基于保護(hù)電流密度對(duì)鋼質(zhì)樁基犧牲陽極設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用研究

曹建群

（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663）

0 工程概況

該船廠3#碼頭工程在南沙龍穴島，位于珠江口的蕉門、虎門水道出口交界處，年平均氣溫21.9～22.8℃之間，潮汐系數(shù)為1.15，為不正規(guī)半日混合潮型，年平均潮差約為1.6m，最大潮差3.4m。該海域的含鹽量和pH值變化不大，多年的平均鹽度約29.5‰，pH值約7.8，電導(dǎo)率為25.cm。該碼頭樁基采用雙面埋弧焊螺旋焊鋼管樁（聚脲噴涂防腐），鋼號(hào)Q235B（SY/T 5040-2000），主要化學(xué)成分為：C(0.18%）、Si（0.20%）、Mn(0.62%）、P（0.015%）、S（0.005%）。碼頭排架樁基共用Φ508×12mm鋼管樁149根，長度38m；靠船簇樁共用Φ508×12mm鋼管樁40根，Φ813×14mm鋼管樁37根，長度38m。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

該碼頭樁基采用犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，基于陽極安裝費(fèi)用最低的原則，設(shè)計(jì)其所需的陽極數(shù)量并確定其保護(hù)系統(tǒng)的使用壽命[1-3]。保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為30年，保護(hù)范圍為鋼管樁水位變動(dòng)區(qū)最高位以下部分，在有效保護(hù)期間內(nèi)，保護(hù)電位值如表1所示。

表1 鋼管樁的保護(hù)電位值

2 犧牲陽極保護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 保護(hù)電流密度和犧牲陽極材料的選取

保護(hù)電流密度為從恒定在保護(hù)電位范圍內(nèi)某一單位的電極表面上流入或流出的電流密度[4-6]，根據(jù)該碼頭工程管道樁所處的地理位置、介質(zhì)條件、樁基材質(zhì)、防腐層、碼頭結(jié)構(gòu)等情況，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)資料，鋼管樁各腐蝕區(qū)選擇的保護(hù)電流密度如表2所示，其涂層破損系數(shù)為2（初期值），初期保護(hù)電流密度應(yīng)在表2的基礎(chǔ)上乘以涂層破損系數(shù)。

表2 保護(hù)電流密度

本工程犧牲陽極采用鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，梯形截面尺寸為（220+240）×230，長900mm，鐵芯直徑為Φ60mm，單只陽極質(zhì)量為122kg。根據(jù)陽極半徑：

其陽極與所處電解質(zhì)間的電阻等于電解質(zhì)電阻率乘以陽極形狀因數(shù)， 其計(jì)算公式為：

式中：R為陽極的接水電阻（Ω）；ρ為電解質(zhì)電阻率（Ω.cm）；k取0.159 ；L為陽極長度（cm）；

R為陽極半徑（c m），截面不是圓形，

通過計(jì)算陽極的接水電阻為0.097Ω，表3和表4是陽極的化學(xué)成分和電化學(xué)性能。

表3 化學(xué)成分

表4 電化學(xué)性能

2.2 保護(hù)面積與所需保護(hù)電流的計(jì)算

該碼頭鋼管樁泥中區(qū)：平臺(tái)排架區(qū)為22.725米，靠船簇樁區(qū)19米。海域平均高潮位2.3m，平均低潮位1.1m，水位變動(dòng)區(qū)長度從平均高潮位到平均低潮位，水中區(qū)長度從平均低潮位到泥面，泥中區(qū)長度為泥面到樁尖。所需保護(hù)電流I保護(hù)電流=S保護(hù)面積×I保護(hù)電流密度，鋼管樁保護(hù)面積與所需保護(hù)電流（初期、維持、末期）計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 保護(hù)面積與所需保護(hù)電流（初期、維持、末期）

2.3 所需總保護(hù)電流的計(jì)算

初期保護(hù)總電流：

維持保護(hù)總電流：

末期保護(hù)總電流：

計(jì)算得：

2.4 犧牲陽極發(fā)生電流量和數(shù)量的計(jì)算[7-9]

為了滿足維持期間電流密度的要求，確定在30a設(shè)計(jì)壽命內(nèi)被保護(hù)構(gòu)筑物所：

需陽極數(shù)量：

最后，需計(jì)算滿足末期所需陽極數(shù)量，除了使用消耗后的陽極尺寸外，采用與初期電流需求類似的方法，可得：

末期所需陽極數(shù)量為：

經(jīng)核算，初期電流計(jì)算結(jié)果需要526支，維持電流計(jì)算結(jié)果需要576支，末期電流計(jì)算結(jié)果需要340支，對(duì)于該項(xiàng)目，比較合適的安裝數(shù)量為601支。

3 使用壽命的核算

犧牲陽極使用壽命的計(jì)算公式：

式中：t為犧牲陽極的有效使用壽命（a）；Wi為單個(gè)犧牲陽極的凈重（122kg）；1/K為利用系數(shù)，取0.85；q為陽極實(shí)際電容量，取2600A*h/kg；Im為設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)每個(gè)陽極的平均發(fā)生電流，取0.55Ia初，A。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），使用壽命核算得平臺(tái)排架使用壽命為32.33年、125T靠船簇樁使用壽命為103.24年、70T靠船簇樁使用壽命為123.55年、西側(cè)端部靠船簇樁使用壽命為442.48年，均滿足本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)使用壽命要求。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果及陽極布置

該鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極現(xiàn)場安裝需601支，結(jié)合施工等現(xiàn)場因素，設(shè)計(jì)需630支。平臺(tái)每根樁基安裝3支犧牲陽極，靠船簇樁每根樁基安裝2支犧牲陽極，陽極上端焊腳距離設(shè)計(jì)低水位≥1.5m，陽極下端焊腳距離泥面≥2m，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

（1）該犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行10天后，利用便攜式銅/飽和硫酸銅參比電極和萬用表對(duì)該碼頭鋼管樁的保護(hù)電位進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表6所示，其保護(hù)電位均在-915～-995mV，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和本設(shè)計(jì)要求，且數(shù)據(jù)較為集中，鋼管樁可以得到良好的保護(hù)；

表6 保護(hù)電位測量結(jié)果（-mV）

（2）犧牲陽極參數(shù)選擇合理，設(shè)計(jì)思路可供廣東地區(qū)海域鋼制碼頭、儲(chǔ)罐罐底的設(shè)計(jì)人員參考和借鑒；

（3）系統(tǒng)運(yùn)行期間，應(yīng)每隔半年測量一次鋼管樁的保護(hù)電位，每周檢測水下陽極塊的消耗情況和焊腳表面狀況。在末期時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加電位測量次數(shù)。