铝基牺牲阳极在天津港海泥中的应用

管学鹏，张文锋，杨太年

（1.天津港港务设施管理中心，天津 300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

随着水运工程向专业化、大型化方向发展，钢筋混凝土结构已不能完全满足现代码头结构荷载和水深的要求。而水工钢结构由于其优越的性能，近年来已在现代码头建设中得到广泛应用。钢结构具有优良的物理、机械及施工性能，然而其存在一个极大的弊端，即耐腐蚀性能差且损坏后维修比较困难。因此，实际使用中必须对钢结构进行防腐处理，否则钢结构的安全性、耐久性将受到严重影响，并给码头结构带来极大的安全隐患。如福建某设计使用年限25 a的码头由于未对钢结构进行必要的防腐保护，导致该码头仅使用5 a即发生钢管桩严重锈蚀甚至出现锈洞的现象。锈洞的产生将引起应力集中，严重削弱了码头钢结构的承载能力。

近年来，随着天津港向深水大港的方向大步迈进，钢结构已成为天津港不可或缺的建筑材料。为有效保护这些钢结构，牺牲阳极阴极保护系统已被天津港广泛应用。据不完全统计，截止2008年，天津港共施打钢管桩14 000余根，使用钢材约26万t，其中采用牺牲阳极保护的面积约为110余万m2，牺牲阳极普遍采用Al-Zn-In-Mg-Ti系合金。

目前，天津港钢结构的牺牲阳极阴极保护系统运行状态基本良好。然而，由于天津港的回淤性特质，使得一些码头尤其是老码头的牺牲阳极被海泥不同程度掩埋，导致牺牲阳极阴极保护系统使用寿命和效果降低，从而影响整个码头结构的安全和使用寿命。这是目前天津港牺牲阳极阴极保护系统使用过程中亟待解决的问题。

1 天津港牺牲阳极阴极保护系统的状况及问题的提出

2004年天津港的调查报告[1]显示，港埠一公司码头的抽检阳极块体已全部被埋入泥中，只有阳极的焊脚仍露于泥面之上；南疆石化码头也有部分牺牲阳极被不同程度掩埋。2004年调查中，还对这些码头钢结构周围泥面标高和钢结构的保护电位进行了检测。表1～表3为2004年调查中各码头抽检钢管桩周围的泥面标高及其保护电位。

表1 港埠一公司码头钢板桩附近的泥面标高及其保护电位

表2 南疆石化码头10万吨级码头2号靠船墩钢管桩周围的泥面标高及其保护电位

表3 南疆石化码头15万吨级码头1号系船墩钢管桩周围的泥面标高及其保护电位

从表1～表3中可以看出，随着钢结构附近整体泥面标高的提高，阴极保护电位整体正移，即阴极保护效果下降。一方面，泥面提高使得钢结构所处电解质环境的淤泥增加，电阻率变大；另一方面，牺牲阳极被掩埋后，表面活性溶解点减少。上述两个原因将导致牺牲阳极工作效率下降，使阴极保护整体效果下降。

对于泥面较低的钢结构，阴极保护系统的保护效果较好。如10万吨级码头2号靠船墩钢管桩的保护电位均处在-900～-1 000 mV的最佳保护电位范围内，可见目前天津港普遍使用的Al-Zn-In系牺牲阳极具有良好使用性能。

然而，对于部分泥面较高的钢结构，阴极保护系统的保护效果有所下降。如15万吨级码头1号系船墩钢管桩的保护电位大部分未处在最佳保护电位范围内，但都负于阻止钢铁腐蚀的安全电位-800～-850 mV。可见，尽管部分牺牲阳极因淤泥的掩埋工作效率下降，然而由于结构的电连接性较好，其它工作效率较高的牺牲阳极仍能较好地补充上述损失，使整体结构仍处在阴极保护系统的保护之中，但这将加速未被掩埋阳极的消耗，使牺牲阳极难以达到设计使用年限。

由于钢结构的牺牲阳极几乎完全被掩埋，在相同的使用年限下，港埠一公司码头钢结构保护电位都已正于保护电位，即阴极保护系统已完全失效；而另外两个与其同期设计施工、保护指标相同的码头（南疆石化码头）却仍处于阴极保护状态中。

