基于保護電流密度對鋼質樁基犧牲陽極設計技術的應用研究

曹建群

（廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510663）

0 工程概況

該船廠3#碼頭工程在南沙龍穴島，位于珠江口的蕉門、虎門水道出口交界處，年平均氣溫21.9～22.8℃之間，潮汐系數為1.15，為不正規半日混合潮型，年平均潮差約為1.6m，最大潮差3.4m。該海域的含鹽量和pH值變化不大，多年的平均鹽度約29.5‰，pH值約7.8，電導率為25.cm。該碼頭樁基采用雙面埋弧焊螺旋焊鋼管樁（聚脲噴涂防腐），鋼號Q235B（SY/T 5040-2000），主要化學成分為：C(0.18%）、Si（0.20%）、Mn(0.62%）、P（0.015%）、S（0.005%）。碼頭排架樁基共用Φ508×12mm鋼管樁149根，長度38m；靠船簇樁共用Φ508×12mm鋼管樁40根，Φ813×14mm鋼管樁37根，長度38m。

1 設計指標

該碼頭樁基采用犧牲陽極陰極保護設計，基于陽極安裝費用最低的原則，設計其所需的陽極數量并確定其保護系統的使用壽命[1-3]。保護系統的設計壽命為30年，保護范圍為鋼管樁水位變動區最高位以下部分，在有效保護期間內，保護電位值如表1所示。

表1 鋼管樁的保護電位值

2 犧牲陽極保護設計計算

2.1 保護電流密度和犧牲陽極材料的選取

保護電流密度為從恒定在保護電位范圍內某一單位的電極表面上流入或流出的電流密度[4-6]，根據該碼頭工程管道樁所處的地理位置、介質條件、樁基材質、防腐層、碼頭結構等情況，參照相關標準資料，鋼管樁各腐蝕區選擇的保護電流密度如表2所示，其涂層破損系數為2（初期值），初期保護電流密度應在表2的基礎上乘以涂層破損系數。

表2 保護電流密度

本工程犧牲陽極采用鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，梯形截面尺寸為（220+240）×230，長900mm，鐵芯直徑為Φ60mm，單只陽極質量為122kg。根據陽極半徑：

其陽極與所處電解質間的電阻等于電解質電阻率乘以陽極形狀因數， 其計算公式為：

式中：R為陽極的接水電阻（Ω）；ρ為電解質電阻率（Ω.cm）；k取0.159 ；L為陽極長度（cm）；

R為陽極半徑（c m），截面不是圓形，

通過計算陽極的接水電阻為0.097Ω，表3和表4是陽極的化學成分和電化學性能。

表3 化學成分

表4 電化學性能

2.2 保護面積與所需保護電流的計算

該碼頭鋼管樁泥中區：平臺排架區為22.725米，靠船簇樁區19米。海域平均高潮位2.3m，平均低潮位1.1m，水位變動區長度從平均高潮位到平均低潮位，水中區長度從平均低潮位到泥面，泥中區長度為泥面到樁尖。所需保護電流I保護電流=S保護面積×I保護電流密度，鋼管樁保護面積與所需保護電流（初期、維持、末期）計算結果如表5所示。

表5 保護面積與所需保護電流（初期、維持、末期）

2.3 所需總保護電流的計算

初期保護總電流：

維持保護總電流：

末期保護總電流：

計算得：

2.4 犧牲陽極發生電流量和數量的計算[7-9]

為了滿足維持期間電流密度的要求，確定在30a設計壽命內被保護構筑物所：

需陽極數量：

最后，需計算滿足末期所需陽極數量，除了使用消耗后的陽極尺寸外，采用與初期電流需求類似的方法，可得：

末期所需陽極數量為：

經核算，初期電流計算結果需要526支，維持電流計算結果需要576支，末期電流計算結果需要340支，對于該項目，比較合適的安裝數量為601支。

3 使用壽命的核算

犧牲陽極使用壽命的計算公式：

式中：t為犧牲陽極的有效使用壽命（a）；Wi為單個犧牲陽極的凈重（122kg）；1/K為利用系數，取0.85；q為陽極實際電容量，取2600A*h/kg；Im為設計使用年限內每個陽極的平均發生電流，取0.55Ia初，A。

將有關數據代入式（2），使用壽命核算得平臺排架使用壽命為32.33年、125T靠船簇樁使用壽命為103.24年、70T靠船簇樁使用壽命為123.55年、西側端部靠船簇樁使用壽命為442.48年，均滿足本項目的設計使用壽命要求。

4 設計結果及陽極布置

該鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極現場安裝需601支，結合施工等現場因素，設計需630支。平臺每根樁基安裝3支犧牲陽極，靠船簇樁每根樁基安裝2支犧牲陽極，陽極上端焊腳距離設計低水位≥1.5m，陽極下端焊腳距離泥面≥2m，滿足規范要求。

5 結語

（1）該犧牲陽極陰極保護系統運行10天后，利用便攜式銅/飽和硫酸銅參比電極和萬用表對該碼頭鋼管樁的保護電位進行測量，測量結果如表6所示，其保護電位均在-915～-995mV，滿足相關標準和本設計要求，且數據較為集中，鋼管樁可以得到良好的保護；

表6 保護電位測量結果（-mV）

（2）犧牲陽極參數選擇合理，設計思路可供廣東地區海域鋼制碼頭、儲罐罐底的設計人員參考和借鑒；

（3）系統運行期間，應每隔半年測量一次鋼管樁的保護電位，每周檢測水下陽極塊的消耗情況和焊腳表面狀況。在末期時，應適當增加電位測量次數。