鋁基犧牲陽極在天津港海泥中的應用

管學鵬，張文鋒，楊太年

（1.天津港港務設施管理中心，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

隨著水運工程向專業化、大型化方向發展，鋼筋混凝土結構已不能完全滿足現代碼頭結構荷載和水深的要求。而水工鋼結構由于其優越的性能，近年來已在現代碼頭建設中得到廣泛應用。鋼結構具有優良的物理、機械及施工性能，然而其存在一個極大的弊端，即耐腐蝕性能差且損壞后維修比較困難。因此，實際使用中必須對鋼結構進行防腐處理，否則鋼結構的安全性、耐久性將受到嚴重影響，并給碼頭結構帶來極大的安全隱患。如福建某設計使用年限25 a的碼頭由于未對鋼結構進行必要的防腐保護，導致該碼頭僅使用5 a即發生鋼管樁嚴重銹蝕甚至出現銹洞的現象。銹洞的產生將引起應力集中，嚴重削弱了碼頭鋼結構的承載能力。

近年來，隨著天津港向深水大港的方向大步邁進，鋼結構已成為天津港不可或缺的建筑材料。為有效保護這些鋼結構，犧牲陽極陰極保護系統已被天津港廣泛應用。據不完全統計，截止2008年，天津港共施打鋼管樁14 000余根，使用鋼材約26萬t，其中采用犧牲陽極保護的面積約為110余萬m2，犧牲陽極普遍采用Al-Zn-In-Mg-Ti系合金。

目前，天津港鋼結構的犧牲陽極陰極保護系統運行狀態基本良好。然而，由于天津港的回淤性特質，使得一些碼頭尤其是老碼頭的犧牲陽極被海泥不同程度掩埋，導致犧牲陽極陰極保護系統使用壽命和效果降低，從而影響整個碼頭結構的安全和使用壽命。這是目前天津港犧牲陽極陰極保護系統使用過程中亟待解決的問題。

1 天津港犧牲陽極陰極保護系統的狀況及問題的提出

2004年天津港的調查報告[1]顯示，港埠一公司碼頭的抽檢陽極塊體已全部被埋入泥中，只有陽極的焊腳仍露于泥面之上；南疆石化碼頭也有部分犧牲陽極被不同程度掩埋。2004年調查中，還對這些碼頭鋼結構周圍泥面標高和鋼結構的保護電位進行了檢測。表1～表3為2004年調查中各碼頭抽檢鋼管樁周圍的泥面標高及其保護電位。

表1 港埠一公司碼頭鋼板樁附近的泥面標高及其保護電位

表2 南疆石化碼頭10萬噸級碼頭2號靠船墩鋼管樁周圍的泥面標高及其保護電位

表3 南疆石化碼頭15萬噸級碼頭1號系船墩鋼管樁周圍的泥面標高及其保護電位

從表1～表3中可以看出，隨著鋼結構附近整體泥面標高的提高，陰極保護電位整體正移，即陰極保護效果下降。一方面，泥面提高使得鋼結構所處電解質環境的淤泥增加，電阻率變大；另一方面，犧牲陽極被掩埋后，表面活性溶解點減少。上述兩個原因將導致犧牲陽極工作效率下降，使陰極保護整體效果下降。

對于泥面較低的鋼結構，陰極保護系統的保護效果較好。如10萬噸級碼頭2號靠船墩鋼管樁的保護電位均處在-900～-1 000 mV的最佳保護電位范圍內，可見目前天津港普遍使用的Al-Zn-In系犧牲陽極具有良好使用性能。

然而，對于部分泥面較高的鋼結構，陰極保護系統的保護效果有所下降。如15萬噸級碼頭1號系船墩鋼管樁的保護電位大部分未處在最佳保護電位范圍內，但都負于阻止鋼鐵腐蝕的安全電位-800～-850 mV?？梢?，盡管部分犧牲陽極因淤泥的掩埋工作效率下降，然而由于結構的電連接性較好，其它工作效率較高的犧牲陽極仍能較好地補充上述損失，使整體結構仍處在陰極保護系統的保護之中，但這將加速未被掩埋陽極的消耗，使犧牲陽極難以達到設計使用年限。

由于鋼結構的犧牲陽極幾乎完全被掩埋，在相同的使用年限下，港埠一公司碼頭鋼結構保護電位都已正于保護電位，即陰極保護系統已完全失效；而另外兩個與其同期設計施工、保護指標相同的碼頭（南疆石化碼頭）卻仍處于陰極保護狀態中。

綜上可知，犧牲陽極被掩埋將導致犧牲陽極陰極保護系統使用壽命和效果降低。這是由于海泥不像海水介質化學成分均一且流動性好，使得在海水中使用良好的犧牲陽極在海泥中使用時性能嚴重下降[2]。而天津港現有疏浚方式多以傳統的耙吸、絞吸及新研究的抓吸疏浚方式為主，很難對碼頭結構下部的淤泥予以有效治理，因此亟需采用其它方法解決上述問題。研究表明，Al-Zn-In-Si系犧牲陽極在海泥中具有較好的使用性能[3]。鑒于上述原因，本文以犧牲陽極被掩埋最嚴重的天津港港埠一公司碼頭為研究對象，在海泥中采用Al-Zn-In-Si系犧牲陽極，并為陽極配置填包料，以期解決上述問題，并為在天津港海泥區中實施犧牲陽極陰極保護提供依據。

