毛里塔尼亞友誼港陰極保護翻新工程

李云飛，馬化雄，唐聰

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

海港工程首先要面對惡劣的海洋環境，鋼結構在海洋環境中的腐蝕損失相當嚴重[1-3]。美國2002年發布了第七次腐蝕損失調查報告，表明1998年美國因腐蝕帶來的直接經濟損失達2 760億美元。我國2010年GDP約39.8萬億，按3%計算，腐蝕造成的直接經濟損失超過12 000億元。鋼鐵結構腐蝕不僅影響了工程結構的使用功能及外觀，降低了工程的使用壽命，甚至可能引發工程破壞事故。在我國，許多碼頭的鋼樁已經使用了多年，腐蝕相當嚴重，需要經常性維修，一直沒有辦法徹底解決這個難題，造成了巨大的經濟損失[1-2]。因此，加強腐蝕控制，選擇適當的防腐蝕技術，合理的設計，科學的施工及適當的維修管理是確保海港工程結構安全、耐久的重要措施，有著重要的經濟效益和戰略意義。本文以毛里塔尼亞友誼港工程為例，根據友誼港所處環境，介紹關于海洋環境中鋼管樁防腐蝕的評估和應用情況。

1 海洋腐蝕環境

碼頭鋼管樁在海洋環境中，海洋環境分為海洋大氣區、海洋浪濺區、水位變動區、海水全浸區和海泥區五類，各類的腐蝕環境和腐蝕行為如表1[3]。

2 工程概況

毛里塔尼亞地處北非西海岸，為大西洋沿岸國，距赤道近，氣候炎熱、干燥，海水中含鹽量高。當地環境條件對鋼結構銹蝕嚴重，晝夜溫差和相對濕度變化大且頻繁，結構物表面干濕交替嚴重；風沙天多，又會使鹽堿沙土附著在鋼結構表面，加之空氣中氯離子含量高，對鋼結構的腐蝕尤為嚴重；港區地下水位高，土壤中含鹽量高，導電性能良好；海水溫度、含鹽量和導電率均較高，這些條件不僅對鋼結構具有強烈的腐蝕性，而且防腐蝕涂料的施工環境惡劣，施工質量不易保證。友誼港海水水質見表2。碼頭共有直徑為φ700 mm的鋼管樁1 007根，引橋共有直徑為φ500 mm的鋼管樁507根。設計高水位1.69 m，設計低水位0.25 m。1986年，針對環境的性質及其對鋼結構的腐蝕作用，對鋼結構采取了防腐涂料、外加電流陰極保護和包覆層等防蝕措施。如今，陰極保護系統已達到保護年限，鋼結構出現了不同程度的腐蝕，大氣區、水位變動區及水下區防腐涂層有剝落現象，至今已逐漸發展為大面積剝落并返銹。

表1 海洋腐蝕環境及腐蝕行為

表2 友誼港海水水質

3 設計思路

通常對海洋環境中碼頭鋼管樁的防腐蝕措施有如下幾種：涂層保護、陰極保護、金屬熱噴涂、包覆聚乙烯或玻璃鋼等[4]。這幾種方法適用于不同的環境，實際工程應用時應當根據不同的環境來選擇不同的保護方法，同時還需考慮不同方法的兼容性和防腐效果的一致性。一般來說，對海洋大氣區多采用涂層保護；浪濺區主要采用重防腐涂層、金屬熱噴涂或包覆非金屬材料等保護方法；水位變動區以平均潮位作為分界線，平均潮位以上部位采用與浪濺區相同的保護方法，平均潮位以下部位采用與海水全浸區相同的保護方法；海水全浸區和海泥區多采用陰極保護與涂層相結合的保護方法。

針對友誼港碼頭環境性質及其對鋼結構的腐蝕作用，本工程的設計將防腐保護分成四個區域，即大氣區及高潮位區采用環氧煤焦油瀝青漆保護、中潮位區采用無溶劑環氧涂料保護、低潮位采用PTC新型包覆防腐技術保護、水中區和泥下區采用犧牲陽極陰極保護。每個區域所采取的保護措施都是采用目前世界上最經濟、最合適的技術，符合結構性能和國內外相關標準，同時解決了在役鋼結構潮差區、飛濺區涂料難修復的世界性難題，實現了經濟和技術的完美統一，滿足了業主的要求。

