鋁基犧牲陽極在天津港海泥中的應(yīng)用

管學(xué)鵬，張文鋒，楊太年

（1.天津港港務(wù)設(shè)施管理中心，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

隨著水運(yùn)工程向?qū)I(yè)化、大型化方向發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已不能完全滿足現(xiàn)代碼頭結(jié)構(gòu)荷載和水深的要求。而水工鋼結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的性能，近年來已在現(xiàn)代碼頭建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的物理、機(jī)械及施工性能，然而其存在一個(gè)極大的弊端，即耐腐蝕性能差且損壞后維修比較困難。因此，實(shí)際使用中必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理，否則鋼結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性將受到嚴(yán)重影響，并給碼頭結(jié)構(gòu)帶來極大的安全隱患。如福建某設(shè)計(jì)使用年限25 a的碼頭由于未對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的防腐保護(hù)，導(dǎo)致該碼頭僅使用5 a即發(fā)生鋼管樁嚴(yán)重銹蝕甚至出現(xiàn)銹洞的現(xiàn)象。銹洞的產(chǎn)生將引起應(yīng)力集中，嚴(yán)重削弱了碼頭鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。

近年來，隨著天津港向深水大港的方向大步邁進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)已成為天津港不可或缺的建筑材料。為有效保護(hù)這些鋼結(jié)構(gòu)，犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)已被天津港廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2008年，天津港共施打鋼管樁14 000余根，使用鋼材約26萬t，其中采用犧牲陽極保護(hù)的面積約為110余萬m2，犧牲陽極普遍采用Al-Zn-In-Mg-Ti系合金。

目前，天津港鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)基本良好。然而，由于天津港的回淤性特質(zhì)，使得一些碼頭尤其是老碼頭的犧牲陽極被海泥不同程度掩埋，導(dǎo)致犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)使用壽命和效果降低，從而影響整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。這是目前天津港犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)使用過程中亟待解決的問題。

1 天津港犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)的狀況及問題的提出

2004年天津港的調(diào)查報(bào)告[1]顯示，港埠一公司碼頭的抽檢陽極塊體已全部被埋入泥中，只有陽極的焊腳仍露于泥面之上；南疆石化碼頭也有部分犧牲陽極被不同程度掩埋。2004年調(diào)查中，還對(duì)這些碼頭鋼結(jié)構(gòu)周圍泥面標(biāo)高和鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位進(jìn)行了檢測。表1～表3為2004年調(diào)查中各碼頭抽檢鋼管樁周圍的泥面標(biāo)高及其保護(hù)電位。

表1 港埠一公司碼頭鋼板樁附近的泥面標(biāo)高及其保護(hù)電位

表2 南疆石化碼頭10萬噸級(jí)碼頭2號(hào)靠船墩鋼管樁周圍的泥面標(biāo)高及其保護(hù)電位

表3 南疆石化碼頭15萬噸級(jí)碼頭1號(hào)系船墩鋼管樁周圍的泥面標(biāo)高及其保護(hù)電位

從表1～表3中可以看出，隨著鋼結(jié)構(gòu)附近整體泥面標(biāo)高的提高，陰極保護(hù)電位整體正移，即陰極保護(hù)效果下降。一方面，泥面提高使得鋼結(jié)構(gòu)所處電解質(zhì)環(huán)境的淤泥增加，電阻率變大；另一方面，犧牲陽極被掩埋后，表面活性溶解點(diǎn)減少。上述兩個(gè)原因?qū)?dǎo)致犧牲陽極工作效率下降，使陰極保護(hù)整體效果下降。

對(duì)于泥面較低的鋼結(jié)構(gòu)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果較好。如10萬噸級(jí)碼頭2號(hào)靠船墩鋼管樁的保護(hù)電位均處在-900～-1 000 mV的最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)，可見目前天津港普遍使用的Al-Zn-In系犧牲陽極具有良好使用性能。

然而，對(duì)于部分泥面較高的鋼結(jié)構(gòu)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果有所下降。如15萬噸級(jí)碼頭1號(hào)系船墩鋼管樁的保護(hù)電位大部分未處在最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)，但都負(fù)于阻止鋼鐵腐蝕的安全電位-800～-850 mV?？梢?，盡管部分犧牲陽極因淤泥的掩埋工作效率下降，然而由于結(jié)構(gòu)的電連接性較好，其它工作效率較高的犧牲陽極仍能較好地補(bǔ)充上述損失，使整體結(jié)構(gòu)仍處在陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)之中，但這將加速未被掩埋陽極的消耗，使?fàn)奚枠O難以達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限。

