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碼頭鋼管樁外加電流陰極保護系統(tǒng)設計及施工
碼頭鋼管樁外加電流陰極保護系統(tǒng)設計及施工
馬龍，張海軍，李偉祥
東方建設（天津）防腐工程有限公司 300457
摘要： 外加電流陰極保護作為控制鋼管樁腐蝕的一種電化學方法，能有效阻止碼頭鋼管樁表面的電化學腐蝕。在國內(nèi)，目前普遍選擇犧牲陽極法作為陰極保護方法，而在國外碼頭的防腐保護中，外加電流法已經(jīng)成為一種最常用的陰極保護方法。
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關鍵詞：外加電流；陰極保護；鋼管樁；腐蝕
1 引言
目前，鋼結(jié)構在海洋環(huán)境中的局部腐蝕速度遠大于平均腐蝕速度（約為平均腐蝕速度的5～10倍），這種局部腐蝕會造成結(jié)構物腐蝕穿孔或應力集中，成為碼頭結(jié)構物的安全隱患。外加電流陰極保護作為控制鋼管樁腐蝕的一種電化學方法，能有效阻止碼頭鋼管樁表面的電化學腐蝕。在國內(nèi)，目前普遍選擇犧牲陽極法作為陰極保護方法，而在國外碼頭的防腐保護中，外加電流法已經(jīng)成為一種最常用的陰極保護方法。
天津港北港池集裝箱碼頭三期工程位于天津港東疆港區(qū)。碼頭全長2300米，共38個結(jié)構段，為目前世界上最大的鋼樁結(jié)構碼頭工程。采用外加電流陰極保護系統(tǒng)對其鋼管樁進行陰極保護，系統(tǒng)的控制采用自動控制和手動控制相結(jié)合的方式，并配備了遙感遙控的功能和可視化軟件系統(tǒng)，使防腐工作從過去的粗放型管理一步躍進為可視化、數(shù)字化、遠程化，專
【】
業(yè)化的先進管理模式。1給業(yè)主提供了專業(yè)的防腐控制形式。本工程設計保護年限達到50年。
本工程為全世界最大的鋼管樁陰極保護系統(tǒng)工程。
2 外加電流陰極保護系統(tǒng)設計
2.1設計指標
針對天津港集裝箱碼頭鋼管樁存在水位變動區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥三個防腐區(qū)的實際情況，通過技術論證和經(jīng)濟比較，參照國內(nèi)外有關技術規(guī)范和大量成功的實際工程經(jīng)驗，確定對鋼管樁水位變動區(qū)和部分海水全浸區(qū)采用外加電流陰極保護與長壽命防腐涂層聯(lián)合保護，對鋼管樁海水全浸區(qū)和泥面以下15m部分長度裸露鋼管樁采用外加電流陰極保護。 根據(jù)工程整體設計原則，確定鋼管樁防腐保護的技術指標為：碼頭上浸入海水中的樁體進行為期50年的外加電流陰極保護。相對碼頭50年的使用壽命，做到同壽命保護。本工程陰極保護最大負電位（相對于Ag/AgCl參比電極，下同）控制在–1.10 V以下，避免涂層因析氫而導致電剝離損壞；本工程陰極保護最大負電位確定為–0.8 V。本防腐工程將通過對保護電位的嚴格監(jiān)控措施，杜絕保護電位超過保護范圍的現(xiàn)象。 *
馬龍（1981－）：2004年畢業(yè)于南京工業(yè)大學腐蝕與防護專業(yè)，現(xiàn)從事陰極保護行業(yè)工作，先后主持過多個碼頭橋梁防腐項目的設計和施工。 Email：malong1983@gmail.com.電話：022-66280861.
