錦州港301B油品泊位鋼管樁犧牲陽極陰極保護

唐聰，秦鐵男

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

海洋環(huán)境下的金屬設施，尤其是固定式的鋼管樁，其腐蝕防護問題尤為突出。在未進行有效保護狀態(tài)下，會形成嚴重的局部腐蝕，平均腐蝕速度可達0.3～0.4 mm/a，局部腐蝕速度甚至可達1 mm/a，造成鋼管樁局部穿孔，甚至呈截斷狀態(tài)，嚴重威脅著結構的安全使用。因此對鋼管樁采取及時有效的防腐保護措施是非常必要的。

陰極保護是一項成熟的電化學保護技術，它可以有效地防止金屬在電解質(zhì)中引起的各種腐蝕行為。國內(nèi)外一些規(guī)范、規(guī)定都明確指出，對于永久性水下鋼結構應該或必須采取陰極保護或涂料加陰極保護。陰極保護可分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。犧牲陽極陰極保護具有保護效果好、保護壽命長以及可維修、可更換等特點。

1 工程概況

錦州港第三港池301B油品泊位包括1個工作平臺、2個靠船墩、6個系纜墩、2個引橋墩，全部以鋼管樁為基礎。采用φ1 200 mm鋼管樁，樁長47.0～51.5 m，總計238根，材質(zhì)為Q345-C鋼。

2 陰極保護設計

2.1 設計年限

本工程碼頭設計年限為50 a，考慮到犧牲陽極初期投入費用較大。本次陰極保護設計年限為30 a，30 a后根據(jù)陽極的溶解情況、鋼管樁的保護效果、重防腐涂層的破損情況及業(yè)主的要求，重新設計焊接犧牲陽極、修補重防腐涂層，最終達到鋼管樁使用壽命50 a的技術要求。2號引橋墩受岸側拋石影響，13根鋼管樁全部被拋石掩埋，犧牲陽極無法進行更換，故2號引橋墩鋼管樁陰極保護設計年限為50 a。

2.2 保護電位

根據(jù)國家行業(yè)標準[1]，本工程鋼管樁保護電位設計為-1.10～-0.80 V（相對銀/氯化銀/海水參比電極，以下皆同）。

2.3 保護面積計算

碼頭設計高水位3.60 m，設計低水位-0.07 m，泥面標高為-23.00～-3.20 m。鋼管樁樁頂標高5.60～7.40 m，樁底標高-42.70～-39.30 m。

鋼管樁潮差區(qū)長度從平均高潮位至平均低潮位，水中長度從平均低潮位至泥面，泥中長度從泥面至樁尖。碼頭分別以墩臺為計算單位，各墩臺鋼管樁保護面積計算結果見表1。

2.4 保護電流計算

根據(jù)碼頭所處的地理位置、介質(zhì)條件、鋼管樁材質(zhì)、表面狀態(tài)及碼頭結構形式等實際情況，參照現(xiàn)行行業(yè)標準[1]，本工程鋼管樁各腐蝕區(qū)保護電流密度取值如表2所列。

根據(jù)碼頭各墩臺鋼管樁保護面積計算結果和選取的保護電流密度，鋼管樁各腐蝕區(qū)所需的保護電流計算結果見表3。

表1 碼頭各墩臺鋼管樁保護面積m2

表2 鋼管樁各腐蝕區(qū)保護電流密度

表3 各墩臺鋼管樁保護電流A

2.5 犧牲陽極選用及數(shù)量

鋁合金犧牲陽極由于具有密度小、電容量大、在氯離子介質(zhì)中陽極性能良好、原料豐富、制造工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，在保護鋼質(zhì)海洋結構時被廣泛采用。常見的鋁合金犧牲陽極有許多種，本工程設計選用鋁-鋅-銦-鎂-鈦合金犧牲陽極，此種陽極與其他品種陽極相比具有電容量、電流效率高，消耗率低等特點。鋁合金陽極的化學成份、電化學性能以及制作技術符合現(xiàn)行國家標準[2]有關規(guī)定。2號引橋墩使用A型犧牲陽極尺寸為（280+320）mm×1 100 mm×300 mm，單只陽極質(zhì)量268 kg，共13只；其他墩臺使用B型犧牲陽極尺寸為（220+260） mm×1 000 mm×240 mm，單只陽極質(zhì)量158 kg，共450只。