4 防腐設計

4.1 防腐涂層

4.1.1 防腐涂層的選擇

目前用于海工鋼結構防腐蝕的涂料有很多種，根據成膜物質的不同，防腐涂層可分為有機涂層和無機涂層兩種[4-9]。盡管這兩種類型的涂料皆有眾多的品種和成熟涂裝配套，但要選擇適合該工程的涂料，需同時考慮產品性能與經濟性。海工鋼結構防腐涂裝的保護效果和使用壽命在很大程度上取決于所選用的涂裝配套，表面清理質量和施工環境條件。

經過比較及結合本工程技術要求，對引橋鋼梁及鋼管樁樁帽以下、設計高水位+1.69 m以上的部位采用環氧瀝青漆進行修復，環氧瀝青漆具有優異的耐海水、耐原油及良好的耐化學藥品性和防銹性能，且價格低廉，適合第三世界國家經濟狀況；對鋼管樁設計高水位+1.69 m以下、中潮位+0.69 m以上部位采用無溶劑環氧涂料進行修復，該部位在低潮時每天都有一定的時間露出。無溶劑環氧涂料是一種高性能的耐水、耐腐蝕、耐化學品性的長效涂料，可在潮濕的環境下施工，并且可以濕固化，該涂料與鋼結構表面的附著力強，并且防銹性能好，能和陰極保護相融洽，不含揮發性溶劑，不污染環境。

4.1.2 涂層施工工藝

影響防腐蝕涂層有效使用壽命的因素有多種，如涂裝前鋼材表面預處理質量、涂料的品種、組成、涂膜的厚度、涂裝道數、施工環境條件及涂裝工藝等[4]。本工程鋼管樁表面處理采用噴砂除銹，噴砂處理至GB 8923—88中的Sa2.5級[10]，用色板驗收后，人工用滾刷滾涂2道。

4.2 PTC新型包覆防腐技術保護

鋼管樁水位變動區的維護設計中常采用水下重防腐涂料、熱縮套材料或包覆防護系統材料等。當前國內鋼管樁的維護普遍采用重防腐涂料，一般采用對鋼結構進行表面處理達到Sa2.5級，再進行現場涂裝涂料，但在現場進行鋼管樁表面噴砂和涂裝作業，施工難度大，現場粉塵污染嚴重，且噴砂除銹和涂裝效果受漲落潮的影響而得不到保證，除銹及涂裝的范圍只能為鋼管樁水面以上區域。為此，有施工單位將大鋼套筒固定在鋼管樁上，用潛水泵將筒內海水抽出，并保持水面在設計低水位以下，人為創造一種干法施工環境，該工法的優點是可以采用涂料實現對水位變動的修復，缺點是設備龐大，制作、倒運、安裝費用高，在工期緊迫、需使用大量套筒時施工成本太高，同時套筒無法安裝在密度較大的斜樁上。

目前潮差區防腐涂層大規模修復最常用的技術是冷包纏系統[11]，該方法在澳大利亞、香港、高雄、青島、寧波和營口港已有眾多成功應用先例，優點是無需嚴格的表面清理（St2級即可），可以在水中施工，施工質量有保證，保護壽命長，缺點是造價高；在“十一五”期間，中國科學院海洋研究所與國外有關單位合作，聯合研究開發了適合碼頭、海洋橋梁、海洋石油平臺等鋼鐵設施浪花飛濺區的新型復層包覆防護（PTC）技術[12]，該技術在青島港液化碼頭、勝利油田井組平臺、勝利油田采油平臺等現役海洋鋼結構設施上示范應用，取得了很好的保護效果。

