響，這些破損涂層依靠普通刷涂或噴涂無法達(dá)到修復(fù)的效果。一般情況下，破損處刷涂或噴涂的涂層在使用數(shù)年或更短時(shí)間后就會(huì)重新發(fā)生破損。因此，涂層破損的主要原因可能是已涂裝鋼管樁在運(yùn)輸、施打過程中產(chǎn)生的不可預(yù)見性破損。此外，迎海側(cè)系纜墩的鋼管樁涂層破損最嚴(yán)重，這可能是由于迎海側(cè)風(fēng)浪大于鄰岸側(cè)，對(duì)鋼管樁沖刷更劇烈，加速原有破損處的擴(kuò)展，導(dǎo)致更大面積的破損產(chǎn)生。

綜上所述，涂層破損是由于已涂鋼管樁在運(yùn)輸、施打過程中產(chǎn)生的不可預(yù)見性破壞造成的。迎海側(cè)風(fēng)浪大、無遮蔽，處于該區(qū)域的系纜墩鋼管樁受到較嚴(yán)重的海洋環(huán)境侵蝕，加速了破損涂層的擴(kuò)展，導(dǎo)致該區(qū)域鋼管樁涂層破損最嚴(yán)重。圖1為鋼管樁涂層破損的狀況。

圖1 鋼管樁涂層破損的狀況

2.1.2 鋼管樁表面的腐蝕狀況

涂層破損部位的鋼管樁表面已返銹，局部有麻面，除去表層的紅褐色浮銹后，發(fā)現(xiàn)鋼管樁表面凹凸不平，存在大量黑色和紅褐色鐵銹，但未見明顯的蝕坑。在破損處周圍一定范圍內(nèi)，涂層已基本喪失附著力，清除失效涂層后發(fā)現(xiàn)，隨著與破損處距離的增加，鋼管樁表面的鐵銹量遞減，直至表面呈現(xiàn)出金屬光澤（見圖2）。上述現(xiàn)象說明，涂層的真實(shí)破損面積（包括失效涂層所占面積）應(yīng)大于可直接觀察和測(cè)量到的破損面積。涂層完好處鋼管樁表面呈現(xiàn)出金屬光澤，說明涂層完好處鋼管樁未腐蝕。

圖2 涂層破損區(qū)域處理前后的狀況

當(dāng)涂層完好時(shí)，由于涂層耐蝕性好、透氣性和滲水性小以及涂膜具有一定厚度，水、離子和氧等腐蝕介質(zhì)滲入鋼管樁/涂層界面需要很長的時(shí)間，因此涂層完好處鋼管樁保護(hù)的較好。然而，一旦涂層發(fā)生破損，破損區(qū)域與海洋環(huán)境直接接觸，為水、離子和氧等腐蝕介質(zhì)滲入鋼管樁/涂層界面提供了快捷通道，加速腐蝕介質(zhì)的滲入，導(dǎo)致涂層破損處周圍一定范圍內(nèi)鋼管樁表面的腐蝕。

2.1.3 鋼管樁水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)的狀況

通過水下攝像和潛水員目視檢查對(duì)鋼管樁的水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明，鋼管樁表面包覆著一層海生物（如牡蠣、藤壺等），其厚度最大處達(dá)20 cm左右。局部清除鋼管樁表面的海生物后，有一定厚度的銹蝕產(chǎn)物，未發(fā)現(xiàn)明顯的涂層破損和局部腐蝕，更未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔等嚴(yán)重腐蝕。銹蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生可能是因?yàn)椋涸诖驑锻戤呏陵帢O保護(hù)運(yùn)行有一段保護(hù)的缺失期，這段時(shí)間內(nèi)鋼管樁水下無涂層保護(hù)區(qū)域發(fā)生了銹蝕。

2.2 鋼管樁的涂層厚度

涂膜厚度是影響涂層有效使用壽命的重要因素，為了明確該因素的作用進(jìn)行了涂層厚度調(diào)查。本次調(diào)查中，涂層厚度調(diào)查采用的電磁性測(cè)厚儀（測(cè)量范圍為0～3 000 μm），檢測(cè)范圍為鋼管樁水上部分。

結(jié)果表明，涂層的平均厚度為1 664μm，涂層厚度讀數(shù)值范圍為735～2 340μm，其中讀數(shù)值大于設(shè)計(jì)值1 600 μm的占總讀數(shù)數(shù)量的66.5%，圖3為涂層厚度讀數(shù)值的具體分布情況。由圖3可見，實(shí)測(cè)涂層厚度讀數(shù)分布較廣，讀數(shù)跨度范圍較大，且分布不均勻，絕大部分讀數(shù)值處于1 500～1 900μm之間，可見鋼管樁的涂層厚度不均勻。這可能是由于涂裝施工時(shí)的人為操作或其他客觀原因造成的誤差所引起的。總體來看，涂層厚度在使用數(shù)年后平均厚度和大部分讀數(shù)仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求（1 600μm），可見該碼頭所用的環(huán)氧重防腐涂料在海洋環(huán)境中具有良好耐候性和耐腐蝕性能。

圖3 涂層厚度讀數(shù)的詳細(xì)分布情況

2.3 鋼管樁剩余厚度和腐蝕速率

通過水下超聲波測(cè)厚儀（可帶涂層測(cè)量）對(duì)選定的鋼管樁進(jìn)行厚度測(cè)量。本次調(diào)查是該碼頭的第一次腐蝕調(diào)查，調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)鋼管樁的厚度與設(shè)計(jì)厚度存在制作因素導(dǎo)致的偏差。因此，不應(yīng)將本次調(diào)查結(jié)果（包括水下測(cè)量的厚度）與設(shè)計(jì)值對(duì)比來計(jì)算腐蝕速率，但可以將此次調(diào)查數(shù)據(jù)作為今后檢測(cè)評(píng)估腐蝕速率的原始參考數(shù)據(jù)。盡管如此，可通過對(duì)比涂層破損處和完好處（距離較近）實(shí)測(cè)鋼管樁壁厚（見表1），獲得涂層破損部位鋼管樁的腐蝕速率。

