無線遙測系統(tǒng)在海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐監(jiān)測中的應(yīng)用

李勇，趙金山，張文鋒

（1.唐山曹妃甸實業(yè)港務(wù)有限公司，河北 唐山 063200；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

鋼結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的物理、機械及施工性能，在海港工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，海港工程鋼結(jié)構(gòu)處于嚴酷的海洋腐蝕環(huán)境中，嚴重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。目前，鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的腐蝕問題已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點。海港工程鋼結(jié)構(gòu)腐蝕狀況的在線監(jiān)測，實時掌握結(jié)構(gòu)的實際腐蝕狀態(tài)，不僅可以避免因腐蝕損傷造成的惡性事故，而且可以為結(jié)構(gòu)維護和管理提供重要依據(jù)，對保障海港工程正常作業(yè)、消除安全隱患具有重要的意義。

腐蝕監(jiān)測是海工鋼結(jié)構(gòu)防腐體系的重要組成部分，但長期以來并未得到足夠重視。近年來，鋼結(jié)構(gòu)使用越來越多，腐蝕與防護問題逐漸暴露出來，成為影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的關(guān)鍵因素之一。人們在探索有效防腐蝕途徑的過程中，對作為防腐基礎(chǔ)工作的腐蝕監(jiān)測也逐步重視起來。海洋腐蝕是一個漸進的過程，常規(guī)檢測由于在時間上的不連續(xù)性，會帶來報警不及時的問題。只有連續(xù)的腐蝕狀態(tài)自動監(jiān)測才能從根本上解決這一問題。鑒于上述原因及曹妃甸港礦石碼頭一期工程的實際情況，曹妃甸實業(yè)港務(wù)有限公司委托中交天津港灣工程研究院有限公司開發(fā)了基于GPRS/SMS的智能遠程防腐監(jiān)測系統(tǒng)，對海工鋼結(jié)構(gòu)陰極保護進行實時遠程監(jiān)測，使用效果顯著[1]。針對隨后使用過程中遇到的實際問題，對系統(tǒng)進行了相應(yīng)改進，實現(xiàn)了更可靠的數(shù)據(jù)傳輸以及監(jiān)測點的集中管理。本文簡要介紹了GPRS/SMS智能遠程防腐監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并就其在工程中的實際應(yīng)用作了詳細論述。

1 GPRS/SMS智能遠程防腐監(jiān)測系統(tǒng)

GPRS/SMS智能遠程防腐電位監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“防腐監(jiān)測系統(tǒng)”）由數(shù)據(jù)采集終端、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心三部分組成。圖1為防腐電位遙測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)采集終端由腐蝕信息采集系統(tǒng)（參比電極和電位測量裝置）、單片微機、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換、無線通信模塊等單元構(gòu)成，主要負責(zé)現(xiàn)場電位的采集與數(shù)據(jù)發(fā)送。圖2為數(shù)據(jù)采集終端的結(jié)構(gòu)示意圖。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括GPRS或SMS（短訊模式），負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。監(jiān)控中心由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和監(jiān)控計算機（附帶自編操作軟件） 兩部分組成。其中，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負責(zé)數(shù)據(jù)接收，監(jiān)控計算機及軟件負責(zé)執(zhí)行向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)號指令、索要數(shù)據(jù)，并對各層協(xié)議進行轉(zhuǎn)換，把正確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示給用戶。

圖1 防腐電位遙測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)示意圖

防腐監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是：監(jiān)控計算機通過無線通信模塊，借助無線傳輸網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)采集終端的無線通信模塊下達讀數(shù)指令。按照監(jiān)控計算機的指令，終端的無線通信模塊指示智能電位測量模塊進行即時電位測量，并將結(jié)果再通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)控中心。該系統(tǒng)的主要功能歸納為：1） 數(shù)據(jù)接收處理：實時接收遙測點鋼管樁的保護電位并進行合理判斷。2） 應(yīng)答查詢：定時或手動查詢鋼管樁的陰極保護情況。3） 數(shù)據(jù)庫管理：原始、歷史數(shù)據(jù)庫的形成、檢索、查詢等。4） 數(shù)據(jù)輸出：可通過顯示器、打印機、繪圖儀等設(shè)備輸出電位統(tǒng)計圖。5） 聯(lián)網(wǎng)通訊：可實現(xiàn)多計算機通訊。

通過防腐監(jiān)測系統(tǒng)，檢測人員可以隨時、方便地測量鋼管樁保護電位，方便準確地評定鋼管樁保護效果。這有助于管理部門及時準確地了解和積累鋼管樁保護信息，同時減少陰極保護系統(tǒng)管理人員的工作量，降低各種因素對陰極保護系統(tǒng)正常工作的影響。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程簡介

