東海大橋鋼管樁在役犧牲陽極性能分析及剩余壽命評定

程明山

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，青島 266071)

應(yīng)用技術(shù)

東海大橋鋼管樁在役犧牲陽極性能分析及剩余壽命評定

程明山

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，青島 266071)

通過對東海大橋鋼管樁在役犧牲陽極現(xiàn)場取樣，觀察其腐蝕形貌，系統(tǒng)分析陽極本體化學(xué)成分及其電化學(xué)性能，推算犧牲陽極的消耗量及剩余壽命。結(jié)果表明：受海水電阻率變化影響，不同橋墩處陽極表觀及溶解度差異較大；陽極化學(xué)成分、開路電位及工作電位仍滿足GB/T 4948-2002標(biāo)準(zhǔn)要求，但電流效率有所降低；根據(jù)陽極實際消耗率測算其使用壽命滿足33 a的設(shè)計要求。

鋼管樁;腐蝕產(chǎn)物;犧牲陽極;陰極保護(hù)

我國沿海地帶已建成多座以鋼管樁為基礎(chǔ)的跨海大橋和濱海碼頭，其鋼管樁長期浸泡在海水中。為延緩金屬結(jié)構(gòu)物在海洋環(huán)境中的腐蝕，鋼管樁水下區(qū)和泥下區(qū)通常采用鋁合金犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)。由于建管分離，加上大橋、碼頭養(yǎng)護(hù)單位的專業(yè)技術(shù)局限性，從陰極保護(hù)電位方面研究鋼管樁保護(hù)效果的文章較多，但關(guān)于在役犧牲陽極運(yùn)行狀況的文獻(xiàn)鮮有報道。

東海大橋鋼管樁潮差區(qū)段涂敷環(huán)氧重防腐蝕涂料，水下區(qū)段和泥下區(qū)段為裸管，鋼管樁水下區(qū)和泥下區(qū)采用高效鋁合金犧牲陽極保護(hù)，陰極保護(hù)設(shè)計壽命33 a[1]，目前已運(yùn)行了10 a左右。為準(zhǔn)確掌握大橋鋼管樁鋁合金陽極使用現(xiàn)狀，有針對性地對大橋鋼管樁在役犧牲陽極運(yùn)行狀況進(jìn)行了重點抽檢，即在有代表性的三根鋼管樁的水面附近、泥面附近各取下一塊鋁合金陽極，結(jié)合環(huán)境工況條件，系統(tǒng)地分析了鋁合金陽極在海洋環(huán)境中的腐蝕狀況及電化學(xué)特征，計算犧牲陽極實際消耗率，推算陽極剩余使用壽命，為類似項目防腐蝕設(shè)計時關(guān)鍵參數(shù)的選取提供參考，也為設(shè)計運(yùn)行百年的大橋鋼管樁的有效保護(hù)提供技術(shù)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 海水電導(dǎo)率測試

在大橋兩端及中間位置各選擇一個墩為取樣點，即PM130墩(蘆潮港側(cè))、PM355墩(主通航孔附近)、PM437墩(洋山港側(cè))，分別在高平潮、低平潮時，從取樣點附近海域取水樣。采用DDS-11A型電導(dǎo)率儀對水樣進(jìn)行分析，再將測得的電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成電阻率，結(jié)果見表1。

表1 東海大橋不同位置處海水的電阻率
Tab. 1 Resistivity of seawater at different positions of East China Sea bridge

位置取樣時間電導(dǎo)率/(×10-1S·cm-1)電阻率/(Ω·cm)電阻率平均值/(Ω·cm)PM130低平潮0.1855.559.0高平潮0.1662.5PM355低平潮0.2147.645.6高平潮0.2343.5PM437高平潮0.2737.038.5低平潮0.2540.0

從表1可以看到，東海大橋不同位置處海水的電阻率差異較大。洋山港側(cè)海水的電阻率較低，高平潮時為37.0 Ω·cm，低平潮時為40.0 Ω·cm，平均值為38.5 Ω·cm。蘆潮港側(cè)海水的電阻率較高，高平潮時為62.5 Ω·cm，低平潮時為55.5 Ω·cm，平均值為59.0 Ω·cm。主通航孔附近海水的電阻率介于洋山港側(cè)與蘆潮港側(cè)之間。同一測量點在高平潮與低平潮時海水電阻率差別不大，相差10%左右。

2 腐蝕狀態(tài)

