天津臨港佳悅糧油碼頭鋼管樁腐蝕防護(hù)及效果調(diào)查

孫鑄，張文鋒，趙金山

（1.中糧佳悅（天津）有限公司，天津 300452；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津 300222）

1 工程概況

天津臨港佳悅糧油碼頭一期工程位于天津臨港工業(yè)區(qū)，樁臺采用高樁梁板結(jié)構(gòu)。水工建筑物包括碼頭、引橋及接岸結(jié)構(gòu)。碼頭總長度為310 m，頂標(biāo)高為6.0 m，前沿水深為-16.0 m。碼頭基礎(chǔ)為φ800 mm和φ1 000 mm的鋼管樁，材質(zhì)Q345B，分別為130根和178根。

2 防腐方案

為減緩鋼管樁在海洋環(huán)境中的腐蝕，延長鋼管樁的使用壽命，需對鋼管樁進(jìn)行腐蝕防護(hù)。本工程根據(jù)規(guī)范JTS153-3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[1]（以下簡稱“防腐規(guī)范”）的要求和碼頭實(shí)際特點(diǎn)提出了相應(yīng)的防腐方案。

2.1 材料的選擇及腐蝕裕量

選用耐海水腐蝕能力較強(qiáng)、強(qiáng)度較高的低合金鋼Q345B鋼材，并預(yù)留適當(dāng)?shù)母g裕量。

2.2 不同區(qū)域防腐措施的選擇

根據(jù)防腐規(guī)范和碼頭結(jié)構(gòu)特征，鋼管樁可劃分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)五個部位。針對不同部位，防腐規(guī)范規(guī)定了相應(yīng)的防腐蝕措施。綜合考慮施工的便利性、成本及天津港鋼管樁的防腐傳統(tǒng)及實(shí)際效果，本工程采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)的方式對碼頭鋼管樁進(jìn)行腐蝕防護(hù)。其中，大氣區(qū)和浪濺區(qū)采用涂層保護(hù)；水位變動區(qū)采用涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)；其余部位采用陰極保護(hù)。考慮到打樁至竣工總體時間較短，無需另外增設(shè)施工期的防腐措施。為保障裸鋼始終處于水下，防腐涂層的范圍確定為從樁頂至極端低水位以下1 m。

2.3 陰極保護(hù)技術(shù)的選擇

陰極保護(hù)有兩種形式，犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。從總體上看，兩者如果設(shè)計(jì)合理，施工規(guī)范，維護(hù)得當(dāng)，選擇兩者中的任何一種都能達(dá)到滿意的保護(hù)效果。本工程綜合考慮碼頭運(yùn)行管理的實(shí)際特點(diǎn)，以及犧牲陽極運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，不會產(chǎn)生過保護(hù)，施工技術(shù)簡單，平時無需專人管理等優(yōu)點(diǎn)，選擇犧牲陽極陰極保護(hù)的方式。

2.4 監(jiān)測陰極保護(hù)效果的GPRS遠(yuǎn)程防腐遙測系統(tǒng)

盡管犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處，如驅(qū)動電位低，電流調(diào)節(jié)范圍窄，陽極污損及腐蝕過量可能導(dǎo)致保護(hù)不足等問題。為此，本工程還在個別鋼管樁上安裝了GPRS遠(yuǎn)程防腐遙測系統(tǒng)，在線監(jiān)測鋼管樁的實(shí)時保護(hù)效果，以便及早發(fā)現(xiàn)隱患及時采取預(yù)防措施。

3 防腐涂層

根據(jù)碼頭的整體設(shè)計(jì)和使用要求，對鋼管樁涂層保護(hù)技術(shù)要求如下：防腐涂層的設(shè)計(jì)使用壽命為30 a，30 a后由使用單位另行組織涂層的修復(fù)工作，最終達(dá)到50 a的保護(hù)目標(biāo)。海洋腐蝕環(huán)境復(fù)雜多變，風(fēng)浪影響大，鹽度高，干濕交替嚴(yán)重，且涂層保護(hù)年限需達(dá)30 a。因此，需選擇耐鹽霧性強(qiáng)、耐老化性能好、使用壽命長、耐候性良好，且具有適當(dāng)強(qiáng)度的涂料。