曹妃甸礦石碼頭一期工程位于曹妃甸港深水區(qū)，在唐山地區(qū)唐?？h南部海域中。該碼頭由13個結(jié)構(gòu)段、2個系纜墩、4個抗冰墩和引橋組成，碼頭全長735 m，寬31 m。碼頭結(jié)構(gòu)為鋼管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁板結(jié)構(gòu)，整個碼頭由788根1 200 mm、64根1 400 mm和74根1 800 mm的鋼管樁支承。鋼管樁材質(zhì)為Q345B。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)和鋼管樁各部位的標高尺寸，新建碼頭屬海洋環(huán)境下固定式鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，鋼管樁存在著飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)4個嚴重腐蝕區(qū)域，嚴重威脅著碼頭的安全運行和長期使用。該工程的鋼管樁水下及潮差區(qū)采用犧牲陽極防腐保護技術(shù)。其設(shè)計思路考慮到鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)的特點，各部位鋼管樁直徑不同，潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)的長度不同，保護面積和所需保護電流不同，為了排除鋼管樁之間因電位分布不均勻而造成的不良影響，達到電位分布均勻，整體得到一致的良好保護效果，要求在鋼管樁樁帽制作前和碼頭施工建設(shè)過程中，分別將碼頭、系纜墩、抗冰墩和引橋墩所有鋼管樁用鋼筋采用電焊方法電性連接，各自形成一個保護整體。

為了全面了解和掌握鋼管樁在不同時期的保護效果，除了竣工時對保護效果進行檢驗外，工程交付使用后，必須對鋼管樁防腐效果進行定期全面檢測。在40 a有效保護期間內(nèi)，鋼管樁電位必須自始至終控制在標準規(guī)定的保護電位范圍-1.05～-0.78 V（相對于海水氯化銀電極）[2]，發(fā)現(xiàn)問題及時給予解決，確保鋼管樁的保護效果。鋼管樁犧牲陽極保護效果的好壞可以通過電位測量數(shù)值進行直觀有效的評定。鑒于上述要求，曹妃甸實業(yè)港務(wù)有限公司邀請中交天津港灣工程研究院有限公司開發(fā)了應(yīng)用于該碼頭的第一代SMS遠程短訊遙測系統(tǒng)?？紤]到碼頭整體結(jié)構(gòu)與保護方式等因素，該碼頭共設(shè)置7處監(jiān)測點，其中碼頭主體設(shè)置4處監(jiān)測點，引橋、系纜墩、抗冰墩上各設(shè)置1處監(jiān)測點。前期還需對港口的水文情況進行勘察，以確定參比電極的安裝位置和方式。監(jiān)測點的具體分布情況如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)安裝的注意事項

1） 系統(tǒng)安裝之前，須掌握碼頭結(jié)構(gòu)特點、碼頭附近的水文情況和陰極保護系統(tǒng)特征等相關(guān)信息。根據(jù)上述信息，確定安裝位置和方式，合理布置監(jiān)測點及現(xiàn)場設(shè)備。

2） 參比電極電纜須采用鋼套管進行保護，安裝前套管須進行密封和涂裝，以滿足電纜安全性及耐久性的要求。

3） 現(xiàn)場設(shè)備盡量布設(shè)于碼頭隱蔽部位或不易受現(xiàn)場作業(yè)影響的位置，這樣可減少因現(xiàn)場作業(yè)導(dǎo)致的系統(tǒng)破壞或干擾。此外，還應(yīng)當對其作相應(yīng)保護。

2.3 工程應(yīng)用中存在的問題及改進措施

2.3.1 系統(tǒng)抗干擾能力

圖3 監(jiān)測點的具體分布情況

工程初期，保護電位采集頻率較低，因此傳輸方式采用SMS模式。防腐監(jiān)測系統(tǒng)使用初期，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法上報的現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)分析與檢查，發(fā)現(xiàn)這是由于模塊受到外界環(huán)境的強烈干擾所致。主要干擾源是現(xiàn)場大型門式裝卸機，該機在工作時電磁干擾非常嚴重；而且功率較大，常導(dǎo)致供電電源出現(xiàn)波動。無線通信模塊內(nèi)部程序在受到外界強干擾后會出現(xiàn)跑飛情況，以至于產(chǎn)生鎖死，對數(shù)據(jù)采集命令不能做出及時處理。針對上述問題，對模塊本身及其內(nèi)部程序進行了升級，并加強了模塊在受干擾后的自動重啟功能。此外，還在系統(tǒng)供電線路中加裝了微電腦數(shù)控開關(guān)定時刷新模塊運行狀態(tài)，最終克服了外界的強烈干擾。通過上述改進，系統(tǒng)能夠在受到強烈干擾時，自動恢復(fù)正常工作，減少了維護的工作量。近6年的監(jiān)測效果顯示，該系統(tǒng)能及時準確地檢測并發(fā)送數(shù)據(jù)，可見改進措施取得了良好的效果。