針對水位變動區修復困難這一現狀，本工程通過對多種保護方法的經濟、保護效果對比，選用PTC包覆技術對碼頭及引橋鋼管樁+0～0.69 m進行防腐保護。

4.2.1 PTC技術保護原理和系統結構[12-13]

新型包覆防蝕采用優良的緩蝕劑成分并采用了能隔絕氧氣的密封技術，由4層緊密相連的保護層組成，即防蝕膏、防蝕帶、聚乙烯泡沫和玻璃鋼或者增強玻璃鋼防蝕保護罩，如圖1所示。其中防蝕膏和防蝕帶添加有抗腐蝕材料，具有優良的保護性、黏附性、與水和空氣隔絕性，并且長期不會變質，它們強有力地黏附在鋼鐵設施表面達到長效的防腐蝕效果。另外，用一個堅硬的固體玻璃鋼保護罩保護防蝕帶，可以達到更好的保護效果。

圖1 鋼樁包覆層修復技術示意圖

4.2.2 PTC防腐技術主要特點1）防腐蝕效果優異，有效防護效果能達到30 a以上；2）施工方便，對基材表面處理達到St2即可，并且可帶水作業；

3）能適合于任何形狀的結構物；

4）具有良好的密閉性和抗沖擊性能；

5） 質量輕，對結構物幾乎無附加載荷；綠色環保，無毒無污染。

4.2.3 PTC技術施工工藝PTC施工工藝[13]比較簡單，可以分為4個步驟。即：1） 表面處理，即除掉鋼材表面貝類、海藻、浮游生物、浮銹等，滿足ISOSt2標準要求即可；

2） 涂防蝕膏，在鋼結構表面均勻涂抹PTC專用防蝕膏；

3） 纏繞防蝕帶，纏繞PTC專用防蝕帶，起始處纏兩層，然后依次疊加1/2，保證各處均有2層以上防蝕帶覆蓋；

4）固定防護罩，將防護罩安裝固定在鋼結構設施上，用螺栓緊固，兩端涂封水中固化樹脂，施工完成。

4.3 犧牲陽極陰極保護技術

4.3.1 陰極保護選擇

陰極保護分為犧牲陽極保護法和外加電流保護法。前一種是基于鋼結構和犧牲陽極之間存在的自然電位差，犧牲陽極發出保護電流并融解于電解質中，而鋼結構得到保護電流受到保護；后一種是將惰性陽極與直流電源的正極相連，將受保護的鋼結構與直流電源的負極相連，保護電流由電源提供的。從原理和技術方面考慮，外加電流和犧牲陽極兩種保護方法都是可行的，其主要優缺點如表3[4，14-19]。

該工程屬于修復工程，設計保護年限15 a，保護年限相對較短。比較上述兩種陰極保護方法，從適用性、安全性和經濟性等方面綜合考慮，本工程選用犧牲陽極陰極保護。

4.3.2 犧牲陽極陰極保護設計

1） 保護電流。保護電流密度的大小主要與被保護金屬的種類，腐蝕介質的性質（含鹽量、電導率、含氧量、流速、風浪、pH值、溫度、污染等） 及金屬表面狀況（裸露、涂層、涂層種類、質量）等因素有關。這些因素的變化可以使陰極保護電流密度由幾個mA/m2變化到幾百mA/m2。表4列出了不同國家和地區裸露及有涂層鋼構件選用的陰極保護電流密度值[15]。

海水中和泥中裸露鋼防護的設計電流以及涂層破損系數值按照BSEN 13174—2001[16]相關規定。

用于陰極防護系統設計的普通涂漆裝置的涂層破壞系數值為，初始涂層破壞系數：浸水區域為1%～2%；埋置區域為25%～50%；消耗率：每年為1%～3%。

表3 兩種方法的比較

根據毛里塔尼亞友誼港所處的地理位置、介質電阻率、海水流速、波高、碼頭結構形式和鋼管樁材質、表面狀態、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選擇合適的防腐保護電流密度，保護面積和所需的保護電流計算結果見表5。

