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武鋼碼頭鋼管樁陰極保護
發布時間：2020-07-02 瀏覽次數：4597次
武鋼碼頭鋼管樁陰極保護
李家全，葛鵬，熊述波，李曉瑞，黃新豪，周學杰，童凱，李志，陳曉軍
(1．武鋼工業港；2．武漢材料保護研究所3．武漢科特科技有限責任公司)
摘 要：武鋼工業港8、9號碼頭為高樁棧橋鋼材外發碼頭，碼頭棧橋A、B排鋼管樁下段長期浸泡在江水中，銹蝕嚴重，將危及碼頭安全使用。為了減緩鋼管樁的腐蝕，對其施以外加電流的陰極保護措施，從而延緩鋼管樁表面的腐蝕速度，延長碼頭鋼管樁使用壽命。
關鍵詞：鋼管樁；腐蝕；陰極保護
武鋼工業港地處長江中游南岸，其8、9號鋼管樁碼頭為武鋼貨物重要的進出基地，經多年使用，鋼管樁腐蝕嚴重，可見明顯的蝕坑，尤其是長期浸泡在水中部分，由于條件限制，多年來一直沒有維修給予保護。未加保護的港灣設施，長期浸泡在水中會遭受嚴重的腐蝕。一般平均腐蝕率為0．1～0．4 mm/a，點蝕腐蝕率可為0.5 mm／a。因此，為確保碼頭能長期正常運行，安全使用，必須對其進行防腐。
1 防腐方案的選擇
1.1 碼頭的基本情況
工業港8、9號碼頭建設于1985年，為高樁棧式橋鋼材出口外發碼頭，年出口外發鋼材200萬t以上，是體現武鋼經濟效益的最后關鍵工序。碼頭棧橋A排直立式鋼管樁全長58.0m，鋼管樁從岸坡0m(吳淞標高)的地表打人地下，穿過泥土和鵝卵石層后深入-23m的巖石層，0～11.8m(設計低水位)標高段長期浸泡在江水中，l1.8～27.8 m標高段為江水漲落間浸區，27.8m以上至棧橋梁底露在空中；鋼管樁基本情況見表1和圖1。
使用幾年后，鋼管樁表面出現較為嚴重腐蝕，在冬天枯水期，可見近水面段鋼管樁表面附著貝殼類水生物，鏟去貝殼類水生物，可見鋼管樁表面因嚴重腐蝕而呈現魚鱗狀銹皮塊，敲掉魚鱗狀銹皮塊可見明顯銹蝕坑，因此，鋼管樁在水中和泥土中的銹蝕問題顯然是不可忽視的；低水位以上部分鋼管樁表面每隔5～8年就進行一次除銹刷漆防腐，使鋼管樁表面處于受控保護狀態，但是，水下和地下泥土中部分就處于無保護自然腐蝕狀態；另外，碼頭作業船舶靠、離時，經常磨擦碰撞鋼管樁，從而加速鋼管樁表面的腐蝕速度。若這樣任其下去，將嚴重影響碼頭鋼管樁的使用壽命并危急碼頭生產安全作業。長江淡水雖然沒有海水腐蝕性強，但是對鋼管樁的腐蝕仍然是不可忽視的，碼頭區長江水質氯離子濃度平均為10× ，同時含有硫酸根離子、碳酸根離子，pH為7.5；所以對8、9號碼頭鋼樁水下和地下部分采取措施進行防腐保護是非常必要的。
1.2 防腐方案確定
在淡水和海水中的金屬防腐，采取陰極保護是被國內外廣泛采用的成熟方法，陰極保護就是對介質中被保護金屬施加陰極電流，使它產生陰極極化，從而降低或阻止它的腐蝕速度。國內外資料證明 即使采用優質涂料，水下鋼結構也只能保證幾年不受到腐蝕破壞，如果采用陰極保護，無論有無防腐涂層，也無論涂層質量如何，均可使其在設計保護期不遭到腐蝕破壞，大大延長其使用壽命，尤其是操作條件不允許使用涂層保護或不可能更換構件和維修涂層的固定式、永久性的大型鋼結構。
陰極保護方法分為犧牲陽極法和外加電流法，犧牲陽極法是靠電位較負的金屬為陽極，逐漸溶解犧牲掉；外加電流法就是利用外部電流來提供所需的保護電流，被保護的金屬作為陰極，外加輔以陽極，兩者都有優缺點，見表2。
因此對于淡水中的陰極保護，由于淡水電阻率較高，采用犧牲陽極陰極保護，犧牲陽極輸出電流小，保護范圍小，需要陽極數量多，且要求水下焊接，材料和施工費用較高，因此一般不采用，而多選用外加電流的陰極保護。在水工、港工鋼結構物的防腐方面，陰極保護技術最早的應用是美國陸軍工程兵團，20世紀50年代初期在密西西比河的梯形開發時，在一系列船閘、水閘的鋼閘門上首次運用外加電流陰極保護，1952年澳大利亞、日本也在碼頭鋼管樁上推廣應用。我國1965年首先在渾河水閘上試用了陰極保護技術。接著先后在三河節制閘、射陽河擋潮閘、上海石化廠油碼頭、上海石洞口電廠煤碼頭、烏溪江水電站引水鋼管等推廣應用外加電流陰極保護，使用效果較好。
對于武鋼碼頭鋼管樁經濟實用的防腐方案如下。
大氣區：采用涂料防腐方案
長期水下和泥土部分：采用外加電流陰極保護
