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武钢码头钢管桩阴极保护
发布时间：2020-07-02 浏览次数：4359次
武钢码头钢管桩阴极保护
李家全，葛鹏，熊述波，李晓瑞，黄新豪，周学杰，童凯，李志，陈晓军
(1．武钢工业港；2．武汉材料保护研究所3．武汉科特科技有限责任公司)
摘 要：武钢工业港8、9号码头为高桩栈桥钢材外发码头，码头栈桥A、B排钢管桩下段长期浸泡在江水中，锈蚀严重，将危及码头安全使用。为了减缓钢管桩的腐蚀，对其施以外加电流的阴极保护措施，从而延缓钢管桩表面的腐蚀速度，延长码头钢管桩使用寿命。
关键词：钢管桩；腐蚀；阴极保护
武钢工业港地处长江中游南岸，其8、9号钢管桩码头为武钢货物重要的进出基地，经多年使用，钢管桩腐蚀严重，可见明显的蚀坑，尤其是长期浸泡在水中部分，由于条件限制，多年来一直没有维修给予保护。未加保护的港湾设施，长期浸泡在水中会遭受严重的腐蚀。一般平均腐蚀率为0．1～0．4 mm/a，点蚀腐蚀率可为0.5 mm／a。因此，为确保码头能长期正常运行，安全使用，必须对其进行防腐。
1 防腐方案的选择
1.1 码头的基本情况
工业港8、9号码头建设于1985年，为高桩栈式桥钢材出口外发码头，年出口外发钢材200万t以上，是体现武钢经济效益的最后关键工序。码头栈桥A排直立式钢管桩全长58.0m，钢管桩从岸坡0m(吴淞标高)的地表打人地下，穿过泥土和鹅卵石层后深入-23m的岩石层，0～11.8m(设计低水位)标高段长期浸泡在江水中，l1.8～27.8 m标高段为江水涨落间浸区，27.8m以上至栈桥梁底露在空中；钢管桩基本情况见表1和图1。
使用几年后，钢管桩表面出现较为严重腐蚀，在冬天枯水期，可见近水面段钢管桩表面附着贝壳类水生物，铲去贝壳类水生物，可见钢管桩表面因严重腐蚀而呈现鱼鳞状锈皮块，敲掉鱼鳞状锈皮块可见明显锈蚀坑，因此，钢管桩在水中和泥土中的锈蚀问题显然是不可忽视的；低水位以上部分钢管桩表面每隔5～8年就进行一次除锈刷漆防腐，使钢管桩表面处于受控保护状态，但是，水下和地下泥土中部分就处于无保护自然腐蚀状态；另外，码头作业船舶靠、离时，经常磨擦碰撞钢管桩，从而加速钢管桩表面的腐蚀速度。若这样任其下去，将严重影响码头钢管桩的使用寿命并危急码头生产安全作业。长江淡水虽然没有海水腐蚀性强，但是对钢管桩的腐蚀仍然是不可忽视的，码头区长江水质氯离子浓度平均为10× ，同时含有硫酸根离子、碳酸根离子，pH为7.5；所以对8、9号码头钢桩水下和地下部分采取措施进行防腐保护是非常必要的。
1.2 防腐方案确定
在淡水和海水中的金属防腐，采取阴极保护是被国内外广泛采用的成熟方法，阴极保护就是对介质中被保护金属施加阴极电流，使它产生阴极极化，从而降低或阻止它的腐蚀速度。国内外资料证明 即使采用优质涂料，水下钢结构也只能保证几年不受到腐蚀破坏，如果采用阴极保护，无论有无防腐涂层，也无论涂层质量如何，均可使其在设计保护期不遭到腐蚀破坏，大大延长其使用寿命，尤其是操作条件不允许使用涂层保护或不可能更换构件和维修涂层的固定式、永久性的大型钢结构。
阴极保护方法分为牺牲阳极法和外加电流法，牺牲阳极法是靠电位较负的金属为阳极，逐渐溶解牺牲掉；外加电流法就是利用外部电流来提供所需的保护电流，被保护的金属作为阴极，外加辅以阳极，两者都有优缺点，见表2。
因此对于淡水中的阴极保护，由于淡水电阻率较高，采用牺牲阳极阴极保护，牺牲阳极输出电流小，保护范围小，需要阳极数量多，且要求水下焊接，材料和施工费用较高，因此一般不采用，而多选用外加电流的阴极保护。在水工、港工钢结构物的防腐方面，阴极保护技术最早的应用是美国陆军工程兵团，20世纪50年代初期在密西西比河的梯形开发时，在一系列船闸、水闸的钢闸门上首次运用外加电流阴极保护，1952年澳大利亚、日本也在码头钢管桩上推广应用。我国1965年首先在浑河水闸上试用了阴极保护技术。接着先后在三河节制闸、射阳河挡潮闸、上海石化厂油码头、上海石洞口电厂煤码头、乌溪江水电站引水钢管等推广应用外加电流阴极保护，使用效果较好。
对于武钢码头钢管桩经济实用的防腐方案如下。
大气区：采用涂料防腐方案
长期水下和泥土部分：采用外加电流阴极保护
