陳艷萍，張文鋒，陳韜，李云飛，馬化雄

（1.天津津港基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護運營工程管理有限公司，天津 300456；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）

0 引言

犧牲陽極系統(tǒng)以其維護要求低、無需外部電源等優(yōu)點，在海港碼頭鋼管樁防腐中得到廣泛使用，并起到良好的保護效果[1-3]。海港碼頭鋼管樁犧牲陽極系統(tǒng)的設(shè)計使用壽命通常為15～30 a。20世紀80年代后期以來建成碼頭的犧牲陽極系統(tǒng)已陸續(xù)達到了設(shè)計使用壽命或即將達到設(shè)計使用壽命。此時，碼頭相關(guān)部門將面臨一個新問題，即如何維護管理這些達到設(shè)計壽命的犧牲陽極系統(tǒng)。實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受涂層實際破損率、鋼樁實際保護電流需求量等影響，某些海港碼頭的犧牲陽極系統(tǒng)在達到設(shè)計使用壽命后，保護電位仍滿足設(shè)計要求，即仍能為碼頭鋼結(jié)構(gòu)提供良好的陰極保護。由此可見，犧牲陽極系統(tǒng)達到設(shè)計壽命即強制報廢并更換，會造成巨大的資源浪費，不符合可持續(xù)發(fā)展和節(jié)約型社會的要求。顯然，在犧牲陽極系統(tǒng)達到設(shè)計壽命后，通過檢測評估確定其服役狀態(tài)并據(jù)此選擇繼續(xù)使用或更換新系統(tǒng)，是較科學(xué)合理的解決措施。本文結(jié)合天津港某碼頭的實際工程案例，詳細介紹海港碼頭達設(shè)計使用壽命犧牲陽極系統(tǒng)的維護管理。

1 達設(shè)計使用壽命犧牲陽極系統(tǒng)維護管理過程

當(dāng)海港碼頭鋼管樁的犧牲陽極系統(tǒng)達到設(shè)計使用壽命時，首先測定鋼管樁的電位，當(dāng)電位為-1 050～-800 mV時，對犧牲陽極的外觀狀況、剩余尺寸、安裝狀態(tài)等進行詳細檢測，推算犧牲陽極系統(tǒng)的剩余使用壽命。在此推算的剩余使用年限內(nèi)，應(yīng)加強犧牲陽極系統(tǒng)的檢測，以便及時采取應(yīng)對措施。當(dāng)鋼管樁電位正于-800 mV時，電位不滿足要求，應(yīng)對犧牲陽極的外觀狀況、剩余尺寸、安裝狀態(tài)等進行詳細檢測，據(jù)此分析電位不滿足要求的原因，并據(jù)此采取相應(yīng)的措施。

2 工程案例概況

天津港某碼頭2號泊位A、B靠船墩鋼管樁材質(zhì)為Q345B，直徑1 500 mm，共8根。墩臺鋼管樁原采用犧牲陽極保護，犧牲陽極系統(tǒng)設(shè)計壽命15 a，2017年犧牲陽極系統(tǒng)已達設(shè)計使用壽命。犧牲陽極系統(tǒng)所處環(huán)境條件如下：海水電阻率20～30Ω·cm；設(shè)計高水位：+4.3 m；設(shè)計低水位：+0.5 m。為確保碼頭的安全性和耐久性，需對犧牲陽極系統(tǒng)進行現(xiàn)場檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果采取相應(yīng)措施。

3 犧牲陽極系統(tǒng)的現(xiàn)場檢測

3.1 檢測項目及方法

鋼管樁電位是判斷鋼管樁保護狀態(tài)是否滿足要求的首要依據(jù)。電位檢測方法如下[4]：檢測時，將海水AgCl參比電極放入水中，待充分活化后，讓其靠近待測鋼樁表面（選取上、中、下3個測點），用導(dǎo)線使參比電極、萬用表和所測鋼管樁形成回路，并讀出電位值。犧牲陽極系統(tǒng)采用潛水員攜水下攝像設(shè)備輔助檢測，具體如下：檢測時，潛水員對犧牲陽極及其焊腳進行探摸，隨后清理犧牲陽極表面的覆蓋層，檢查人員通過攝像設(shè)備觀察犧牲陽極的外觀狀況。