2.2 保護面積及電流計算
根據(jù)天津港北港池集裝箱碼頭所處的地理位置、介質(zhì)電阻率、海水流速、波高、碼頭結(jié)構形式和鋼管樁材質(zhì)、表面狀態(tài)、涂層種類、涂層厚度以及涂層使用壽命等實際情況，本工程鋼管樁各腐蝕區(qū)選擇和所需的保護電流計算結(jié)果見表1。
表1 鋼樁各區(qū)保護電流統(tǒng)計表 保護電流密度取值(mA/m2)
樁數(shù) 樁徑
根
m
25 水位變動區(qū) 面積 保護電流m2A
面積
m2
30 水中涂料區(qū)
保護電流
A
100 水中裸鋼區(qū)
20 泥下區(qū)
面積 面積 保護電流m2A m2A
1515.31344.7
53.1 8238.9A 53.1 8238.9B C
47.5 6341.51.21.047.1 6072.81.047.1 6072.8920.2433.6433.6D
E
49.7 6647.1F G
47.5 5715.71.21.250.5 4870.41.250.5 3214.73164
312.9362.6362.6
10450.0
H
H1
合計 總計
1769.8
2.3 主要設備選型及設計
通過計算本工程共需安裝MMO鈦管陽極
464個，尺寸為?25mm×1000mm，額定輸出電流
30A以上，輔助陽極與水中電纜套管應具有良好的絕緣密封性能，本工程采用一體式產(chǎn)品，對陽極頭采取了可靠的絕緣密封措施，確保接頭的長效防水，并對緊固件提供有效保護�？拷o助陽極的保護外殼、連接法蘭及其絕緣密封材料，應具備抗氯氣腐蝕性能。圖1 所示為本工程所有一體式陽極。
本系統(tǒng)我們共采用了29臺額定輸出電流450A的變壓整流器，同時考慮到變壓整流器柜所處的環(huán)境條件，其保護性外殼應能抵御海水飛濺、鹽霧、雨水、紫外線和海洋腐蝕介質(zhì)的侵蝕，測量
圖1 一體式陽極結(jié)構圖導線和儀器的連接點應做好相應的絕緣密封，其絕緣密封等級為IP65
【2】
。直流電源的布置應根據(jù)電源的
位置、碼頭的結(jié)構型式、平面布置條件、維護管理和經(jīng)濟因素綜合確定，本工程確定將直流電源分散布置在碼頭后沿后澆托架上，如圖2所示。
根據(jù)設計原則要求，每臺直流電源需配置3個參比電極，本工程外加電流陰極保護系統(tǒng)共須安裝87個永久性銀/氯化銀參比電極。其安裝如圖
3 圖4 所示
圖2 變壓整流器控制柜安裝示意圖 圖3 輔助陽極參比電極布置示意圖
圖4 輔助陽極和參比電極安裝示意圖
2.4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)
以前的外加電流陰極保護系統(tǒng)，由于變壓整流器控制柜（恒電位儀）的質(zhì)量不穩(wěn)定，自控能力低，需要專人時時維護和管理。上述原因造成了該保護法后期管理的難度，因而隨著犧牲陽極材料質(zhì)量的提高，逐漸在工程中采用了犧牲陽極保護法。但近年來，隨著材料技術的發(fā)展（混合金屬氧化物涂敷鈦質(zhì)，使用壽命50年），電子技術的發(fā)展和PLC控制模塊的廣泛應用，外加電流陰極保護法的變壓整流器控制柜的電氣元件質(zhì)量越來越穩(wěn)定，自動能力
【3】
強；并且隨著通訊技術的發(fā)展，做到了遠距離監(jiān)控和遠程編程。
外加電流陰極保護系統(tǒng)的監(jiān)控設備可采用恒電位儀、控制板或控制臺。根據(jù)平面布置和維護管理條件，可采用控制室集中控制，也可分散布置于工程結(jié)構的相應位置上。對本工程監(jiān)控設備的要求如下：
①監(jiān)控設備應能適應所處的環(huán)境條件，當采用戶外分散布置時，其保護性外殼應能抵御
海水飛濺、鹽霧、雨水、紫外線和海洋腐蝕介質(zhì)的侵蝕，測量導線和儀器的連接點應做好相應的絕緣密封，其絕緣密封等級為IP65。
②監(jiān)控設備應具有測量、調(diào)節(jié)并顯示鋼結(jié)構自然腐蝕電位、保護電位、電源設備的輸出電流和輸出電壓的功能。
③監(jiān)控設備應設有手動檢測接線端子和備用參比電極接線端子，以便對儀器儀表、測量線路、參比電極的使用狀態(tài)進行校核。
