無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)在海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李勇，趙金山，張文鋒

（1.唐山曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司，河北 唐山 063200；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

鋼結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的物理、機(jī)械及施工性能，在海港工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，海港工程鋼結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)酷的海洋腐蝕環(huán)境中，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。目前，鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的腐蝕問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。海港工程鋼結(jié)構(gòu)腐蝕狀況的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際腐蝕狀態(tài)，不僅可以避免因腐蝕損傷造成的惡性事故，而且可以為結(jié)構(gòu)維護(hù)和管理提供重要依據(jù)，對(duì)保障海港工程正常作業(yè)、消除安全隱患具有重要的意義。

腐蝕監(jiān)測(cè)是海工鋼結(jié)構(gòu)防腐體系的重要組成部分，但長(zhǎng)期以來(lái)并未得到足夠重視。近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)使用越來(lái)越多，腐蝕與防護(hù)問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，成為影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的關(guān)鍵因素之一。人們?cè)谔剿饔行Х栏g途徑的過(guò)程中，對(duì)作為防腐基礎(chǔ)工作的腐蝕監(jiān)測(cè)也逐步重視起來(lái)。海洋腐蝕是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，常規(guī)檢測(cè)由于在時(shí)間上的不連續(xù)性，會(huì)帶來(lái)報(bào)警不及時(shí)的問(wèn)題。只有連續(xù)的腐蝕狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)才能從根本上解決這一問(wèn)題。鑒于上述原因及曹妃甸港礦石碼頭一期工程的實(shí)際情況，曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司委托中交天津港灣工程研究院有限公司開(kāi)發(fā)了基于GPRS/SMS的智能遠(yuǎn)程防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)海工鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，使用效果顯著[1]。針對(duì)隨后使用過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了更可靠的數(shù)據(jù)傳輸以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的集中管理。本文簡(jiǎn)要介紹了GPRS/SMS智能遠(yuǎn)程防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，并就其在工程中的實(shí)際應(yīng)用作了詳細(xì)論述。

1 GPRS/SMS智能遠(yuǎn)程防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

GPRS/SMS智能遠(yuǎn)程防腐電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）由數(shù)據(jù)采集終端、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心三部分組成。圖1為防腐電位遙測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)采集終端由腐蝕信息采集系統(tǒng)（參比電極和電位測(cè)量裝置）、單片微機(jī)、數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換、無(wú)線通信模塊等單元構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)電位的采集與數(shù)據(jù)發(fā)送。圖2為數(shù)據(jù)采集終端的結(jié)構(gòu)示意圖。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括GPRS或SMS（短訊模式），負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。監(jiān)控中心由無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和監(jiān)控計(jì)算機(jī)（附帶自編操作軟件） 兩部分組成。其中，無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，監(jiān)控計(jì)算機(jī)及軟件負(fù)責(zé)執(zhí)行向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)號(hào)指令、索要數(shù)據(jù)，并對(duì)各層協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把正確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示給用戶(hù)。

圖1 防腐電位遙測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)示意圖

防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理是：監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊，借助無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)采集終端的無(wú)線通信模塊下達(dá)讀數(shù)指令。按照監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令，終端的無(wú)線通信模塊指示智能電位測(cè)量模塊進(jìn)行即時(shí)電位測(cè)量，并將結(jié)果再通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)控中心。該系統(tǒng)的主要功能歸納為：1） 數(shù)據(jù)接收處理：實(shí)時(shí)接收遙測(cè)點(diǎn)鋼管樁的保護(hù)電位并進(jìn)行合理判斷。2） 應(yīng)答查詢(xún)：定時(shí)或手動(dòng)查詢(xún)鋼管樁的陰極保護(hù)情況。3） 數(shù)據(jù)庫(kù)管理：原始、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的形成、檢索、查詢(xún)等。4） 數(shù)據(jù)輸出：可通過(guò)顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等設(shè)備輸出電位統(tǒng)計(jì)圖。5） 聯(lián)網(wǎng)通訊：可實(shí)現(xiàn)多計(jì)算機(jī)通訊。

通過(guò)防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)人員可以隨時(shí)、方便地測(cè)量鋼管樁保護(hù)電位，方便準(zhǔn)確地評(píng)定鋼管樁保護(hù)效果。這有助于管理部門(mén)及時(shí)準(zhǔn)確地了解和積累鋼管樁保護(hù)信息，同時(shí)減少陰極保護(hù)系統(tǒng)管理人員的工作量，降低各種因素對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)正常工作的影響。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程簡(jiǎn)介