3 犧牲陽極陰極保護的實施

3.1 鋼管樁電性連接

由于每根鋼樁的狀態(tài)不盡一致，為保證犧牲陽極的使用壽命一致和保護電位的均勻，整體得到一致的良好保護，各墩臺鋼管樁用鋼筋電連接形成一個保護整體，電連接是在墩臺混凝土澆注前通過樁芯混凝土中鋼筋與樁內(nèi)表面焊接，樁芯混凝土中鋼筋再與墩臺底層結構鋼筋焊接連接而成。

3.2 犧牲陽極的水下焊接安裝

犧牲陽極安裝質(zhì)量的好壞，直接影響到陽極的發(fā)生電流量、溶解性能、使用壽命和使用效果。水下焊接安裝工藝具有連接電阻小、工藝簡單、牢固可靠等優(yōu)點。水下焊接分濕式焊接法和干式焊接法兩種。濕式焊接法具有施工容易，成本低廉等特點，但由于在作業(yè)過程中高溫熔池會使水分離出大量的氫原子，焊縫中擴散氫的含量為陸地焊條焊接時的好幾倍；同時，由于熔池在水中的冷卻速度太快，很容易造成淬硬，因此，這種濕式焊接法存在焊接接頭塑性和韌性很差，在焊縫和熱影響區(qū)容易出現(xiàn)高硬組織，內(nèi)應力集中，焊接質(zhì)量不高的缺陷，只能滿足結構要求不高的地方使用。而干式焊接法采用二氧化碳氣體作為排水氣體和保護氣體，使電弧在一個穩(wěn)定的、氧化性較強的氣室中燃燒，從而較大幅度地降低焊縫金屬的含氫量。焊接接頭質(zhì)量好，接頭質(zhì)量不低于母材，質(zhì)量有保證。

本工程鋼樁材質(zhì)為Q345-B，母材碳當量較高，為避免傷及母材，確保水下焊接質(zhì)量，犧牲陽極采用二氧化碳局部排水干法焊接工藝。

每塊犧牲陽極2個焊腳、4條焊縫，要求每條焊縫有效長度＞80 mm，焊縫高度＞5 mm，焊縫基本連續(xù)、寬度均勻、平整、無虛焊，焊接牢固可靠，并與鋼管樁有良好的電性連接。

在所有陽極安裝完畢后對焊縫進行水下電視檢查，抽檢數(shù)量為陽極總量的5%～10%。

3.3 保護效果檢測

為了保證和全面了解掌握鋼管樁的保護效果，除了對犧牲陽極材料質(zhì)量和對工程施工質(zhì)量進行全面有效的控制外，在本工程實施結束后測量每根鋼管樁的保護電位。所有鋼樁保護電位均在-1 043～-915 mV之間，平均保護電位-983 mV，均符合設計和規(guī)范的要求?？梢哉J為鋼管樁處于最佳保護狀態(tài)。

4 結語

從犧牲陽極保護施工中，鋼管樁保護系統(tǒng)水下檢查和電位測量結果表明：

1） 鋼管樁犧牲陽極保護的設計參數(shù)選擇和陽極布置是合理的；

2） 鋼管樁保護電位全部在設計和規(guī)范所要求的范圍內(nèi)，處于最佳保護狀態(tài)。

[1]JTJ230—89，海港工程鋼結構防腐蝕技術規(guī)定[S].

[2]GB/T 4948—2002，鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極[S].