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武鋼碼頭鋼管樁陰極保護(hù)
發(fā)布時(shí)間：2020-07-02 瀏覽次數(shù)：4678次
武鋼碼頭鋼管樁陰極保護(hù)
李家全，葛鵬，熊述波，李曉瑞，黃新豪，周學(xué)杰，童凱，李志，陳曉軍
(1．武鋼工業(yè)港；2．武漢材料保護(hù)研究所3．武漢科特科技有限責(zé)任公司)
摘 要：武鋼工業(yè)港8、9號(hào)碼頭為高樁棧橋鋼材外發(fā)碼頭，碼頭棧橋A、B排鋼管樁下段長期浸泡在江水中，銹蝕嚴(yán)重，將危及碼頭安全使用。為了減緩鋼管樁的腐蝕，對(duì)其施以外加電流的陰極保護(hù)措施，從而延緩鋼管樁表面的腐蝕速度，延長碼頭鋼管樁使用壽命。
關(guān)鍵詞：鋼管樁；腐蝕；陰極保護(hù)
武鋼工業(yè)港地處長江中游南岸，其8、9號(hào)鋼管樁碼頭為武鋼貨物重要的進(jìn)出基地，經(jīng)多年使用，鋼管樁腐蝕嚴(yán)重，可見明顯的蝕坑，尤其是長期浸泡在水中部分，由于條件限制，多年來一直沒有維修給予保護(hù)。未加保護(hù)的港灣設(shè)施，長期浸泡在水中會(huì)遭受嚴(yán)重的腐蝕。一般平均腐蝕率為0．1～0．4 mm/a，點(diǎn)蝕腐蝕率可為0.5 mm／a。因此，為確保碼頭能長期正常運(yùn)行，安全使用，必須對(duì)其進(jìn)行防腐。
1 防腐方案的選擇
1.1 碼頭的基本情況
工業(yè)港8、9號(hào)碼頭建設(shè)于1985年，為高樁棧式橋鋼材出口外發(fā)碼頭，年出口外發(fā)鋼材200萬t以上，是體現(xiàn)武鋼經(jīng)濟(jì)效益的最后關(guān)鍵工序。碼頭棧橋A排直立式鋼管樁全長58.0m，鋼管樁從岸坡0m(吳淞標(biāo)高)的地表打人地下，穿過泥土和鵝卵石層后深入-23m的巖石層，0～11.8m(設(shè)計(jì)低水位)標(biāo)高段長期浸泡在江水中，l1.8～27.8 m標(biāo)高段為江水漲落間浸區(qū)，27.8m以上至棧橋梁底露在空中；鋼管樁基本情況見表1和圖1。
使用幾年后，鋼管樁表面出現(xiàn)較為嚴(yán)重腐蝕，在冬天枯水期，可見近水面段鋼管樁表面附著貝殼類水生物，鏟去貝殼類水生物，可見鋼管樁表面因嚴(yán)重腐蝕而呈現(xiàn)魚鱗狀銹皮塊，敲掉魚鱗狀銹皮塊可見明顯銹蝕坑，因此，鋼管樁在水中和泥土中的銹蝕問題顯然是不可忽視的；低水位以上部分鋼管樁表面每隔5～8年就進(jìn)行一次除銹刷漆防腐，使鋼管樁表面處于受控保護(hù)狀態(tài)，但是，水下和地下泥土中部分就處于無保護(hù)自然腐蝕狀態(tài)；另外，碼頭作業(yè)船舶靠、離時(shí)，經(jīng)常磨擦碰撞鋼管樁，從而加速鋼管樁表面的腐蝕速度。若這樣任其下去，將嚴(yán)重影響碼頭鋼管樁的使用壽命并危急碼頭生產(chǎn)安全作業(yè)。長江淡水雖然沒有海水腐蝕性強(qiáng)，但是對(duì)鋼管樁的腐蝕仍然是不可忽視的，碼頭區(qū)長江水質(zhì)氯離子濃度平均為10× ，同時(shí)含有硫酸根離子、碳酸根離子，pH為7.5；所以對(duì)8、9號(hào)碼頭鋼樁水下和地下部分采取措施進(jìn)行防腐保護(hù)是非常必要的。
1.2 防腐方案確定
在淡水和海水中的金屬防腐，采取陰極保護(hù)是被國內(nèi)外廣泛采用的成熟方法，陰極保護(hù)就是對(duì)介質(zhì)中被保護(hù)金屬施加陰極電流，使它產(chǎn)生陰極極化，從而降低或阻止它的腐蝕速度。國內(nèi)外資料證明 即使采用優(yōu)質(zhì)涂料，水下鋼結(jié)構(gòu)也只能保證幾年不受到腐蝕破壞，如果采用陰極保護(hù)，無論有無防腐涂層，也無論涂層質(zhì)量如何，均可使其在設(shè)計(jì)保護(hù)期不遭到腐蝕破壞，大大延長其使用壽命，尤其是操作條件不允許使用涂層保護(hù)或不可能更換構(gòu)件和維修涂層的固定式、永久性的大型鋼結(jié)構(gòu)。
