錦州港301B油品泊位鋼管樁犧牲陽極陰極保護

唐聰，秦鐵男

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

海洋環境下的金屬設施，尤其是固定式的鋼管樁，其腐蝕防護問題尤為突出。在未進行有效保護狀態下，會形成嚴重的局部腐蝕，平均腐蝕速度可達0.3～0.4 mm/a，局部腐蝕速度甚至可達1 mm/a，造成鋼管樁局部穿孔，甚至呈截斷狀態，嚴重威脅著結構的安全使用。因此對鋼管樁采取及時有效的防腐保護措施是非常必要的。

陰極保護是一項成熟的電化學保護技術，它可以有效地防止金屬在電解質中引起的各種腐蝕行為。國內外一些規范、規定都明確指出，對于永久性水下鋼結構應該或必須采取陰極保護或涂料加陰極保護。陰極保護可分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。犧牲陽極陰極保護具有保護效果好、保護壽命長以及可維修、可更換等特點。

1 工程概況

錦州港第三港池301B油品泊位包括1個工作平臺、2個靠船墩、6個系纜墩、2個引橋墩，全部以鋼管樁為基礎。采用φ1 200 mm鋼管樁，樁長47.0～51.5 m，總計238根，材質為Q345-C鋼。

2 陰極保護設計

2.1 設計年限

本工程碼頭設計年限為50 a，考慮到犧牲陽極初期投入費用較大。本次陰極保護設計年限為30 a，30 a后根據陽極的溶解情況、鋼管樁的保護效果、重防腐涂層的破損情況及業主的要求，重新設計焊接犧牲陽極、修補重防腐涂層，最終達到鋼管樁使用壽命50 a的技術要求。2號引橋墩受岸側拋石影響，13根鋼管樁全部被拋石掩埋，犧牲陽極無法進行更換，故2號引橋墩鋼管樁陰極保護設計年限為50 a。

2.2 保護電位

根據國家行業標準[1]，本工程鋼管樁保護電位設計為-1.10～-0.80 V（相對銀/氯化銀/海水參比電極，以下皆同）。

2.3 保護面積計算

碼頭設計高水位3.60 m，設計低水位-0.07 m，泥面標高為-23.00～-3.20 m。鋼管樁樁頂標高5.60～7.40 m，樁底標高-42.70～-39.30 m。

鋼管樁潮差區長度從平均高潮位至平均低潮位，水中長度從平均低潮位至泥面，泥中長度從泥面至樁尖。碼頭分別以墩臺為計算單位，各墩臺鋼管樁保護面積計算結果見表1。

2.4 保護電流計算

根據碼頭所處的地理位置、介質條件、鋼管樁材質、表面狀態及碼頭結構形式等實際情況，參照現行行業標準[1]，本工程鋼管樁各腐蝕區保護電流密度取值如表2所列。

根據碼頭各墩臺鋼管樁保護面積計算結果和選取的保護電流密度，鋼管樁各腐蝕區所需的保護電流計算結果見表3。

表1 碼頭各墩臺鋼管樁保護面積m2

表2 鋼管樁各腐蝕區保護電流密度

表3 各墩臺鋼管樁保護電流A

2.5 犧牲陽極選用及數量

鋁合金犧牲陽極由于具有密度小、電容量大、在氯離子介質中陽極性能良好、原料豐富、制造工藝簡單、價格低廉等優點，在保護鋼質海洋結構時被廣泛采用。常見的鋁合金犧牲陽極有許多種，本工程設計選用鋁-鋅-銦-鎂-鈦合金犧牲陽極，此種陽極與其他品種陽極相比具有電容量、電流效率高，消耗率低等特點。鋁合金陽極的化學成份、電化學性能以及制作技術符合現行國家標準[2]有關規定。2號引橋墩使用A型犧牲陽極尺寸為（280+320）mm×1 100 mm×300 mm，單只陽極質量268 kg，共13只；其他墩臺使用B型犧牲陽極尺寸為（220+260） mm×1 000 mm×240 mm，單只陽極質量158 kg，共450只。

3 犧牲陽極陰極保護的實施

3.1 鋼管樁電性連接

由于每根鋼樁的狀態不盡一致，為保證犧牲陽極的使用壽命一致和保護電位的均勻，整體得到一致的良好保護，各墩臺鋼管樁用鋼筋電連接形成一個保護整體，電連接是在墩臺混凝土澆注前通過樁芯混凝土中鋼筋與樁內表面焊接，樁芯混凝土中鋼筋再與墩臺底層結構鋼筋焊接連接而成。

3.2 犧牲陽極的水下焊接安裝

犧牲陽極安裝質量的好壞，直接影響到陽極的發生電流量、溶解性能、使用壽命和使用效果。水下焊接安裝工藝具有連接電阻小、工藝簡單、牢固可靠等優點。水下焊接分濕式焊接法和干式焊接法兩種。濕式焊接法具有施工容易，成本低廉等特點，但由于在作業過程中高溫熔池會使水分離出大量的氫原子，焊縫中擴散氫的含量為陸地焊條焊接時的好幾倍；同時，由于熔池在水中的冷卻速度太快，很容易造成淬硬，因此，這種濕式焊接法存在焊接接頭塑性和韌性很差，在焊縫和熱影響區容易出現高硬組織，內應力集中，焊接質量不高的缺陷，只能滿足結構要求不高的地方使用。而干式焊接法采用二氧化碳氣體作為排水氣體和保護氣體，使電弧在一個穩定的、氧化性較強的氣室中燃燒，從而較大幅度地降低焊縫金屬的含氫量。焊接接頭質量好，接頭質量不低于母材，質量有保證。

本工程鋼樁材質為Q345-B，母材碳當量較高，為避免傷及母材，確保水下焊接質量，犧牲陽極采用二氧化碳局部排水干法焊接工藝。

每塊犧牲陽極2個焊腳、4條焊縫，要求每條焊縫有效長度＞80 mm，焊縫高度＞5 mm，焊縫基本連續、寬度均勻、平整、無虛焊，焊接牢固可靠，并與鋼管樁有良好的電性連接。

在所有陽極安裝完畢后對焊縫進行水下電視檢查，抽檢數量為陽極總量的5%～10%。

3.3 保護效果檢測

為了保證和全面了解掌握鋼管樁的保護效果，除了對犧牲陽極材料質量和對工程施工質量進行全面有效的控制外，在本工程實施結束后測量每根鋼管樁的保護電位。所有鋼樁保護電位均在-1 043～-915 mV之間，平均保護電位-983 mV，均符合設計和規范的要求?？梢哉J為鋼管樁處于最佳保護狀態。

4 結語

從犧牲陽極保護施工中，鋼管樁保護系統水下檢查和電位測量結果表明：

1） 鋼管樁犧牲陽極保護的設計參數選擇和陽極布置是合理的；

2） 鋼管樁保護電位全部在設計和規范所要求的范圍內，處于最佳保護狀態。

[1]JTJ230—89，海港工程鋼結構防腐蝕技術規定[S].

[2]GB/T 4948—2002，鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極[S].