3.2 檢測結(jié)果及分析

表1為A、B靠船墩鋼管樁電位的檢測結(jié)果。由表1可知，A靠船墩被檢鋼管樁電位范圍為-673～-665 mV（相當(dāng)于海水AgCl電極，下同）。低合金結(jié)構(gòu)鋼在海水中的自然腐蝕電位范圍一般在-670～-650 mV左右?？梢?，A靠船墩的犧牲陽極系統(tǒng)已失效，無法對鋼管樁提供保護。B靠船墩鋼管樁的電位處在-767～-759 mV。鋼管樁在海水中的保護電位范圍為-1 050～-800 mV[5]。可見，B靠船墩鋼管樁電位未達到保護電位范圍的下限，可見犧牲陽極系統(tǒng)已無法對鋼管樁提供充足保護。由此可知，A靠船墩犧牲陽極陰極保護效果為C級，應(yīng)查明原因并立即采取措施；B靠船墩犧牲陽極陰極保護效果為B級，應(yīng)查明原因并及時采取措施[5]。

表1 A、B靠船墩鋼管樁的電位檢測值Table1 Potential detection values for steel pipepiles of breasting dolphin A and B

鋼管樁電位不滿足要求，因此對犧牲陽極進行了水下檢查，以查明原因。圖1為靠船墩犧牲陽極的水下外觀狀況。圖2為現(xiàn)場取樣犧牲陽極的外觀狀況。由圖1和圖2可知，A、B靠船墩的犧牲陽極已基本消耗殆盡，且犧牲陽極鋼芯已暴露，說明犧牲陽極已基本消耗至其壽命終點，因此無法為鋼管樁提供正常保護。由于犧牲陽極系統(tǒng)設(shè)計時常會考慮富裕量[4，6，7]、涂層實際破損率常小于設(shè)計破損率等原因，可能會存在犧牲陽極系統(tǒng)服役年限超過原設(shè)計使用年限的情況。但需注意，當(dāng)犧牲陽極系統(tǒng)超過設(shè)計使用壽命后，應(yīng)對鋼管樁電位加強檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理陰極保護不足的問題。目前，A、B靠船墩的犧牲陽極系統(tǒng)服役年限達到了設(shè)計使用壽命且已失效，因此需立即進行更新，以免影響鋼管樁的使用壽命，對整體結(jié)構(gòu)的耐久性造成危害。

圖1 靠船墩犧牲陽極的外觀狀況Fig.1 Appearance for a sacrificial anodeof the breasting dolphin

圖2 現(xiàn)場取樣犧牲陽極的外觀狀況Fig.2 Appearance for a sacrificial anodeobtained by field sampling

4 犧牲陽極系統(tǒng)的更新設(shè)計

4.1 技術(shù)要求

鑒于A、B靠船墩的犧牲陽極系統(tǒng)已失效，需對犧牲陽極系統(tǒng)進行更新設(shè)計。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及建設(shè)單位的相關(guān)要求，犧牲陽極系統(tǒng)設(shè)計壽命為15 a，要求犧牲陽極系統(tǒng)安裝7 d后，鋼管樁保護電位達到-900 mV，且在設(shè)計保護期限內(nèi)，鋼管樁電位控制在-1 050～-800 mV。

4.2 保護面積和保護電流計算

鋼管樁保護面積包括水位變動區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)的表面積。保護電流分為初期保護電流、維持保護電流和末期保護電流。根據(jù)犧牲陽極設(shè)計的原則[4]，初期保護電流應(yīng)足夠大促使被保護鋼管樁開始極化，維持保護電流在犧牲陽極系統(tǒng)的整個設(shè)計使用期限內(nèi)大小應(yīng)適當(dāng)，末期保護電流應(yīng)足夠大以滿足設(shè)計壽命后期的使用要求。初期、維持及末期保護電流的計算公式見式（1）[4]。