陰極保護(hù)方法分為犧牲陽極法和外加電流法，犧牲陽極法是靠電位較負(fù)的金屬為陽極，逐漸溶解犧牲掉；外加電流法就是利用外部電流來提供所需的保護(hù)電流，被保護(hù)的金屬作為陰極，外加輔以陽極，兩者都有優(yōu)缺點(diǎn)，見表2。
因此對(duì)于淡水中的陰極保護(hù)，由于淡水電阻率較高，采用犧牲陽極陰極保護(hù)，犧牲陽極輸出電流小，保護(hù)范圍小，需要陽極數(shù)量多，且要求水下焊接，材料和施工費(fèi)用較高，因此一般不采用，而多選用外加電流的陰極保護(hù)。在水工、港工鋼結(jié)構(gòu)物的防腐方面，陰極保護(hù)技術(shù)最早的應(yīng)用是美國陸軍工程兵團(tuán)，20世紀(jì)50年代初期在密西西比河的梯形開發(fā)時(shí)，在一系列船閘、水閘的鋼閘門上首次運(yùn)用外加電流陰極保護(hù)，1952年澳大利亞、日本也在碼頭鋼管樁上推廣應(yīng)用。我國1965年首先在渾河水閘上試用了陰極保護(hù)技術(shù)。接著先后在三河節(jié)制閘、射陽河擋潮閘、上海石化廠油碼頭、上海石洞口電廠煤碼頭、烏溪江水電站引水鋼管等推廣應(yīng)用外加電流陰極保護(hù)，使用效果較好。
對(duì)于武鋼碼頭鋼管樁經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防腐方案如下。
大氣區(qū)：采用涂料防腐方案
長期水下和泥土部分：采用外加電流陰極保護(hù)
對(duì)水位變化間浸區(qū)：采用涂料加外加電流陰極保護(hù)防腐方案
涂料加陰極保護(hù)即可大幅降低陰極保護(hù)費(fèi)用，同時(shí)可延長涂料的使用壽命；對(duì)于水位變化間浸區(qū)，在長江低水位期鋼管樁表面采取手工機(jī)械除銹，涂刷防腐涂料，防腐涂料選用耐蝕耐水耐酸堿耐磨的環(huán)氧改性玻璃鱗片涂料，二底二中二面配套防腐體系。
2 陰極保護(hù)
2.1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)
(1)保護(hù)電位
最小保護(hù)電位為－0.85 V(相對(duì)Cil／CuSO4參比電極，下同)，最大保護(hù)電位為－1.5 V。
(2)保護(hù)電流密度
水中有涂層保護(hù)電流密度
水中無涂層保護(hù)電流密度
泥土以下保護(hù)電流密度
(3)設(shè)計(jì)有效保護(hù)年限為20年。
(4)總的保護(hù)面積S=8934 。
(5)總的保護(hù)電流強(qiáng)度I=272.75(A)。
(6)長江水電阻率為2000～5000 /cm。
(7)輔助陽極：選用高硅鑄鐵陽極，尺寸 ，質(zhì)量50 kg，最大發(fā)生電流8A/只。
(8)陽極數(shù)量：高硅鑄鐵陽極50套，單只陽極發(fā)生電流為5.5A/只。
(9)儀器設(shè)備的確定
按設(shè)計(jì)計(jì)算，武鋼碼頭陰極保護(hù)站恒電位儀的正常工作輸出，總輸出電流約300 A，考慮碼頭B墩和C墩可能消耗一部分電流，故選擇最大輸出100A/100V的PS - l自動(dòng)控制恒電位儀4臺(tái)。
（10)參比電極：長江為淡水介質(zhì)，參比電極選用鉑金電極，使用壽命20年，共4只。
(11)8、9號(hào)碼頭各設(shè)計(jì)l套陰極保護(hù)站，為了便于管理，將恒電位儀設(shè)置在一個(gè)陰極保護(hù)間。
2.2 陰極保護(hù)施工安裝
陰極保護(hù)工程施工安裝示意圖見圖2(一個(gè)碼頭)。