表5 保護電流

2） 確定犧牲陽極材料。鋁合金陽極與其他類型犧牲陽極相比，具有比重小，電化當量大，電流效率高，表面溶解均勻等優點。因此，本工程選用鋁鋅銦陽極作為鋼管樁保護用犧牲陽極材料。鋁陽極化學成份見表6[16-18]。

3） 陽極的規格尺寸。犧牲陽極發生電流和陽極有效使用壽命與陽極規格尺寸有著密切關系，換句話說，犧牲陽極規格尺寸的大小，應根據實際工程要求每塊陽極發生電流的大小和有效保護年限的長短來確定。

表6 鋁陽極化學成份 %

根據鋼管樁所需初期保護電流、維護保護電流、末期保護電流和犧牲陽極設計使用壽命15 a，本工程選用鋼管樁犧牲陽極的規格尺寸為（850+800） mm×（210+180）mm×180 mm，每塊陽極的合金凈重為76.7 kg/塊，毛重為85 kg/塊，共1 841塊陽極。

4） 犧牲陽極的布置和安裝。陽極盡量均勻布置，使陽極電流分布均勻，從而使鋼樁的各部分都得到應有的保護。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。陽極采用TS208水下專用焊條及其配套水下焊接工藝進行安裝。要求每條焊縫有效長度大于80 mm，焊縫有效截面高度大于5 mm，焊縫飽滿、連續、平整、無虛焊，焊接牢固。

5） 鋼管樁的電連接。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，達到電位分布均勻，整體得到一致的良好保護效果，需分別將碼頭和引橋墩所有鋼管樁用鋼筋采用電焊方法電連接，各自形成一個保護整體。考慮到碼頭鋼管樁已有電連接，因此本工程利用原有的電連接，不另作鋼筋電連接。但是施工方要對鋼管樁之間的電連接進行驗證，保證鋼樁之間的連接電阻小于1Ω。另外，由于引橋鋼管樁與海軍碼頭相連，為保證電流不流向海軍碼頭鋼結構，需要斷開引橋與海軍碼頭的電連接，斷開方式由施工方提出具體措施。

6） 腐蝕試片的設置。為有效的測定本陰極保護系統下海水對鋼管樁的腐蝕情況，本工程設置了10套腐蝕試片進行空白對比試驗。腐蝕試片采用Q345B鋼材，尺寸為200 mm×100 mm，厚度10 mm。每套試片都固定在試片底座上，每套腐蝕試片量為6塊，其中3塊試片應處于保護系統下，3塊與保護系統斷開。腐蝕試片應在規定的時間進行測量稱重。每個腐蝕試片都要建立一個標識卡（用于記錄腐蝕試片的試驗材料、試驗地點、試驗時間、標識號、標記圖紙及重量等）。

7） 保護電位的測定。通過測定鋼結構的保護電位，記錄其數值，就可以了解保護系統的現狀，判斷鋼結構是否處于正常保護狀態，確定異常的部位并決定是否需要進行水下詳細檢查[19]。如發現保護電位達不到設計要求，應及時查明原因并采取有效的補救措施，確保系統發揮正常保護作用。

為了了解和掌握鋼管樁的保護效果，本工程陰極保護系統需設置10個電位檢測點，分布引橋和碼頭結構，每個檢測點安裝1個參比電極。從工程結果可以看出，所有測點的保護電位均在-910～-1 014 mV（相對于Ag/AgCl參比電極）范圍之內，滿足設計及規范要求，并且保護電位相當均勻。

5 結語

海港工程的腐蝕問題一直以來都備受關注，因此，加強腐蝕控制，選擇適當的防腐蝕技術，合理的設計、科學的施工及適度的維修管理，是確保海港工程結構安全、耐久的重要措施。本文介紹了對毛里塔尼亞友誼港采用防腐涂層、陰極保護和PTC防腐技術相結合進行陰極保護修復，很好地解決水位變動區和海洋浪濺區部位腐蝕嚴重并且涂料修復困難的問題，保證鋼樁具有更長久更全面的保護效果，同時也大大減少了工程成本，達到了技術和經濟上的統一。

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