由于鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽極幾乎完全被掩埋，在相同的使用年限下，港埠一公司碼頭鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位都已正于保護(hù)電位，即陰極保護(hù)系統(tǒng)已完全失效；而另外兩個(gè)與其同期設(shè)計(jì)施工、保護(hù)指標(biāo)相同的碼頭（南疆石化碼頭）卻仍處于陰極保護(hù)狀態(tài)中。

綜上可知，犧牲陽極被掩埋將導(dǎo)致犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)使用壽命和效果降低。這是由于海泥不像海水介質(zhì)化學(xué)成分均一且流動(dòng)性好，使得在海水中使用良好的犧牲陽極在海泥中使用時(shí)性能嚴(yán)重下降[2]。而天津港現(xiàn)有疏浚方式多以傳統(tǒng)的耙吸、絞吸及新研究的抓吸疏浚方式為主，很難對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)下部的淤泥予以有效治理，因此亟需采用其它方法解決上述問題。研究表明，Al-Zn-In-Si系犧牲陽極在海泥中具有較好的使用性能[3]。鑒于上述原因，本文以犧牲陽極被掩埋最嚴(yán)重的天津港港埠一公司碼頭為研究對(duì)象，在海泥中采用Al-Zn-In-Si系犧牲陽極，并為陽極配置填包料，以期解決上述問題，并為在天津港海泥區(qū)中實(shí)施犧牲陽極陰極保護(hù)提供依據(jù)。

2 Al-Zn-In-Si系犧牲陽極在天津港海泥中的應(yīng)用

2.1 工程概況

天津港港埠一公司碼頭全長760 m，其陰極保護(hù)分別于1992年和1993年分兩期完成，設(shè)計(jì)使用年限15 a。2004年對(duì)港埠一公司碼頭鋼板樁陰極保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)查結(jié)果表明，陽極已全部被埋入泥中，只有陽極的焊腳仍露于泥面之上，陽極已達(dá)到保護(hù)年限末期，發(fā)生電流小于設(shè)計(jì)維持電流，大部分鋼板樁的保護(hù)電位已經(jīng)正于-850 mV，也就是說，港埠一公司碼頭大多數(shù)鋼板樁處于保護(hù)不足狀態(tài)。因此需要重新設(shè)計(jì)和安裝犧牲陽極，恢復(fù)系統(tǒng)的保護(hù)功能。2005年底開始，天津港對(duì)港埠一公司碼頭鋼結(jié)構(gòu)犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了更換，并于2007年底竣工。本次更換工程中，在天津港首次采用了上述Al-Zn-In-Si系犧牲陽極。

2.2 實(shí)施方案的確定與主要材料的選擇

陰極保護(hù)有兩種形式：犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。本工程的碼頭岸線較長，若采用外加電流陰極保護(hù)，需沿岸線配置多臺(tái)整流器及相關(guān)設(shè)備和材料。然而，因淤積鋼結(jié)構(gòu)水中區(qū)的保護(hù)面積較小，并不需要如此多的整流器來供給保護(hù)電流，顯然采用外加電流陰極保護(hù)并不經(jīng)濟(jì)。此外，由于淤積及該碼頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)施外加電流陰極保護(hù)難度較大。而犧牲陽極陰極保護(hù)由于其結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，可以較好地解決上述問題，不僅經(jīng)濟(jì)，而且實(shí)施簡單。因此，選擇犧牲陽極陰極保護(hù)作為鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)形式。

由于泥面淤積嚴(yán)重，鋼結(jié)構(gòu)在水中區(qū)的長度很小，無法直接安裝犧牲陽極，只能將犧牲陽極安裝于海泥之中。天津港屬于典型的淤泥質(zhì)港口，灘面泥沙顆粒較細(xì)，中值粒徑約在0.005 mm，會(huì)發(fā)生絮凝作用，形成含水量高，密度低，具有高度蜂窩狀結(jié)構(gòu)的淤積物。這種結(jié)構(gòu)的淤泥具有較低的電阻率，為使用鋁基犧牲陽極提供了一定條件。鑒于上述實(shí)際情況和Al-Zn-In-Si在海泥中的良好使用效果以及合理的成本（Mg基、Zn基犧牲陽極成本較高），選擇Al-Zn-In-Si系合金作為本次更換工程使用的犧牲陽極。