曹妃甸礦石碼頭一期工程位于曹妃甸港深水區(qū)，在唐山地區(qū)唐海縣南部海域中。該碼頭由13個(gè)結(jié)構(gòu)段、2個(gè)系纜墩、4個(gè)抗冰墩和引橋組成，碼頭全長(zhǎng)735 m，寬31 m。碼頭結(jié)構(gòu)為鋼管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁板結(jié)構(gòu)，整個(gè)碼頭由788根1 200 mm、64根1 400 mm和74根1 800 mm的鋼管樁支承。鋼管樁材質(zhì)為Q345B。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)和鋼管樁各部位的標(biāo)高尺寸，新建碼頭屬海洋環(huán)境下固定式鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，鋼管樁存在著飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)4個(gè)嚴(yán)重腐蝕區(qū)域，嚴(yán)重威脅著碼頭的安全運(yùn)行和長(zhǎng)期使用。該工程的鋼管樁水下及潮差區(qū)采用犧牲陽(yáng)極防腐保護(hù)技術(shù)。其設(shè)計(jì)思路考慮到鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各部位鋼管樁直徑不同，潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)的長(zhǎng)度不同，保護(hù)面積和所需保護(hù)電流不同，為了排除鋼管樁之間因電位分布不均勻而造成的不良影響，達(dá)到電位分布均勻，整體得到一致的良好保護(hù)效果，要求在鋼管樁樁帽制作前和碼頭施工建設(shè)過(guò)程中，分別將碼頭、系纜墩、抗冰墩和引橋墩所有鋼管樁用鋼筋采用電焊方法電性連接，各自形成一個(gè)保護(hù)整體。

為了全面了解和掌握鋼管樁在不同時(shí)期的保護(hù)效果，除了竣工時(shí)對(duì)保護(hù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)外，工程交付使用后，必須對(duì)鋼管樁防腐效果進(jìn)行定期全面檢測(cè)。在40 a有效保護(hù)期間內(nèi)，鋼管樁電位必須自始至終控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保護(hù)電位范圍-1.05～-0.78 V（相對(duì)于海水氯化銀電極）[2]，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)給予解決，確保鋼管樁的保護(hù)效果。鋼管樁犧牲陽(yáng)極保護(hù)效果的好壞可以通過(guò)電位測(cè)量數(shù)值進(jìn)行直觀有效的評(píng)定。鑒于上述要求，曹妃甸實(shí)業(yè)港務(wù)有限公司邀請(qǐng)中交天津港灣工程研究院有限公司開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于該碼頭的第一代SMS遠(yuǎn)程短訊遙測(cè)系統(tǒng)。考慮到碼頭整體結(jié)構(gòu)與保護(hù)方式等因素，該碼頭共設(shè)置7處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中碼頭主體設(shè)置4處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，引橋、系纜墩、抗冰墩上各設(shè)置1處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。前期還需對(duì)港口的水文情況進(jìn)行勘察，以確定參比電極的安裝位置和方式。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體分布情況如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)安裝的注意事項(xiàng)

1） 系統(tǒng)安裝之前，須掌握碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、碼頭附近的水文情況和陰極保護(hù)系統(tǒng)特征等相關(guān)信息。根據(jù)上述信息，確定安裝位置和方式，合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

2） 參比電極電纜須采用鋼套管進(jìn)行保護(hù)，安裝前套管須進(jìn)行密封和涂裝，以滿足電纜安全性及耐久性的要求。

3） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備盡量布設(shè)于碼頭隱蔽部位或不易受現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)影響的位置，這樣可減少因現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)導(dǎo)致的系統(tǒng)破壞或干擾。此外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)其作相應(yīng)保護(hù)。

2.3 工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

2.3.1 系統(tǒng)抗干擾能力

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體分布情況

工程初期，保護(hù)電位采集頻率較低，因此傳輸方式采用SMS模式。防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用初期，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)法上報(bào)的現(xiàn)象。經(jīng)反復(fù)分析與檢查，發(fā)現(xiàn)這是由于模塊受到外界環(huán)境的強(qiáng)烈干擾所致。主要干擾源是現(xiàn)場(chǎng)大型門(mén)式裝卸機(jī)，該機(jī)在工作時(shí)電磁干擾非常嚴(yán)重；而且功率較大，常導(dǎo)致供電電源出現(xiàn)波動(dòng)。無(wú)線通信模塊內(nèi)部程序在受到外界強(qiáng)干擾后會(huì)出現(xiàn)跑飛情況，以至于產(chǎn)生鎖死，對(duì)數(shù)據(jù)采集命令不能做出及時(shí)處理。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)模塊本身及其內(nèi)部程序進(jìn)行了升級(jí)，并加強(qiáng)了模塊在受干擾后的自動(dòng)重啟功能。此外，還在系統(tǒng)供電線路中加裝了微電腦數(shù)控開(kāi)關(guān)定時(shí)刷新模塊運(yùn)行狀態(tài)，最終克服了外界的強(qiáng)烈干擾。通過(guò)上述改進(jìn)，系統(tǒng)能夠在受到強(qiáng)烈干擾時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)正常工作，減少了維護(hù)的工作量。近6年的監(jiān)測(cè)效果顯示，該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)并發(fā)送數(shù)據(jù)，可見(jiàn)改進(jìn)措施取得了良好的效果。