式中：Im為初期（I1）、維持（I2）及末期（I3）保護電流，A；in為水位變動區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)的保護電流密度，A/m2；sn為水位變動區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)的保護面積，m2。

表2為保護電流計算結(jié)果。

表2 保護電流計算結(jié)果Table2 Calculated results of the protection currents

4.3 犧牲陽極規(guī)格及數(shù)量

海水環(huán)境中常用犧牲陽極主要為鋁合金陽極和鋅合金陽極。A、B靠船墩鋼管樁采用Al-Zn-In-Mg-Ti陽極，尺寸規(guī)格為1 000×（200+160）×180 mm，陽極鐵芯采用φ25 mm的螺紋鋼，焊腳采用12號型普通熱軋槽鋼，單塊陽極合金凈重為86 kg，毛重為95.5 kg。根據(jù)犧牲陽極設(shè)計原則，犧牲陽極系統(tǒng)應(yīng)滿足初期、維持及末期保護電流需求，據(jù)此計算所得陽極數(shù)量見表3。表3中，N1、N2和N3為滿足初期、維持及末期保護電流所需陽極數(shù)量，塊；ΔV為驅(qū)動電位，取0.28 V；C為陽極初期等效周長，cm；ρ為海水電阻率，取25Ω·cm；q為犧牲陽極實際電容量，為2 600 A·h/kg；Wi為單個犧牲陽極的凈質(zhì)量，kg；μ為犧牲陽極的利用系數(shù)，取0.9。表中計算公式由JTS 153-3—2007[4]和JTS 153—2015[6]的相關(guān)公式推導(dǎo)而來。

表3 滿足初期、維持及末期保護電流所需陽極數(shù)量Table3 Quantitiesof the sacrificial anodesrequired by the initial,maintenance and final protection currents

5 犧牲陽極系統(tǒng)現(xiàn)場實施及保護效果

5.1 鋼管樁之間的電連接

每個鋼管樁的表面狀態(tài)、被保護面積及所處環(huán)境不盡相同，為保障被保護鋼管樁間保護電位的均勻分布，促進靠船墩陰極保護的一致性，需在鋼管樁間實施電連接。資料顯示，在原犧牲陽極系統(tǒng)前時，已在靠船墩鋼管樁間實施了電連接。在更新工程中，對電連接狀態(tài)進行了確認。結(jié)果表明，鋼管樁之間電連接狀態(tài)良好。

5.2 犧牲陽極布置和安裝

天津港的設(shè)計高水位為+4.3 m，設(shè)計低水位為+0.5 m。A、B靠船墩各安裝犧牲陽極16塊，每根樁安裝4塊陽極，安裝在鋼管樁上部陽極的上焊腳頂端標(biāo)高為-1.5 m，鋼管樁底部陽極的下焊腳底端高程與泥面的距離不小于1.0 m，中間2塊陽極的安裝高程按基本均勻布置。陽極的安裝高程允許誤差為±0.2 m，4塊陽極互成90°±30°布置。若安裝高程無法滿足時，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整，但需滿足JTS 153-3—2007[4]的相關(guān)要求，且應(yīng)在施工過程中進行記錄，最后在竣工資料中注明。每塊犧牲陽極有2個焊腳和4條焊縫，每條焊縫有效長度大于80 mm，焊縫飽滿、連續(xù)、平整和無虛焊，且牢固可靠。