對水位變化間浸區：采用涂料加外加電流陰極保護防腐方案
涂料加陰極保護即可大幅降低陰極保護費用，同時可延長涂料的使用壽命；對于水位變化間浸區，在長江低水位期鋼管樁表面采取手工機械除銹，涂刷防腐涂料，防腐涂料選用耐蝕耐水耐酸堿耐磨的環氧改性玻璃鱗片涂料，二底二中二面配套防腐體系。
2 陰極保護
2.1 陰極保護設計
(1)保護電位
最小保護電位為－0.85 V(相對Cil／CuSO4參比電極，下同)，最大保護電位為－1.5 V。
(2)保護電流密度
水中有涂層保護電流密度
水中無涂層保護電流密度
泥土以下保護電流密度
(3)設計有效保護年限為20年。
(4)總的保護面積S=8934 。
(5)總的保護電流強度I=272.75(A)。
(6)長江水電阻率為2000～5000 /cm。
(7)輔助陽極：選用高硅鑄鐵陽極，尺寸 ，質量50 kg，最大發生電流8A/只。
(8)陽極數量：高硅鑄鐵陽極50套，單只陽極發生電流為5.5A/只。
(9)儀器設備的確定
按設計計算，武鋼碼頭陰極保護站恒電位儀的正常工作輸出，總輸出電流約300 A，考慮碼頭B墩和C墩可能消耗一部分電流，故選擇最大輸出100A/100V的PS - l自動控制恒電位儀4臺。
（10)參比電極：長江為淡水介質，參比電極選用鉑金電極，使用壽命20年，共4只。
(11)8、9號碼頭各設計l套陰極保護站，為了便于管理，將恒電位儀設置在一個陰極保護間。
2.2 陰極保護施工安裝
陰極保護工程施工安裝示意圖見圖2(一個碼頭)。
(1)輔助陽極的布置與安裝。該工程于2003年底開工，利用冬季枯水期，在A、B排樁之間的岸邊挖坑埋設陽極地床，地床距A墩鋼管樁20～25 m處，輔助陽極埋設深度在最低水位線以下，按保護面積均勻布置，陽極周圍添加焦炭；每個碼頭25只輔助陽極用電纜并入接線盒中，由陽極主電纜引入陰極保護問，與恒電位儀連接。
(2)參比電極安裝。參比電極安裝在最低水位線以下，固定在鋼管樁旁，每個碼頭安裝2支。
(3)通電點位置。通電點設置在4組鋼管樁4個部位，在水面以上，零位線選擇在靠船樁通電點附近，距通電點100～150mm。所有電纜引線均引入陰極保護問。
(4)陰極保護問 各碼頭陰極保護問安裝兩臺恒電位儀，其中1臺為手動、恒電流輸出，另1臺為自動，由參比電極控制電位輸出，兩臺儀器聯合使用。
(5)鋼管樁連接。由于鋼管樁是相互獨立的，為了保證陰極保護效果，鋼管樁之間用扁鋼或電纜通過焊接連接起來，相互之間保持良好的電性連接。
2.3 兩種保護方法經濟效益分析
采用犧牲陽極法，淡水中只能采用鎂合金陽極，規格為11kg，設計壽命20年，淡水電阻率較高，陽極輸出電流約為30Ma/支，由2.1節可知，碼頭需保護電流為272.75 A，則需鎂合金陽極數量為9092支，平均每根鋼管樁需焊接安裝95支，假定每只陽極安裝和材料費為600元，工程總費用為545.52萬元，平均每年費用27.273萬元。采用外加電流方法，主要設備材料為：恒電位儀4臺，電纜3000 m，輔助陽極50套，其他附件，材料加施工費用約為50萬元，設備正常工作，每年運行費大約為3萬元，平均每年費用為5.5萬元，大大低于犧牲陽極法。
因此，武鋼碼頭鋼管樁陰極保護采用外加電流法是經濟實用的。
2.4 陰極保護效果
陰極保護系統于2004年5月開始投入運行，設備控制保護電位在- 1.2～ - 1.5 V(相對Cu／Cu 參比電極)，設備工作參數和鋼管樁保護電位見表3、4。經一個月通電后，鋼管樁的保護電位已進入保護范圍，測得鋼管樁的保護電位在- 0.87～-1.46 V，均小于- 0.85 V的設計要求；陰極保護系統初始保護電流為170～188A，系統進入穩定工作后，工作電壓為50～60V，保護電流降到70～90 A，鋼管樁均達到保護要求。
3 結 語
長江淡水碼頭鋼管樁結構防腐可以采用陰極保護，鑒于長江水的實際情況，電阻率較大，犧牲陽極法不適用，宜采用外加電流法；輔助陽極采用高硅鑄鐵陽極，價格經濟；從保護電位可知，武鋼碼頭陰極保護系統施工安裝是成功的，達到設計要求，鋼管樁得到很好的保護，可以大大延長碼頭鋼管樁的使用壽命。
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