(1)輔助陽極的布置與安裝。該工程于2003年底開工，利用冬季枯水期，在A、B排樁之間的岸邊挖坑埋設(shè)陽極地床，地床距A墩鋼管樁20～25 m處，輔助陽極埋設(shè)深度在最低水位線以下，按保護(hù)面積均勻布置，陽極周圍添加焦炭；每個(gè)碼頭25只輔助陽極用電纜并入接線盒中，由陽極主電纜引入陰極保護(hù)問，與恒電位儀連接。
(2)參比電極安裝。參比電極安裝在最低水位線以下，固定在鋼管樁旁，每個(gè)碼頭安裝2支。
(3)通電點(diǎn)位置。通電點(diǎn)設(shè)置在4組鋼管樁4個(gè)部位，在水面以上，零位線選擇在靠船樁通電點(diǎn)附近，距通電點(diǎn)100～150mm。所有電纜引線均引入陰極保護(hù)問。
(4)陰極保護(hù)問 各碼頭陰極保護(hù)問安裝兩臺(tái)恒電位儀，其中1臺(tái)為手動(dòng)、恒電流輸出，另1臺(tái)為自動(dòng)，由參比電極控制電位輸出，兩臺(tái)儀器聯(lián)合使用。
(5)鋼管樁連接。由于鋼管樁是相互獨(dú)立的，為了保證陰極保護(hù)效果，鋼管樁之間用扁鋼或電纜通過焊接連接起來，相互之間保持良好的電性連接。
2.3 兩種保護(hù)方法經(jīng)濟(jì)效益分析
采用犧牲陽極法，淡水中只能采用鎂合金陽極，規(guī)格為11kg，設(shè)計(jì)壽命20年，淡水電阻率較高，陽極輸出電流約為30Ma/支，由2.1節(jié)可知，碼頭需保護(hù)電流為272.75 A，則需鎂合金陽極數(shù)量為9092支，平均每根鋼管樁需焊接安裝95支，假定每只陽極安裝和材料費(fèi)為600元，工程總費(fèi)用為545.52萬元，平均每年費(fèi)用27.273萬元。采用外加電流方法，主要設(shè)備材料為：恒電位儀4臺(tái)，電纜3000 m，輔助陽極50套，其他附件，材料加施工費(fèi)用約為50萬元，設(shè)備正常工作，每年運(yùn)行費(fèi)大約為3萬元，平均每年費(fèi)用為5.5萬元，大大低于犧牲陽極法。
因此，武鋼碼頭鋼管樁陰極保護(hù)采用外加電流法是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。
2.4 陰極保護(hù)效果
陰極保護(hù)系統(tǒng)于2004年5月開始投入運(yùn)行，設(shè)備控制保護(hù)電位在- 1.2～ - 1.5 V(相對(duì)Cu／Cu 參比電極)，設(shè)備工作參數(shù)和鋼管樁保護(hù)電位見表3、4。經(jīng)一個(gè)月通電后，鋼管樁的保護(hù)電位已進(jìn)入保護(hù)范圍，測得鋼管樁的保護(hù)電位在- 0.87～-1.46 V，均小于- 0.85 V的設(shè)計(jì)要求；陰極保護(hù)系統(tǒng)初始保護(hù)電流為170～188A，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作后，工作電壓為50～60V，保護(hù)電流降到70～90 A，鋼管樁均達(dá)到保護(hù)要求。
3 結(jié) 語
長江淡水碼頭鋼管樁結(jié)構(gòu)防腐可以采用陰極保護(hù)，鑒于長江水的實(shí)際情況，電阻率較大，犧牲陽極法不適用，宜采用外加電流法；輔助陽極采用高硅鑄鐵陽極，價(jià)格經(jīng)濟(jì)；從保護(hù)電位可知，武鋼碼頭陰極保護(hù)系統(tǒng)施工安裝是成功的，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，鋼管樁得到很好的保護(hù)，可以大大延長碼頭鋼管樁的使用壽命。
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