对水位变化间浸区：采用涂料加外加电流阴极保护防腐方案
涂料加阴极保护即可大幅降低阴极保护费用，同时可延长涂料的使用寿命；对于水位变化间浸区，在长江低水位期钢管桩表面采取手工机械除锈，涂刷防腐涂料，防腐涂料选用耐蚀耐水耐酸碱耐磨的环氧改性玻璃鳞片涂料，二底二中二面配套防腐体系。
2 阴极保护
2.1 阴极保护设计
(1)保护电位
最小保护电位为－0.85 V(相对Cil／CuSO4参比电极，下同)，最大保护电位为－1.5 V。
(2)保护电流密度
水中有涂层保护电流密度
水中无涂层保护电流密度
泥土以下保护电流密度
(3)设计有效保护年限为20年。
(4)总的保护面积S=8934 。
(5)总的保护电流强度I=272.75(A)。
(6)长江水电阻率为2000～5000 /cm。
(7)辅助阳极：选用高硅铸铁阳极，尺寸 ，质量50 kg，最大发生电流8A/只。
(8)阳极数量：高硅铸铁阳极50套，单只阳极发生电流为5.5A/只。
(9)仪器设备的确定
按设计计算，武钢码头阴极保护站恒电位仪的正常工作输出，总输出电流约300 A，考虑码头B墩和C墩可能消耗一部分电流，故选择最大输出100A/100V的PS - l自动控制恒电位仪4台。
（10)参比电极：长江为淡水介质，参比电极选用铂金电极，使用寿命20年，共4只。
(11)8、9号码头各设计l套阴极保护站，为了便于管理，将恒电位仪设置在一个阴极保护间。
2.2 阴极保护施工安装
阴极保护工程施工安装示意图见图2(一个码头)。
(1)辅助阳极的布置与安装。该工程于2003年底开工，利用冬季枯水期，在A、B排桩之间的岸边挖坑埋设阳极地床，地床距A墩钢管桩20～25 m处，辅助阳极埋设深度在最低水位线以下，按保护面积均匀布置，阳极周围添加焦炭；每个码头25只辅助阳极用电缆并入接线盒中，由阳极主电缆引入阴极保护问，与恒电位仪连接。
(2)参比电极安装。参比电极安装在最低水位线以下，固定在钢管桩旁，每个码头安装2支。
(3)通电点位置。通电点设置在4组钢管桩4个部位，在水面以上，零位线选择在靠船桩通电点附近，距通电点100～150mm。所有电缆引线均引入阴极保护问。
(4)阴极保护问 各码头阴极保护问安装两台恒电位仪，其中1台为手动、恒电流输出，另1台为自动，由参比电极控制电位输出，两台仪器联合使用。
(5)钢管桩连接。由于钢管桩是相互独立的，为了保证阴极保护效果，钢管桩之间用扁钢或电缆通过焊接连接起来，相互之间保持良好的电性连接。
2.3 两种保护方法经济效益分析
采用牺牲阳极法，淡水中只能采用镁合金阳极，规格为11kg，设计寿命20年，淡水电阻率较高，阳极输出电流约为30Ma/支，由2.1节可知，码头需保护电流为272.75 A，则需镁合金阳极数量为9092支，平均每根钢管桩需焊接安装95支，假定每只阳极安装和材料费为600元，工程总费用为545.52万元，平均每年费用27.273万元。采用外加电流方法，主要设备材料为：恒电位仪4台，电缆3000 m，辅助阳极50套，其他附件，材料加施工费用约为50万元，设备正常工作，每年运行费大约为3万元，平均每年费用为5.5万元，大大低于牺牲阳极法。
因此，武钢码头钢管桩阴极保护采用外加电流法是经济实用的。
2.4 阴极保护效果
阴极保护系统于2004年5月开始投入运行，设备控制保护电位在- 1.2～ - 1.5 V(相对Cu／Cu 参比电极)，设备工作参数和钢管桩保护电位见表3、4。经一个月通电后，钢管桩的保护电位已进入保护范围，测得钢管桩的保护电位在- 0.87～-1.46 V，均小于- 0.85 V的设计要求；阴极保护系统初始保护电流为170～188A，系统进入稳定工作后，工作电压为50～60V，保护电流降到70～90 A，钢管桩均达到保护要求。
3 结 语
长江淡水码头钢管桩结构防腐可以采用阴极保护，鉴于长江水的实际情况，电阻率较大，牺牲阳极法不适用，宜采用外加电流法；辅助阳极采用高硅铸铁阳极，价格经济；从保护电位可知，武钢码头阴极保护系统施工安装是成功的，达到设计要求，钢管桩得到很好的保护，可以大大延长码头钢管桩的使用寿命。
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