2.3.2 參比電極系統(tǒng)

在例行檢查中發(fā)現(xiàn)，投入運(yùn)行幾年后，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參比電極電纜保護(hù)套管發(fā)生了銹蝕現(xiàn)象，其中較嚴(yán)重者出現(xiàn)了保護(hù)套管穿孔、斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致參比電極無(wú)法受到正常保護(hù)，大大降低了系統(tǒng)的使用壽命。上述現(xiàn)象主要是由于保護(hù)套管防腐保護(hù)不足所引起的。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)曹妃甸礦石碼頭一期工程中的7套遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)改造。

原系統(tǒng)的參比電極電纜保護(hù)套管為碼頭面層施工時(shí)預(yù)埋的獨(dú)立結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），其防腐措施主要是涂裝保護(hù)。從使用效果來(lái)看，僅采用涂裝保護(hù)無(wú)法滿足套管的防腐要求，還須對(duì)套管加強(qiáng)防腐保護(hù)。參比電極電纜保護(hù)套管為無(wú)縫鋼管，若與鋼管樁進(jìn)行電連接，亦能受到犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)。基于上述思路，對(duì)保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，即將具有支架的保護(hù)套管焊接于鋼管樁上（見(jiàn)圖5）。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于進(jìn)行了電連接，保護(hù)套管也能受到陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)，加強(qiáng)了防腐效果，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性；2）由于保護(hù)套管緊貼鋼管樁，縮短了參比電極與鋼管樁的距離，有助于提高參比電極讀數(shù)的準(zhǔn)確性；3）由于保護(hù)套管焊接在鋼管樁上，增強(qiáng)了浮冰等大型漂浮物撞擊的抗力，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。此外，參比電極也進(jìn)行了升級(jí)，將原國(guó)產(chǎn)永久參比電極更新為國(guó)外進(jìn)口的長(zhǎng)效參比電極。

圖4 電纜保護(hù)套管的原始結(jié)構(gòu)圖

圖5 改進(jìn)后的參比電極電纜保護(hù)套管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 無(wú)線傳輸及相關(guān)設(shè)備

隨著后期工程的陸續(xù)實(shí)施，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量不斷增加，原遙測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，遙測(cè)接收模塊安裝數(shù)量也越來(lái)越多，這樣不利于系統(tǒng)硬件的維護(hù)以及多個(gè)碼頭監(jiān)測(cè)的同時(shí)管理。針對(duì)該問(wèn)題，進(jìn)行了系統(tǒng)升級(jí)，將原來(lái)的SMS短信遠(yuǎn)程讀取方式改為GPRS在線實(shí)時(shí)傳輸方式，并棄用監(jiān)控中心的無(wú)線接收模塊，而改用開(kāi)放主機(jī)端口，直接通過(guò)因特網(wǎng)接收數(shù)據(jù)采集終端傳送的數(shù)據(jù)。這樣大大改善了數(shù)據(jù)的傳輸速度，并提高了管理的便利性，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)碼頭監(jiān)測(cè)的同時(shí)管理。數(shù)據(jù)采集終端還進(jìn)行了高度集成，使得運(yùn)行更加穩(wěn)定流暢。升級(jí)后的防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 改進(jìn)后的防腐電位遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用效果

為了驗(yàn)證防腐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際效果，采用了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電位與遙測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電位相對(duì)比的方法。多次驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)電位與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電位能夠較好地吻合，可見(jiàn)該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地反映鋼管樁的實(shí)時(shí)保護(hù)效果。就目前使用情況來(lái)看，升級(jí)后的系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定流暢、數(shù)據(jù)傳輸效率和準(zhǔn)確度高、可靠進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量的概率接近100%，而且通過(guò)一個(gè)監(jiān)控中心可監(jiān)測(cè)多個(gè)碼頭鋼管樁的實(shí)時(shí)保護(hù)效果，便于用戶(hù)的維護(hù)和管理。

4 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海工鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況，在海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕災(zāi)害預(yù)警領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。使用該系統(tǒng)可以提高海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)的管理水平，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的問(wèn)題，保障海工結(jié)構(gòu)安全、高效運(yùn)行。工程實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、超遠(yuǎn)距離傳輸、低功耗、自動(dòng)化程度高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣、方便靈活等特點(diǎn)，可為海工鋼結(jié)構(gòu)腐蝕災(zāi)害現(xiàn)代化預(yù)警系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

[1] 趙金山，尚堯，馬化雄，等.GPRS智能遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)在海工鋼結(jié)構(gòu)防腐監(jiān)測(cè)中的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2007（6）：11-12.

[2]JTS153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].