5.3 現(xiàn)場質(zhì)量控制

5.3.1 犧牲陽極材料進場檢驗

當(dāng)犧牲陽極進場時，對出廠合格證、檢驗報告、廠家資質(zhì)等資料進行確認，明確犧牲陽極的品種、電化學(xué)性能、規(guī)格等是否滿足相關(guān)要求。安裝前，對犧牲陽極表面狀態(tài)、尺寸、質(zhì)量和化學(xué)成分等進行現(xiàn)場或取樣檢驗[4]，具體要求見表4。當(dāng)上述檢測項目出現(xiàn)不合格時，應(yīng)更換或退貨。此外，還對陽極焊腳進行了確認，當(dāng)存在脫焊、脫落、歪斜、不正等不滿足要求情況時，及時補焊、調(diào)整、找平或采取其他措施處理。犧牲陽極儲存和搬運時，盡量避免污染表面，當(dāng)受到污染時，及時清潔處理。

表4 犧牲陽極進場時的現(xiàn)場檢驗或取樣檢驗Table4 Field inspection and sampling inspection when the sacrificial anodesreached the construction site

5.3.2 犧牲陽極的安裝

犧牲陽極安裝前，對陽極的規(guī)格、位置和標(biāo)高進行確認。具體實施以靠船墩的底標(biāo)高為參照，用標(biāo)桿或測繩測量，并據(jù)此控制犧牲陽極的安裝高程。

犧牲陽極要求牢固地焊接安裝在鋼管樁上。水下焊接前，對水下焊條、水下焊接工藝及施工人員相關(guān)資質(zhì)進行確認。水下焊接安裝后，用水下攝像技術(shù)檢驗焊縫的長度、高度及連續(xù)性。檢查數(shù)量為總數(shù)的5%～10%，且不少于3塊[4]。檢測結(jié)果表明，陽極安裝焊縫連續(xù)、飽滿，長度合格，滿足相關(guān)要求。

5.4 陰極保護效果

犧牲陽極安裝完畢后7 d內(nèi)，對A、B靠船墩鋼管樁的電位進行全面檢測[4]。表5為A、B靠船墩鋼管樁的電位檢測值，可以看出A靠船墩鋼管樁保護電位處在-995～-986 mV，B靠船墩鋼管樁保護電位處在-1 000～-992 mV。由此可見，鋼管樁保護電位達到了設(shè)計和規(guī)范的要求（-1 050～-800 mV），說明犧牲陽極發(fā)揮了應(yīng)有的作用，對鋼管樁起到了良好保護。鋼管樁上、中、下3個位置的讀數(shù)很接近，說明犧牲陽極系統(tǒng)電流分布均勻。在犧牲陽極系統(tǒng)使用過程中，應(yīng)按照要求對鋼管樁保護電位進行常規(guī)檢查，檢查周期為1 a。

表5 A、B靠船墩鋼管樁的電位檢測值Table 5 Potential detection values for steel pipe piles of breasting dolphin A and B

6 結(jié)語

1）A、B靠船墩犧牲陽極系統(tǒng)已達設(shè)計使用壽命，檢測顯示鋼管樁電位為-767～-665 mV，不滿足相關(guān)要求且陽極已基本消耗殆盡，需立即更新。隨后，開展了犧牲陽極系統(tǒng)更新設(shè)計及現(xiàn)場實施。更新完成后，鋼管樁電位恢復(fù)至-1 000～-986 mV，達到了規(guī)范和設(shè)計要求，且電位分布均勻，說明設(shè)計參數(shù)選擇及陽極布置合理，安裝效果滿足要求。

2）20世紀80年代后期以來建成碼頭的犧牲陽極系統(tǒng)已陸續(xù)達到了設(shè)計使用壽命或即將達到設(shè)計使用壽命。當(dāng)海港碼頭鋼管樁的犧牲陽極系統(tǒng)達到設(shè)計使用壽命時，通過檢測評估確定其服役狀態(tài)并據(jù)此選擇繼續(xù)使用或更換新系統(tǒng)，是科學(xué)合理的解決措施。本文對于達設(shè)計使用壽命犧牲陽極系統(tǒng)的維護管理有借鑒意義。