表1 涂層破損處與涂層完好處鋼管樁的平均厚度 mm

根據(jù)表2和鋼管樁投入使用年限可知，鋼管樁破損處的腐蝕速率為0.056 mm/a，與規(guī)范JTS 153-3—2007所列大氣區(qū)的最低腐蝕速率（0.05 mm/a） 相近。但需指出的是，所選擇區(qū)域的涂層破損可能由破損處擴(kuò)展所造成，因此腐蝕發(fā)生時(shí)間可能少于鋼管樁投入使用年限，那么實(shí)際腐蝕速率將大于0.056 mm/a。本次調(diào)查部位處于潮差區(qū)之上，陰極保護(hù)基本對(duì)其不發(fā)揮作用，而且涂層已破損對(duì)鋼管樁無保護(hù)作用，所以該區(qū)域的腐蝕較為明顯。

2.4 鋼管樁的保護(hù)電位

保護(hù)電位是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)鋼管樁保護(hù)效果的重要指標(biāo)。本次調(diào)查采用Ag/AgCl海水參比電極和高內(nèi)阻數(shù)字萬用表對(duì)鋼管樁的保護(hù)電位進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量時(shí)將參比電極放置到被測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的表面附近讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。具體過程是：把參比電極放入水中，讓其靠近待測(cè)鋼樁表面，并用導(dǎo)線使參比電極、萬用表和所測(cè)鋼管樁形成回路，直接由萬用表讀數(shù)。

調(diào)查結(jié)果表明，部分鋼管樁的保護(hù)電位值未能達(dá)到規(guī)范[1]要求的-780～-1 050 mV，可見部分鋼管樁未受到陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)。為進(jìn)一步明確上述現(xiàn)象原因，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查。

2.5 鋼管樁外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

該碼頭采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由輔助陽極、直流電源、參比電極、檢測(cè)設(shè)備和電纜構(gòu)成。本次調(diào)查對(duì)外加電流陰極保護(hù)各部分的使用狀態(tài)進(jìn)行了檢查，具體如下：對(duì)8套防爆型整流器的工作狀態(tài)和供電狀況，水上、水下電纜的敷設(shè)狀況，輔助陽極及參比電極的表觀及使用狀態(tài)進(jìn)行了抽檢。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，有3臺(tái)整流器出現(xiàn)了故障，其中1號(hào)整流器控制電位的顯示功能存在問題；4號(hào)整流器的電位控制旋鈕已經(jīng)損壞；5號(hào)整流器無法正常開機(jī)，需進(jìn)行維修或更換。其余整流器工作狀態(tài)正常，但與上述3臺(tái)整流器相同，目前處于恒電流控制狀態(tài)，此時(shí)控制電位不能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電流的功能。部分鋼管樁保護(hù)電位不足與整流器輸出的恒電流偏低和整流器損壞有關(guān)。

本次調(diào)查通過便攜式參比電極，對(duì)固定參比電極的使用狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，抽檢的參比電極中有6個(gè)參比電極顯示不正常，與便攜式參比電極所測(cè)得電位差距較大。水下探摸抽檢發(fā)現(xiàn)，抽檢陽極和參比電極的表觀狀況基本良好，未發(fā)現(xiàn)脫落、損壞等現(xiàn)象。

電纜敷設(shè)狀況的抽檢結(jié)果表明，電纜及其接頭未發(fā)現(xiàn)脫落、斷裂等情況，但部分電纜的敷設(shè)存在一定缺陷。如少數(shù)電纜缺乏保護(hù)套管，個(gè)別電纜未預(yù)留伸縮余量。此外，調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)，少數(shù)用于固定陽極和參比電極穿線鋼管的卡箍及緊固螺栓已銹蝕。

3 結(jié)語

1） 大部分鋼管樁涂層保持完好，但少部分鋼管樁涂層存在局部破損，破損形式以小面積或連續(xù)小面積破損為主，大面積剝落現(xiàn)象所占比例不大。上述涂層真實(shí)破損面積大于可直接觀察和測(cè)量到的破損面積。

2） 鋼管樁涂層在使用數(shù)年后，厚度仍能滿足設(shè)計(jì)要求。涂層破損部位鋼管樁表面已返銹，但尚未發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，目前該區(qū)域鋼管樁壁厚尚無明顯的損失。鋼管樁水下區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)被海生物覆蓋，清除海生物后，發(fā)現(xiàn)一定厚度的銹蝕產(chǎn)物。

3） 由于部分整流器損壞或整流器輸出電流偏低，使得部分鋼管樁的保護(hù)電位未達(dá)到要求。8臺(tái)整流器中有3臺(tái)需要進(jìn)行維修或更換；整流器的控制系統(tǒng)目前處于恒電流控制狀態(tài)，控制電位不能起到調(diào)節(jié)輸出電流的作用；抽檢參比電極中有6個(gè)數(shù)據(jù)顯示異常，占參比電極總數(shù)的25%。

4） 針對(duì)上述結(jié)論需對(duì)鋼管樁涂層破損處及外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的損壞部分進(jìn)行修復(fù)或更換，以保證鋼管樁的使用壽命。

[1]JTS153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].