在上述選定的PM130墩、PM355墩、PM437墩，每個墩挑選一根鋼管樁，在其水面附近和泥面附近采用水下切割的方法切取在役陽極各一塊，分別編號為PM130上、PM130下、PM355上、PM355下、PM437上、PM437下，觀察陽極的腐蝕形貌。

由圖1可以看到，陽極表面均覆蓋了一層灰白色腐蝕產(chǎn)物，如圖1(a)所示；在陽極棱角處還可見較多光亮半透明物質(zhì)，為結(jié)晶鹽；此外，陽極表面局部區(qū)域存在不同程度的海洋生物污損，主要是貝殼類海洋生物的殼體附著在陽極腐蝕產(chǎn)物層外表面。

(a) 陽極表面 (b) 結(jié)晶鹽 (c) 海洋生物沉積物圖1 未作任何處理時陽極的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of anodes without any treatment:(a) surface of anode; (b) crystalline salt and (c) fouling of marine life

將上述陽極在68%(體積分?jǐn)?shù))濃硝酸中浸泡9～10 min，再用水沖洗[2]，處理后陽極的腐蝕形貌見圖2。由圖2可以看到，經(jīng)過酸洗處理后，陽極表面的污損以及絕大部分腐蝕產(chǎn)物被去除， PM130上、PM130下及PM355上、PM355下4個陽極表面有較多腐蝕坑；PM437上、PM437下陽極表面腐蝕坑較少，表面比較平整；陽極端部鐵芯出現(xiàn)鐵銹，這是在酸洗過程中由于硝酸腐蝕導(dǎo)致的。

對陽極表面腐蝕坑進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可以看到，PM437上、PM437下陽極表面腐蝕坑的平均直徑約2.0 cm，深度約1.0 cm；PM130上陽極表面腐蝕坑的最大深度達(dá)4.5 cm，最大直徑達(dá)6.0 cm，局部溶解相對明顯；PM355陽極表面腐蝕坑的尺寸介于PM130、PM437陽極表面腐蝕坑的之間；同一墩臺處，水下區(qū)和近海泥區(qū)陽極腐蝕形貌差別也較小。

綜上可知：東海大橋的鋁合金陽極在運(yùn)行10 a后，表面覆蓋有一層腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物層厚度約為1 cm；各陽極表面均發(fā)生不同程度的溶解，出現(xiàn)腐蝕坑。其中，PM437上、PM437下陽極溶解較多，但表面溶解坑少，表面比較平整，腐蝕坑平均直徑約2.0 cm，深度約1.0 cm；PM355、PM130陽極溶解較輕，但局部溶解相對明顯，陽極表面腐蝕坑的最大深度達(dá)4.5 cm，最大直徑達(dá)6.0 cm。不同位置陽極消耗量與所處水域海水電阻率大小有關(guān)。

3 化學(xué)成分和電化學(xué)性能

3.1 化學(xué)成分

試驗材料選用PM355上陽極，在距離PM355上陽極梯形上表面5，10，15 cm處切取三片陽極試片，分別標(biāo)注為試片A、B、C。采用直讀光譜儀分析陽極的化學(xué)成分。

(a) PM355上 (b) PM355下 (c) PM130上

(d) PM130下 (e) PM437上 (f) PM437下圖2 酸洗后各陽極的腐蝕形貌Fig. 2 Corrosion morphology of anodes after acid pickling:(a) PM355 up; (b) PM355 down; (c) PM130 up; (d) PM130 down; (e)PM437 up and (f) PM437 down

表2 各陽極表面腐蝕坑的尺寸Tab. 2 Dimensions of corrosion pits on the surfaces of different anodes cm

從表3可以看出，運(yùn)行近10 a后，鋁合金陽極的化學(xué)成分依然滿足GB/T 4948-2002標(biāo)準(zhǔn)，沒有因基體內(nèi)不同部位的電化學(xué)活性不同而出現(xiàn)選擇性腐蝕的現(xiàn)象。

3.2 電化學(xué)性能

電化學(xué)性能測試在電化學(xué)工作站上采用加速試驗法并根據(jù)文獻(xiàn)[2]進(jìn)行，試驗周期為96 h，測試溶液為海水。測試時采用三電極體系，工作電極為試片A、B、C，輔助陰極為碳鋼圓筒，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。測試得到的電位均相對于SCE。選取第3天時的電位為工作電位，施加的電流密度為56 mA/cm2。試驗結(jié)束后，計算陽極試樣的實際電容量。根據(jù)式(1)計算在役鋁合金陽極的電流效率。

表3 鋁合金陽極不同位置處的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 3 Chemical composition at different positions of aluminum alloy anode (mass) %