綜合比較涂料的性能、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際使用效果，本工程選擇在天津港常用的ZF-101環(huán)氧重防腐涂料。基本要求如下：鋼管樁表面處理至少應(yīng)達(dá)到表面清潔度為Sa2.5級和表面粗糙度60～100 μm。環(huán)氧厚漿型重防腐涂料涂裝不少于3道，涂層總干膜厚度不少于1 000μm。為保證涂料的施工質(zhì)量，對涂裝過程進(jìn)行了跟蹤檢查，嚴(yán)格控制表面清潔度、表面粗糙度、涂層厚度和涂層外觀等關(guān)鍵指標(biāo)。總體看，由于施工條件較好（在預(yù)制場中），質(zhì)量控制嚴(yán)格，施工隊(duì)伍涂裝技術(shù)熟練，涂層質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期效果。

4 犧牲陽極陰極保護(hù)

4.1 設(shè)計(jì)使用年限

本工程碼頭設(shè)計(jì)使用年限為50 a，考慮到犧牲陽極陰極保護(hù)初期投入較大，本工程采用分階段設(shè)計(jì)方式。第一階段設(shè)計(jì)使用30 a，第二階段根據(jù)對犧牲陽極的消耗狀況、鋼管樁的保護(hù)狀態(tài)、涂層的破損情況等參數(shù)的評估結(jié)果，重新設(shè)計(jì)犧牲陽極系統(tǒng)，最終達(dá)到鋼管樁使用壽命50 a的技術(shù)要求。分階段設(shè)計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：1）適當(dāng)降低了初期投資成本，將其余成本歸入后期維護(hù)，體現(xiàn)了資金的時間價值；2）由于犧牲陽極設(shè)計(jì)具有一定的安全裕量，根據(jù)后期評估結(jié)果重新設(shè)計(jì)犧牲陽極系統(tǒng)，可以更好控制犧牲陽極的總體用量。

4.2 保護(hù)電位

保護(hù)電位是表征鋼管樁防腐狀況和犧牲陽極防腐效果的重要指標(biāo)。按照防腐規(guī)范的要求，在有效保護(hù)期內(nèi)，鋼管樁水位變動區(qū)、水下區(qū)的保護(hù)電位應(yīng)控制在：-0.85～-1.10 V（相對Cu/飽和CuSO4參比電極）。

4.3 犧牲陽極的選擇和用量

由于密度小、實(shí)際電容量大、在氯離子介質(zhì)中性能良好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，鋁基犧牲陽極在海洋環(huán)境防腐中得到了廣泛應(yīng)用。鋁基犧牲陽極有多個體系，本工程選擇在天津港廣泛應(yīng)用且實(shí)際電容量較高的Al-Zn-In-Mg-Ti合金。該合金實(shí)際電容量≥2 600 A·h/kg，電流效率≥90%，是當(dāng)今國內(nèi)電容量最大、電流效率最高的鋁合金犧牲陽極。

根據(jù)鋼管樁所需的保護(hù)電流、犧牲陽極的發(fā)生電流等參數(shù)，確定犧牲陽極用量和規(guī)格。陽極用量546塊，凈重136.20 kg，毛重142.30 kg，尺寸 （260+220） mm×950 mm×225 mm。

4.4 陽極施工過程的質(zhì)量控制

犧牲陽極施工過程質(zhì)量控制的重要指標(biāo)包括：電連接狀況，陽極尺寸、重量和表面狀態(tài)，陽極成分，焊縫長度、高度及連續(xù)性，安裝標(biāo)高，竣工后的保護(hù)電位等。整個過程中，指標(biāo)檢測結(jié)果和驗(yàn)收情況都得到了質(zhì)量監(jiān)督員和監(jiān)理工程師的簽字確認(rèn)，并進(jìn)行了備案。

4.4.1 電連接狀況

電連接是保證鋼管樁保護(hù)電位均勻分布的重要措施。在施工過程中，全程觀察鋼管樁電連接系統(tǒng)的安裝情況，定期用萬用表抽檢鋼管樁之間的接觸電阻。

4.4.2 陽極尺寸、重量和表面狀態(tài)