2.3.2 參比電極系統(tǒng)

在例行檢查中發(fā)現(xiàn)，投入運行幾年后，部分監(jiān)測點的參比電極電纜保護套管發(fā)生了銹蝕現(xiàn)象，其中較嚴重者出現(xiàn)了保護套管穿孔、斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致參比電極無法受到正常保護，大大降低了系統(tǒng)的使用壽命。上述現(xiàn)象主要是由于保護套管防腐保護不足所引起的。針對上述問題，對曹妃甸礦石碼頭一期工程中的7套遙測系統(tǒng)進行了相應(yīng)改造。

原系統(tǒng)的參比電極電纜保護套管為碼頭面層施工時預(yù)埋的獨立結(jié)構(gòu)（見圖4），其防腐措施主要是涂裝保護。從使用效果來看，僅采用涂裝保護無法滿足套管的防腐要求，還須對套管加強防腐保護。參比電極電纜保護套管為無縫鋼管，若與鋼管樁進行電連接，亦能受到犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的保護?；谏鲜鏊悸?，對保護套管的結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)改進，即將具有支架的保護套管焊接于鋼管樁上（見圖5）。改進后的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：1）由于進行了電連接，保護套管也能受到陰極保護系統(tǒng)的保護，加強了防腐效果，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性；2）由于保護套管緊貼鋼管樁，縮短了參比電極與鋼管樁的距離，有助于提高參比電極讀數(shù)的準確性；3）由于保護套管焊接在鋼管樁上，增強了浮冰等大型漂浮物撞擊的抗力，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。此外，參比電極也進行了升級，將原國產(chǎn)永久參比電極更新為國外進口的長效參比電極。

圖4 電纜保護套管的原始結(jié)構(gòu)圖

圖5 改進后的參比電極電纜保護套管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 無線傳輸及相關(guān)設(shè)備

隨著后期工程的陸續(xù)實施，監(jiān)測點數(shù)量不斷增加，原遙測系統(tǒng)的監(jiān)控中心負擔越來越重，遙測接收模塊安裝數(shù)量也越來越多，這樣不利于系統(tǒng)硬件的維護以及多個碼頭監(jiān)測的同時管理。針對該問題，進行了系統(tǒng)升級，將原來的SMS短信遠程讀取方式改為GPRS在線實時傳輸方式，并棄用監(jiān)控中心的無線接收模塊，而改用開放主機端口，直接通過因特網(wǎng)接收數(shù)據(jù)采集終端傳送的數(shù)據(jù)。這樣大大改善了數(shù)據(jù)的傳輸速度，并提高了管理的便利性，實現(xiàn)了多個碼頭監(jiān)測的同時管理。數(shù)據(jù)采集終端還進行了高度集成，使得運行更加穩(wěn)定流暢。升級后的防腐監(jiān)測系統(tǒng)示意圖見圖6。

圖6 改進后的防腐電位遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 防腐監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果

為了驗證防腐監(jiān)測系統(tǒng)的實際效果，采用了現(xiàn)場測試電位與遙測系統(tǒng)監(jiān)測電位相對比的方法。多次驗證試驗結(jié)果表明，監(jiān)測電位與現(xiàn)場測試電位能夠較好地吻合，可見該系統(tǒng)能夠準確地反映鋼管樁的實時保護效果。就目前使用情況來看，升級后的系統(tǒng)抗干擾能力強、運行穩(wěn)定流暢、數(shù)據(jù)傳輸效率和準確度高、可靠進行數(shù)據(jù)測量的概率接近100%，而且通過一個監(jiān)控中心可監(jiān)測多個碼頭鋼管樁的實時保護效果，便于用戶的維護和管理。

4 結(jié)語

基于無線通信技術(shù)和計算機技術(shù)的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，可遠程實時監(jiān)測海工鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況，在海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。使用該系統(tǒng)可以提高海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測的管理水平，有利于及時發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的問題，保障海工結(jié)構(gòu)安全、高效運行。工程實踐證明，該系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、超遠距離傳輸、低功耗、自動化程度高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣、方便靈活等特點，可為海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕災(zāi)害現(xiàn)代化預(yù)警系統(tǒng)提供強有力的技術(shù)支持。

[1] 趙金山，尚堯，馬化雄，等.GPRS智能遠程遙測系統(tǒng)在海工鋼結(jié)構(gòu)防腐監(jiān)測中的開發(fā)及應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2007（6）：11-12.

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