式中：η為陽極的電流效率，%；Cr，Ct分別為陽極的實際電容量和理論電容量，A·h/kg。

3.2.1 開路電位及工作電位

從表4可以看到，陽極不同深度處試片的開路電位基本都不高于-1.10 V，工作電位在-1.06 V左右，差別較小，均滿足GB/T 4948-2002標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 鋁合金陽極不同位置處的開路電位和工作電位Tab. 4 The open circuit potential and operating potential at different positions of aluminum alloy anode V

3.2.2 電流效率

從表5可以看到，高效鋁合金犧牲陽極運(yùn)行近10 a后，陽極電流效率均勻、穩(wěn)定，電流效率絕大多數(shù)在86～87%，平均電流效率為86.7%，比標(biāo)準(zhǔn)要求的90%略低[3]。以上結(jié)果表明運(yùn)行近10 a，東海大橋鋼管樁鋁合金陽極的電流效率略有下降。

表5 鋁合金陽極不同位置處的電流效率
Tab. 5 The current efficiency at different positions of aluminum alloy anode

試片腐蝕質(zhì)量損失/g實際電容量/(A·h·kg-1)理論電容量/(A·h·kg-1)電流效率/%試片A-11.02952402.482857.8284.07試片A-20.97632534.252857.8288.68試片A-31.00392465.732857.8286.28試片B-10.99202496.322857.8287.35試片B-20.99852480.912857.8286.81試片B-30.98382519.082857.8288.15試片C-10.97532542.062857.8288.95試片C-20.98022530.462857.8288.55試片C-31.06522329.472857.8281.51

3.3 剩余壽命評估

將上述PM130上、PM130下、PM355上、PM355下、PM437上、PM437下6塊陽極酸洗處理，陽極表面污損以及絕大部分腐蝕產(chǎn)物被溶解掉后干燥，然后用電子秤稱取陽極剩余質(zhì)量，計算鋁陽極消耗量，以此推算陽極的剩余壽命。

東海大橋所用鋁合金陽極，其陽極利用系數(shù)按0.9考慮[4]，即當(dāng)陽極溶解消耗量達(dá)到鋁合金陽極最初質(zhì)量的90%時，陽極性能下降且不再穩(wěn)定，此時需要更換陽極。采用三墩臺鋁合金陽極在10 a內(nèi)的消耗量作為消耗率依據(jù)，假定陽極在未來的消耗速率與過去10 a的年消耗率保持相同，剩余壽命計算公式如下:

式中：T為犧牲陽極的剩余壽命，a；w0為犧牲陽極剩余有效質(zhì)量，kg；E為犧牲陽極年實際消耗率，kg·a-1；w1為犧牲陽極設(shè)計凈重，kg；μ為犧牲陽極的利用系數(shù),取0.9；w2為犧牲陽極消耗量，kg；t為犧牲陽極已使用年限，a。

4 剩余壽命的評估結(jié)果

從表6可以看到，鋁合金陽極出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量損失，洋山港側(cè)陽極的質(zhì)量損失較大，單支陽極的最大消耗量36.5 kg，年實際最大消耗率為4.13 kg/a；蘆潮港側(cè)陽極的質(zhì)量損失較小，單支陽極的最大消耗量20.8 kg，年實際最大消耗率為2.08 kg/a。各陽極剩余壽命差異較大，洋山港測PM437墩陽極剩余壽命在22.8～23.1 a，主通航孔附近PM355墩陽極的剩余壽命在34.5～39.5 a，蘆潮港側(cè)PM130墩陽極的剩余壽命在52.7～53.0 a。同一鋼管樁的水下區(qū)與近海泥區(qū)上下兩塊陽消耗量比較接近，陽極剩余使用壽命也相差不大。

表6 鋁合金陽極剩余壽命的評估結(jié)果
Tab. 6 The evaluation results of remaining life of aluminum alloy anodes

陽極單支陽極最大消耗量/kg已使用年限/a年實際消耗率/(kg·a-1)剩余有效質(zhì)量/kg剩余壽命/aPM437上36.18.834.0994.423.1PM437下36.58.834.1394.022.8PM355上27.09.003.00103.534.5PM355下23.99.002.70106.639.5PM130上20.810.002.08109.752.7PM130下20.710.002.07109.853.0