為減少犧牲陽極與海泥之間的電阻，并使?fàn)奚枠O均勻溶解，還借鑒了在土壤中埋設(shè)鎂基犧牲陽極時(shí)常用的方法，即在犧牲陽極外包覆填包料。填包料由70%石膏粉、25%膨潤土、5%硫酸鈉組成。用于海水中的犧牲陽極一般直接焊接在鋼結(jié)構(gòu)上，未外包填包料。在被淤泥掩埋的情況下，陽極金屬的反應(yīng)產(chǎn)物難以流動(dòng)和擴(kuò)散，而且會(huì)與淤泥結(jié)合緊密包裹在陽極表面，阻斷剩余金屬與海水的繼續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致陽極失效。而本工程中使用的Al-Zn-In-Si系犧牲陽極系統(tǒng)則外包了填包料。一方面，填包料的存在有助于陽極腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散和分散，阻止表面生成高電阻腐蝕產(chǎn)物沉積層，促進(jìn)陽極材料的均勻溶解消耗，從而保證陽極在淤泥環(huán)境中連續(xù)發(fā)揮作用，并推遲犧牲陽極可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)的時(shí)間；另一方面，外包填包料可以降低陽極所處環(huán)境的電阻率，增大陽極發(fā)生電流的有效面積，提高陽極的使用效率。

此外，隨著時(shí)間的推移，淤泥淤積程度將會(huì)加深，淤泥密實(shí)度也隨之增大，使得鋁基陽極周圍環(huán)境發(fā)生變化，若犧牲陽極的使用年限超過了其發(fā)生逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象所需的時(shí)間，可能會(huì)導(dǎo)致陽極發(fā)生逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象而過早失效。因此，應(yīng)盡量避免犧牲陽極使用年限過長。本次更換設(shè)計(jì)采用較短的使用壽命（5 a）。

綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性和可實(shí)施性，選擇犧牲陽極陰極保護(hù)作為陰極保護(hù)形式，采用設(shè)計(jì)使用年限較短的Al-Zn-In-Si系合金及外包填包料的實(shí)施措施是適宜的。

2.3 施工工藝

陽極安裝時(shí)，一般需采用9 m3空氣壓縮機(jī)在安裝陽極的位置吹出一個(gè)陽極坑，陽極坑的大小應(yīng)足以容納陽極，并使陽極上焊腳標(biāo)高處于-1 m以下。然后將陽極埋入陽極坑，再采用水下焊接工藝固定安裝陽極。陽極布置應(yīng)盡量均勻，并利用原有的電連接系統(tǒng)使陽極電流分布均勻，使鋼結(jié)構(gòu)各部分都得到應(yīng)有保護(hù)。

2.4 陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果

保護(hù)電位是評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)狀態(tài)和保護(hù)效果的重要參數(shù)?？⒐z測的結(jié)果顯示，鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)電位均負(fù)于-800 mV，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可見該犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)具有良好的保護(hù)效果。

3 結(jié)語

由于天津港的回淤性特質(zhì)，導(dǎo)致一些碼頭（尤其老碼頭）鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽極被不同程度的掩埋?，F(xiàn)有碼頭鋼結(jié)構(gòu)無論犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)還是外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，都可能出現(xiàn)由于犧牲陽極或輔助陽極埋于泥下而無法有效發(fā)揮作用的現(xiàn)象。本文所采用的犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)具有特殊的結(jié)構(gòu)形式和溶解方式，在天津港海泥區(qū)中初步使用效果顯著。這為解決天津港被海泥嚴(yán)重掩埋鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)提出了一種新方法，對(duì)保障天津港老碼頭安全及使用壽命具有積極的意義，也有著示范性的作用。

[1]馬化雄.天津港水工鋼結(jié)構(gòu)防腐措施的應(yīng)用研究報(bào)告[R].天津：天津港灣工程研究所，2004.

[2]李異，戚本盛，鄧和平.鋁合金犧牲陽極在南海海泥中的性能研究[J].腐蝕科學(xué)與技術(shù)，1991，3（1）：22-26.

[3]李異.犧牲陽極在海泥中電化學(xué)性能的影響因素[J].腐蝕與防護(hù)，2001，22（12）：527-529.