2 Al-Zn-In-Si系犧牲陽極在天津港海泥中的應用

2.1 工程概況

天津港港埠一公司碼頭全長760 m，其陰極保護分別于1992年和1993年分兩期完成，設計使用年限15 a。2004年對港埠一公司碼頭鋼板樁陰極保護系統的調查結果表明，陽極已全部被埋入泥中，只有陽極的焊腳仍露于泥面之上，陽極已達到保護年限末期，發生電流小于設計維持電流，大部分鋼板樁的保護電位已經正于-850 mV，也就是說，港埠一公司碼頭大多數鋼板樁處于保護不足狀態。因此需要重新設計和安裝犧牲陽極，恢復系統的保護功能。2005年底開始，天津港對港埠一公司碼頭鋼結構犧牲陽極陰極保護系統進行了更換，并于2007年底竣工。本次更換工程中，在天津港首次采用了上述Al-Zn-In-Si系犧牲陽極。

2.2 實施方案的確定與主要材料的選擇

陰極保護有兩種形式：犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。本工程的碼頭岸線較長，若采用外加電流陰極保護，需沿岸線配置多臺整流器及相關設備和材料。然而，因淤積鋼結構水中區的保護面積較小，并不需要如此多的整流器來供給保護電流，顯然采用外加電流陰極保護并不經濟。此外，由于淤積及該碼頭結構的復雜性，實施外加電流陰極保護難度較大。而犧牲陽極陰極保護由于其結構靈活、適應性強，可以較好地解決上述問題，不僅經濟，而且實施簡單。因此，選擇犧牲陽極陰極保護作為鋼結構的陰極保護形式。

由于泥面淤積嚴重，鋼結構在水中區的長度很小，無法直接安裝犧牲陽極，只能將犧牲陽極安裝于海泥之中。天津港屬于典型的淤泥質港口，灘面泥沙顆粒較細，中值粒徑約在0.005 mm，會發生絮凝作用，形成含水量高，密度低，具有高度蜂窩狀結構的淤積物。這種結構的淤泥具有較低的電阻率，為使用鋁基犧牲陽極提供了一定條件。鑒于上述實際情況和Al-Zn-In-Si在海泥中的良好使用效果以及合理的成本（Mg基、Zn基犧牲陽極成本較高），選擇Al-Zn-In-Si系合金作為本次更換工程使用的犧牲陽極。

為減少犧牲陽極與海泥之間的電阻，并使犧牲陽極均勻溶解，還借鑒了在土壤中埋設鎂基犧牲陽極時常用的方法，即在犧牲陽極外包覆填包料。填包料由70%石膏粉、25%膨潤土、5%硫酸鈉組成。用于海水中的犧牲陽極一般直接焊接在鋼結構上，未外包填包料。在被淤泥掩埋的情況下，陽極金屬的反應產物難以流動和擴散，而且會與淤泥結合緊密包裹在陽極表面，阻斷剩余金屬與海水的繼續反應，導致陽極失效。而本工程中使用的Al-Zn-In-Si系犧牲陽極系統則外包了填包料。一方面，填包料的存在有助于陽極腐蝕產物的擴散和分散，阻止表面生成高電阻腐蝕產物沉積層，促進陽極材料的均勻溶解消耗，從而保證陽極在淤泥環境中連續發揮作用，并推遲犧牲陽極可能發生逆轉的時間；另一方面，外包填包料可以降低陽極所處環境的電阻率，增大陽極發生電流的有效面積，提高陽極的使用效率。

此外，隨著時間的推移，淤泥淤積程度將會加深，淤泥密實度也隨之增大，使得鋁基陽極周圍環境發生變化，若犧牲陽極的使用年限超過了其發生逆轉現象所需的時間，可能會導致陽極發生逆轉現象而過早失效。因此，應盡量避免犧牲陽極使用年限過長。本次更換設計采用較短的使用壽命（5 a）。

綜合考慮工程的經濟性、科學性和可實施性，選擇犧牲陽極陰極保護作為陰極保護形式，采用設計使用年限較短的Al-Zn-In-Si系合金及外包填包料的實施措施是適宜的。

2.3 施工工藝

陽極安裝時，一般需采用9 m3空氣壓縮機在安裝陽極的位置吹出一個陽極坑，陽極坑的大小應足以容納陽極，并使陽極上焊腳標高處于-1 m以下。然后將陽極埋入陽極坑，再采用水下焊接工藝固定安裝陽極。陽極布置應盡量均勻，并利用原有的電連接系統使陽極電流分布均勻，使鋼結構各部分都得到應有保護。

2.4 陰極保護系統的保護效果

保護電位是評價鋼結構保護狀態和保護效果的重要參數?？⒐z測的結果顯示，鋼結構的陰極保護電位均負于-800 mV，達到設計要求，可見該犧牲陽極陰極保護系統具有良好的保護效果。

3 結語

由于天津港的回淤性特質，導致一些碼頭（尤其老碼頭）鋼結構的犧牲陽極被不同程度的掩埋?，F有碼頭鋼結構無論犧牲陽極陰極保護系統還是外加電流陰極保護系統，都可能出現由于犧牲陽極或輔助陽極埋于泥下而無法有效發揮作用的現象。本文所采用的犧牲陽極陰極保護系統具有特殊的結構形式和溶解方式，在天津港海泥區中初步使用效果顯著。這為解決天津港被海泥嚴重掩埋鋼結構的陰極保護提出了一種新方法，對保障天津港老碼頭安全及使用壽命具有積極的意義，也有著示范性的作用。

[1]馬化雄.天津港水工鋼結構防腐措施的應用研究報告[R].天津：天津港灣工程研究所，2004.

[2]李異，戚本盛，鄧和平.鋁合金犧牲陽極在南海海泥中的性能研究[J].腐蝕科學與技術，1991，3（1）：22-26.

[3]李異.犧牲陽極在海泥中電化學性能的影響因素[J].腐蝕與防護，2001，22（12）：527-529.