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(huán)境下的金屬設(shè)施，尤其是固定式的鋼管樁，其腐蝕防護(hù)問(wèn)題尤為突出。在未進(jìn)行有效保護(hù)狀態(tài)下，會(huì)形成嚴(yán)重的局部腐蝕，平均腐蝕速度可達(dá)0.3～0.4 mm/a，局部腐蝕速度甚至可達(dá)1 mm/a，造成鋼管樁局部穿孔，甚至呈截?cái)酄顟B(tài)，嚴(yán)重威脅著結(jié)構(gòu)的安全使用。因此對(duì)鋼管樁采取及時(shí)有效的防腐保護(hù)措施是非常必要的。

陰極保護(hù)是一項(xiàng)成熟的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，它可以有效地防止金屬在電解質(zhì)中引起的各種腐蝕行為。國(guó)內(nèi)外一些規(guī)范、規(guī)定都明確指出，對(duì)于永久性水下鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)該或必須采取陰極保護(hù)或涂料加陰極保護(hù)。陰極保護(hù)可分為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)具有保護(hù)效果好、保護(hù)壽命長(zhǎng)以及可維修、可更換等特點(diǎn)。

1 工程概況

錦州港第三港池301B油品泊位包括1個(gè)工作平臺(tái)、2個(gè)靠船墩、6個(gè)系纜墩、2個(gè)引橋墩，全部以鋼管樁為基礎(chǔ)。采用φ1 200 mm鋼管樁，樁長(zhǎng)47.0～51.5 m，總計(jì)238根，材質(zhì)為Q345-C鋼。

2 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)年限

本工程碼頭設(shè)計(jì)年限為50 a，考慮到犧牲陽(yáng)極初期投入費(fèi)用較大。本次陰極保護(hù)設(shè)計(jì)年限為30 a，30 a后根據(jù)陽(yáng)極的溶解情況、鋼管樁的保護(hù)效果、重防腐涂層的破損情況及業(yè)主的要求，重新設(shè)計(jì)焊接犧牲陽(yáng)極、修補(bǔ)重防腐涂層，最終達(dá)到鋼管樁使用壽命50 a的技術(shù)要求。2號(hào)引橋墩受岸側(cè)拋石影響，13根鋼管樁全部被拋石掩埋，犧牲陽(yáng)極無(wú)法進(jìn)行更換，故2號(hào)引橋墩鋼管樁陰極保護(hù)設(shè)計(jì)年限為50 a。

2.2 保護(hù)電位

根據(jù)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，本工程鋼管樁保護(hù)電位設(shè)計(jì)為-1.10～-0.80 V（相對(duì)銀/氯化銀/海水參比電極，以下皆同）。

2.3 保護(hù)面積計(jì)算

碼頭設(shè)計(jì)高水位3.60 m，設(shè)計(jì)低水位-0.07 m，泥面標(biāo)高為-23.00～-3.20 m。鋼管樁樁頂標(biāo)高5.60～7.40 m，樁底標(biāo)高-42.70～-39.30 m。

鋼管樁潮差區(qū)長(zhǎng)度從平均高潮位至平均低潮位，水中長(zhǎng)度從平均低潮位至泥面，泥中長(zhǎng)度從泥面至樁尖。碼頭分別以墩臺(tái)為計(jì)算單位，各墩臺(tái)鋼管樁保護(hù)面積計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.4 保護(hù)電流計(jì)算

根據(jù)碼頭所處的地理位置、介質(zhì)條件、鋼管樁材質(zhì)、表面狀態(tài)及碼頭結(jié)構(gòu)形式等實(shí)際情況，參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]，本工程鋼管樁各腐蝕區(qū)保護(hù)電流密度取值如表2所列。

根據(jù)碼頭各墩臺(tái)鋼管樁保護(hù)面積計(jì)算結(jié)果和選取的保護(hù)電流密度，鋼管樁各腐蝕區(qū)所需的保護(hù)電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 碼頭各墩臺(tái)鋼管樁保護(hù)面積m2