綜上所述，東海大橋不同區(qū)域鋼管樁上鋁合金陽極的消耗量及剩余壽命差別較大。除了泥面高程、流速、水溫差異等因素外，海水電阻率的變化是產(chǎn)生這種較大差別的主要原因。PM437墩靠近洋山港側(cè)，附近海水的平均電阻率為38.5 Ω·cm，海水相對偏咸，鋼管樁保護(hù)電位偏正，在陽極工作電位一定的情況下，陽極驅(qū)動電壓較大，而回路電阻小，陽極消耗快，使用壽命短；反之，PM130墩靠近蘆潮港大陸側(cè)，附近海水的平均電阻率為59.0 Ω·cm，是洋山港側(cè)海水的1.53倍，海水明顯偏淡，鋼管樁保護(hù)電位負(fù)，陽極驅(qū)動電壓小，而回路電阻大，陽極消耗慢，使用壽命較長。PM355墩位于大橋中間位置，附近海水的電阻率也介于兩者之間，其鋁合金陽極的剩余使用壽命也在兩者之間。

洋山港側(cè)陽極消耗最快，陽極的平均剩余壽命為23 a，加上已運(yùn)行8.83 a，故洋山港側(cè)陽極的使用壽命在32 a左右，接近設(shè)計使用壽命(33 a)，建議在接近設(shè)計使用壽命的幾個年份內(nèi)加強(qiáng)監(jiān)測，以確保洋山港側(cè)大橋鋼管樁在第一個設(shè)計周期內(nèi)的防腐蝕安全可靠運(yùn)行；主通航孔到蘆潮港側(cè)鋁陽極已使用了9～10 a，其陽極的剩余壽命34.5～53.0 a，所以主通航孔到蘆潮港側(cè)鋼管樁陽極的使用壽命大于設(shè)計使用壽命，可確保大橋鋼管樁在第一個設(shè)計周期內(nèi)防腐蝕安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場水樣分析，東海大橋橋址海水電阻率為37.0～62.5 Ω·cm，不同墩臺處海水電阻率差別較大，洋山港側(cè)的海水電阻率明顯小于蘆潮港側(cè)的，海水更咸一些；同一橋墩處高平潮和低平潮時海水電阻率變化不大。

(2) 鋁合金陽極運(yùn)行10 a后，表面均覆蓋一層灰白色腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物層厚度約為1 cm。不同墩臺處的陽極表觀及溶解程度差異較大，但同一鋼管樁上陽極表觀及溶解程度變化不大。

(3) 犧牲陽極運(yùn)行近10 a，陽極化學(xué)成分、開路電位及工作電位仍滿足GB/T 4948-2002標(biāo)準(zhǔn)，但陽極電流效率略有降低。

(4) 通過對三墩臺六塊高效鋁合金犧牲陽極分析計算，東海大橋鋼管樁犧牲陽極年實際消耗率為2.07～4.13 kg/a，陽極剩余壽命為22.8～53.0 a。其中洋山港側(cè)陽極的使用壽命基本接近33 a的設(shè)計使用壽命，而蘆潮港側(cè)陽極使用壽命大于設(shè)計使用壽命。洋山港側(cè)陽極消耗明顯快于蘆潮港側(cè)，主要原因與洋山港側(cè)海水電阻率較低，海水腐蝕性較強(qiáng)有關(guān)。

[1] 皇甫熹，劉小方. 東海大橋打入式樁基礎(chǔ)耐久性研究與應(yīng)用[J]. 世界橋梁，2004(增)：17-20.

[2] GB/T 17848-1999 犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法[S].

[3] JTS 153-3-2007 海洋工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[4] GB/T 4948-2002 鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極[S].

Performance Analysis and Residual Life Assesment of Existing Sacrificial Anodes for East China Sea Bridge Steel Piles

CHENG Ming-shan

(Sunrui Marine Environment Engineering Co., Ltd., Qingdao 266071, China)

On site sampling of sacrificial anodes in the East China Sea Bridge steel piles, the anodic corrosion morphology was observed, the chemical composition and electrochemical performance of the anodes were analyzed systematically, and the consumption of sacrificial anodes and the remaining life of the anodes were calculated. The results show that anodic appearance and solubility appear apparent differences at the different piers because the bridge water resistivity changes. Anode chemical composition, open circuit potential and operating potential still meet the requirement of GB/T 4948-2002 standard, but the current efficiency was reduced. According to the actual consumption rates of anodes, the service life of the anodes can meet the design requirements of 33 years.

steel pile; corrosion product; sacrificial anode; cathodic protection

2016-03-10

程明山(1967-)，高級工程師，碩士，從事腐蝕控制技術(shù)研究與應(yīng)用，13621860330，chengms@sunrui.net

10.11973/fsyfh-201612010

TG142.71

A

1005-748X(2016)12-0994-05