陽極尺寸、重量和表面狀態(tài)對陽極的溶解性能有著重要影響，需嚴(yán)格控制。本工程對于每批次犧牲陽極都進(jìn)行了抽樣檢測，數(shù)量大于該批次總量的5%。在抽檢過程中，曾發(fā)現(xiàn)如下問題：1）某批次的陽極焊腳脆性大，極易折斷。分析表明這是由于焊腳未進(jìn)行熱處理造成的；2）對陽極進(jìn)行剖開檢查，曾發(fā)現(xiàn)有個別陽極內(nèi)部存在孔洞；3）陽極焊腳在運(yùn)輸或搬運(yùn)過程中，因碰撞造成傾斜、錯位或角度改變等。對于這些問題，及時要求施工單位和供貨單位進(jìn)行整改處理。

4.4.3 陽極成分

陽極成分決定著陽極的質(zhì)量和溶解性能，雜質(zhì)含量超標(biāo)會嚴(yán)重影響陽極的使用壽命。對于該指標(biāo)，也進(jìn)行了嚴(yán)格監(jiān)控，對每批次陽極都選取了大于總量1.5%的陽極進(jìn)行取樣成分分析。結(jié)果表明，陽極成分控制較好，都達(dá)到了規(guī)范要求[2-3]。

4.4.4 焊縫長度、高度及連續(xù)性

采用水下錄像系統(tǒng)對陽極的水下焊縫進(jìn)行了檢查，數(shù)量大于總數(shù)的10%，發(fā)現(xiàn)焊縫基本都能達(dá)到長度大于100 mm、高度5～7 mm且連續(xù)的基本要求，對于極少數(shù)不符合要求的焊腳，要求施工單位進(jìn)行了補(bǔ)焊。

4.4.5 安裝標(biāo)高和角度

在陽極安裝過程中，定期定量對固定陽極塊的標(biāo)高和角度進(jìn)行核準(zhǔn)，并嚴(yán)格要求陽極焊腳避開鋼管樁焊縫焊腳。對于少量因泥面高度改變而需調(diào)整標(biāo)高的陽極，嚴(yán)格按照要求得到設(shè)計(jì)確認(rèn)并在竣工圖中標(biāo)明。

4.4.6 竣工后的保護(hù)電位檢測

在犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)工程竣工1周后，對鋼管樁的保護(hù)電位進(jìn)行抽樣檢查，要求每根樁采集上、中、下3個點(diǎn)的電位值。結(jié)果表明：抽檢鋼管樁的電位在-980～-1 023 mV（相對于Cu/飽和CuSO4電極） 之間，處于-0.85～-1.10 V的設(shè)計(jì)要求保護(hù)范圍內(nèi)，且上中下電位差值在5 mV之間，可見保護(hù)電位符合設(shè)計(jì)要求且分布均勻，說明犧牲陽極防腐工程達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，竣工驗(yàn)收合格。

5 GPRS遠(yuǎn)程防腐遙測系統(tǒng)的安裝

GPRS智能遠(yuǎn)程電位遙測系統(tǒng)由電源、長效參比電極、GPRS智能遠(yuǎn)程電位采集儀（包括GPRS通訊）、GPRS中心無線通訊終端、中心控制計(jì)算機(jī)、鋼管樁保護(hù)電位在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件等組成。GPRS模塊與數(shù)據(jù)采集模塊采用直接連接的方式，組成GPRS智能遠(yuǎn)程電位采集儀。該系統(tǒng)可以隨時、方便、遠(yuǎn)距離自動地將鋼管樁保護(hù)電位傳送到中心控制計(jì)算機(jī)，通過鋼管樁保護(hù)電位在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、查詢、打印。

為了全面及時了解和掌握鋼管樁在不同期間的保護(hù)效果，本陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置5個監(jiān)測點(diǎn)，分布在5個結(jié)構(gòu)段中。每個監(jiān)測點(diǎn)安裝2個參比電極（1用1備），并在每個監(jiān)測點(diǎn)配備一個固定電位測點(diǎn)，以便對監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行核查。