表2 鋼管樁各腐蝕區(qū)保護(hù)電流密度

表3 各墩臺(tái)鋼管樁保護(hù)電流A

2.5 犧牲陽(yáng)極選用及數(shù)量

鋁合金犧牲陽(yáng)極由于具有密度小、電容量大、在氯離子介質(zhì)中陽(yáng)極性能良好、原料豐富、制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在保護(hù)鋼質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)時(shí)被廣泛采用。常見(jiàn)的鋁合金犧牲陽(yáng)極有許多種，本工程設(shè)計(jì)選用鋁-鋅-銦-鎂-鈦合金犧牲陽(yáng)極，此種陽(yáng)極與其他品種陽(yáng)極相比具有電容量、電流效率高，消耗率低等特點(diǎn)。鋁合金陽(yáng)極的化學(xué)成份、電化學(xué)性能以及制作技術(shù)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]有關(guān)規(guī)定。2號(hào)引橋墩使用A型犧牲陽(yáng)極尺寸為（280+320）mm×1 100 mm×300 mm，單只陽(yáng)極質(zhì)量268 kg，共13只；其他墩臺(tái)使用B型犧牲陽(yáng)極尺寸為（220+260） mm×1 000 mm×240 mm，單只陽(yáng)極質(zhì)量158 kg，共450只。

3 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的實(shí)施

3.1 鋼管樁電性連接

由于每根鋼樁的狀態(tài)不盡一致，為保證犧牲陽(yáng)極的使用壽命一致和保護(hù)電位的均勻，整體得到一致的良好保護(hù)，各墩臺(tái)鋼管樁用鋼筋電連接形成一個(gè)保護(hù)整體，電連接是在墩臺(tái)混凝土澆注前通過(guò)樁芯混凝土中鋼筋與樁內(nèi)表面焊接，樁芯混凝土中鋼筋再與墩臺(tái)底層結(jié)構(gòu)鋼筋焊接連接而成。

3.2 犧牲陽(yáng)極的水下焊接安裝

犧牲陽(yáng)極安裝質(zhì)量的好壞，直接影響到陽(yáng)極的發(fā)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(jiǎn)單、牢固可靠等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，但由于在作業(yè)過(guò)程中高溫熔池會(huì)使水分離出大量的氫原子，焊縫中擴(kuò)散氫的含量為陸地焊條焊接時(shí)的好幾倍；同時(shí)，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(qū)容易出現(xiàn)高硬組織，內(nèi)應(yīng)力集中，焊接質(zhì)量不高的缺陷，只能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求不高的地方使用。而干式焊接法采用二氧化碳?xì)怏w作為排水氣體和保護(hù)氣體，使電弧在一個(gè)穩(wěn)定的、氧化性較強(qiáng)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(zhì)量好，接頭質(zhì)量不低于母材，質(zhì)量有保證。

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

每塊犧牲陽(yáng)極2個(gè)焊腳、4條焊縫，要求每條焊縫有效長(zhǎng)度＞80 mm，焊縫高度＞5 mm，焊縫基本連續(xù)、寬度均勻、平整、無(wú)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(yáng)極安裝完畢后對(duì)焊縫進(jìn)行水下電視檢查，抽檢數(shù)量為陽(yáng)極總量的5%～10%。

3.3 保護(hù)效果檢測(cè)

為了保證和全面了解掌握鋼管樁的保護(hù)效果，除了對(duì)犧牲陽(yáng)極材料質(zhì)量和對(duì)工程施工質(zhì)量進(jìn)行全面有效的控制外，在本工程實(shí)施結(jié)束后測(cè)量每根鋼管樁的保護(hù)電位。所有鋼樁保護(hù)電位均在-1 043～-915 mV之間，平均保護(hù)電位-983 mV，均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求?？梢哉J(rèn)為鋼管樁處于最佳保護(hù)狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

從犧牲陽(yáng)極保護(hù)施工中，鋼管樁保護(hù)系統(tǒng)水下檢查和電位測(cè)量結(jié)果表明：

1） 鋼管樁犧牲陽(yáng)極保護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇和陽(yáng)極布置是合理的；

2） 鋼管樁保護(hù)電位全部在設(shè)計(jì)和規(guī)范所要求的范圍內(nèi)，處于最佳保護(hù)狀態(tài)。

[1]JTJ230—89，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)定[S].

[2]GB/T 4948—2002，鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極[S].