④監(jiān)控系統(tǒng)應具備數(shù)據(jù)采集、遠程信號發(fā)射、接收功能，能對保護系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。
3 外加電流陰極保護系統(tǒng)的施工
本工程位于天津港東疆港區(qū)，主要的施工工序（水下安裝設備、水上電纜橋架安裝、套管固定、電纜敷設等）均要在碼頭下方進行，施工時受海浪、潮汐影響較大施工難度高。
并提高的重點環(huán)節(jié)的質(zhì)量因此在制定施工工藝及工藝流程時對環(huán)境情況進行了充分的考慮，
要求，以確保系統(tǒng)的正常施工、運行。
外加電流陰極保護系統(tǒng)工程包括：鋼樁電性連接、陽極（參比電極）安裝，負極連接施工，電纜鋪設，變壓整流器安裝調(diào)試，系統(tǒng)試運行，系統(tǒng)驗收，日常維護等工序。本工程的施工工藝流程圖5所示：
圖5 施工工藝流程圖
保證電流分布均勻及排除雜散電流干擾，所有鋼管樁與混凝土內(nèi)的鋼筋均需保證電連接成一個整體。采用φ14鋼筋連接，另外所有暴露在大氣中的電性連接材料都要進行防腐處理。
輔助陽極和參比電極通過鋼樁上的遠離式托架附在鋼樁上（見圖6）。陽極（參比電極）頂部位于低水位（+0.5m）以下至少2米的位置，這樣陽極（參比電極）在任何時候都保持
淹沒在海水中。鋼樁托架有上下兩層，每層托架都設有電性連接螺絲，從而達到鋼樁托架的外加電流保護。另外為了保證陽極托架的固定可靠，可以在安裝后使用水下電焊將托架與鋼樁焊接。在安裝陽極組件時，應注意不要損壞陽極表面，以及電纜的絕緣外皮。冬季施工要注意防冰凌。
根據(jù)外加電流陰極保護的工作原理，為保證此項工程順利、有效、安全的進行，該部分工程在現(xiàn)場提供一個系統(tǒng)的工作面后進行。這樣可以保證施工期間的船舶機械作業(yè)及電焊不會影響系統(tǒng)安裝及調(diào)試。同時根據(jù)鋼樁的腐蝕原理在這段期間內(nèi)鋼樁的腐蝕是可以忽略的。
陰極匯流點同鋼樁焊接，焊接要求雙面焊。焊接完應對焊口進行防腐處理（涂刷環(huán)氧樹脂）。
電纜接頭處由專業(yè)電工進行操作，并填充環(huán)氧樹脂密封。 圖6 輔助陽極安裝圖
4 系統(tǒng)調(diào)試
第五系統(tǒng)位于集裝箱碼頭三期的49～60 排架，共有鋼管樁108 根。系統(tǒng)的安裝工作在2007 年1 月18 日安裝完畢，并經(jīng)過驗收合格。在公司內(nèi)部建立了遠程控制系統(tǒng)的服務器，并對鋼管樁的原始電位進行了測量。在確保系統(tǒng)安裝正確的情況下我方開始了調(diào)試工作。TCT3 第五系統(tǒng)于2007 年1 月31 號和2 月1 號進行調(diào)試，經(jīng)過兩天的現(xiàn)場調(diào)試和遠程監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試，到2 月1 號，變壓整流器的輸出電流為：106A，輸出電壓為：5.07V，三個永久參比電極（Ag/AgCl）測出的保護電位均達到設計要求（-800mV~-1100mV）。調(diào)試結(jié)果如圖7所示
圖7 電位時間曲線圖
5 結(jié)語
系統(tǒng)的控制采用自動控制和手動控制相結(jié)合的方式，并配備了遙感遙控的功能和可視化軟件系統(tǒng)，使防腐工作從過去的粗放型管理一步躍進為可視化、數(shù)字化、遠程化，專業(yè)化的先進管理模式；
通常碼頭鋼樁采取犧牲陽極陰極保護一般設計壽命為30年，而目前碼頭的整體設計壽命達50年或更長。外加電流陰極保護設計壽命一次能達50年，和碼頭整體結(jié)構壽命設計保持
了一致；
水下輔助陽極、參比電極采用東方建設防腐公司的專用技術進行二次密封，保證其設計使用壽命。
參考文獻：
[1] 胡士信, 陰極保護工程手冊, 化學工業(yè)出版社, 北京, 2003年10月. [2] 任元會，工業(yè)與民用配電設計手冊，中國電力出版社，2005年10月
[3] 佟復夏，無線遙測靜態(tài)應變系統(tǒng)的研究，中國鐵道科學，2002年第4期
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