參比電極的安裝位置及高程應(yīng)能分別顯示整個保護(hù)系統(tǒng)中泥面附近及距陽極最遠(yuǎn)點(diǎn)的鋼管樁保護(hù)電位。據(jù)此，確定本工程參比電極的安裝高程為-3.5 m。為確保參比電極測量線路的持久、耐用，參比電極采用陸上組裝水下安裝焊接，標(biāo)高2.5 m以上測量電纜采用UPVC套管保護(hù)，以下部分采用鋼套管進(jìn)行保護(hù)，測量用屏蔽線不允許存在接頭，連接法蘭和套管連接處必須進(jìn)行絕緣密封。

6 碼頭防腐系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)查結(jié)果

該碼頭始建于2010年，并于2011年初投入使用，至2012年防腐系統(tǒng)已運(yùn)行2 a左右[4]。為充分了解碼頭防腐系統(tǒng)的實(shí)際效果，進(jìn)一步指導(dǎo)碼頭的維護(hù)管理，對碼頭的防腐系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)檢測。

6.1 鋼管樁防腐涂層的檢查

檢測人員對鋼管樁水位變動區(qū)及以上部位的涂層進(jìn)行了詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)僅有1根鋼管樁的涂層發(fā)生了小面積破損。小面積破損可能是由于施工期間的接觸性破壞所致，加之后期的局部修復(fù)效果并不理想，隨著時間推移而逐漸顯露出來。

涂層厚度檢測結(jié)果顯示，涂層的平均厚度達(dá)到了1 338μm，其中涂層最厚達(dá)1 730μm，最薄為898μm。厚度平均值達(dá)到1 000μm以上的測點(diǎn)有277個，占總測點(diǎn)數(shù)的90.0%。上述結(jié)果表明，涂層在使用一段時間后，仍能達(dá)到驗(yàn)收時合格涂層的標(biāo)準(zhǔn)，即測點(diǎn)值達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的測點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于總測點(diǎn)數(shù)的85%，且最小測值不得低于設(shè)計(jì)厚度的85%[1]。

附著力即漆膜與底材之間的結(jié)合能力是表征涂層性能的重要指標(biāo)。檢測結(jié)果顯示，抽檢測點(diǎn)的附著力平均值在10.2 MPa，所有測點(diǎn)的附著力皆大于8.0 MPa的設(shè)計(jì)要求。可見，涂層在使用數(shù)年后仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，鋼管樁防腐涂層在使用2 a后，各項(xiàng)檢測指標(biāo)仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說明鋼管樁的防腐涂料選擇合理，使用效果良好。

6.2 鋼管樁的保護(hù)電位

檢測人員對所有鋼管樁的保護(hù)電位進(jìn)行了調(diào)查，每根樁采集上、中、下3個點(diǎn)的電位值。結(jié)果表明，電位值在-916～-963 mV之間，平均保護(hù)電位為-940 mV，單樁上、中、下電位值差值最大為10 mV，可見犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)電連接良好，提供的保護(hù)電流充足，分布均勻，能為鋼管樁提供良好的保護(hù)。上述結(jié)果說明，鋼管樁犧牲陽極的設(shè)計(jì)合理，施工過程也達(dá)到了預(yù)期效果，防腐工程發(fā)揮了積極作用。

7 結(jié)語

1） 鋼管樁防腐涂層使用2 a后仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使用效果良好，為大氣區(qū)、浪濺區(qū)和水位變動區(qū)的鋼管樁提供了良好保護(hù)。

2） 犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)的電連接系統(tǒng)良好，提供的保護(hù)電流充足，分布均勻，為鋼管樁提供了良好的保護(hù)。

3） 通過科學(xué)經(jīng)濟(jì)的防腐方案決策，合理的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的施工過程控制，天津臨港佳悅碼頭防腐工程達(dá)到了預(yù)期的效果。

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

[2]GB/T 4948—2002，鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極[S].

[3]GB/T 4949—2007，鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極化學(xué)分析方法[S].

[4]趙金山，張文鋒.天津臨港佳悅糧油碼頭一期工程鋼管樁防腐蝕檢測報(bào)告[R].天津：天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，2012.