综上可知，牺牲阳极被掩埋将导致牺牲阳极阴极保护系统使用寿命和效果降低。这是由于海泥不像海水介质化学成分均一且流动性好，使得在海水中使用良好的牺牲阳极在海泥中使用时性能严重下降[2]。而天津港现有疏浚方式多以传统的耙吸、绞吸及新研究的抓吸疏浚方式为主，很难对码头结构下部的淤泥予以有效治理，因此亟需采用其它方法解决上述问题。研究表明，Al-Zn-In-Si系牺牲阳极在海泥中具有较好的使用性能[3]。鉴于上述原因，本文以牺牲阳极被掩埋最严重的天津港港埠一公司码头为研究对象，在海泥中采用Al-Zn-In-Si系牺牲阳极，并为阳极配置填包料，以期解决上述问题，并为在天津港海泥区中实施牺牲阳极阴极保护提供依据。

2 Al-Zn-In-Si系牺牲阳极在天津港海泥中的应用

2.1 工程概况

天津港港埠一公司码头全长760 m，其阴极保护分别于1992年和1993年分两期完成，设计使用年限15 a。2004年对港埠一公司码头钢板桩阴极保护系统的调查结果表明，阳极已全部被埋入泥中，只有阳极的焊脚仍露于泥面之上，阳极已达到保护年限末期，发生电流小于设计维持电流，大部分钢板桩的保护电位已经正于-850 mV，也就是说，港埠一公司码头大多数钢板桩处于保护不足状态。因此需要重新设计和安装牺牲阳极，恢复系统的保护功能。2005年底开始，天津港对港埠一公司码头钢结构牺牲阳极阴极保护系统进行了更换，并于2007年底竣工。本次更换工程中，在天津港首次采用了上述Al-Zn-In-Si系牺牲阳极。

2.2 实施方案的确定与主要材料的选择

阴极保护有两种形式：牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。本工程的码头岸线较长，若采用外加电流阴极保护，需沿岸线配置多台整流器及相关设备和材料。然而，因淤积钢结构水中区的保护面积较小，并不需要如此多的整流器来供给保护电流，显然采用外加电流阴极保护并不经济。此外，由于淤积及该码头结构的复杂性，实施外加电流阴极保护难度较大。而牺牲阳极阴极保护由于其结构灵活、适应性强，可以较好地解决上述问题，不仅经济，而且实施简单。因此，选择牺牲阳极阴极保护作为钢结构的阴极保护形式。

由于泥面淤积严重，钢结构在水中区的长度很小，无法直接安装牺牲阳极，只能将牺牲阳极安装于海泥之中。天津港属于典型的淤泥质港口，滩面泥沙颗粒较细，中值粒径约在0.005 mm，会发生絮凝作用，形成含水量高，密度低，具有高度蜂窝状结构的淤积物。这种结构的淤泥具有较低的电阻率，为使用铝基牺牲阳极提供了一定条件。鉴于上述实际情况和Al-Zn-In-Si在海泥中的良好使用效果以及合理的成本（Mg基、Zn基牺牲阳极成本较高），选择Al-Zn-In-Si系合金作为本次更换工程使用的牺牲阳极。

为减少牺牲阳极与海泥之间的电阻，并使牺牲阳极均匀溶解，还借鉴了在土壤中埋设镁基牺牲阳极时常用的方法，即在牺牲阳极外包覆填包料。填包料由70%石膏粉、25%膨润土、5%硫酸钠组成。用于海水中的牺牲阳极一般直接焊接在钢结构上，未外包填包料。在被淤泥掩埋的情况下，阳极金属的反应产物难以流动和扩散，而且会与淤泥结合紧密包裹在阳极表面，阻断剩余金属与海水的继续反应，导致阳极失效。而本工程中使用的Al-Zn-In-Si系牺牲阳极系统则外包了填包料。一方面，填包料的存在有助于阳极腐蚀产物的扩散和分散，阻止表面生成高电阻腐蚀产物沉积层，促进阳极材料的均匀溶解消耗，从而保证阳极在淤泥环境中连续发挥作用，并推迟牺牲阳极可能发生逆转的时间；另一方面，外包填包料可以降低阳极所处环境的电阻率，增大阳极发生电流的有效面积，提高阳极的使用效率。

此外，随着时间的推移，淤泥淤积程度将会加深，淤泥密实度也随之增大，使得铝基阳极周围环境发生变化，若牺牲阳极的使用年限超过了其发生逆转现象所需的时间，可能会导致阳极发生逆转现象而过早失效。因此，应尽量避免牺牲阳极使用年限过长。本次更换设计采用较短的使用寿命（5 a）。

综合考虑工程的经济性、科学性和可实施性，选择牺牲阳极阴极保护作为阴极保护形式，采用设计使用年限较短的Al-Zn-In-Si系合金及外包填包料的实施措施是适宜的。

2.3 施工工艺

阳极安装时，一般需采用9 m3空气压缩机在安装阳极的位置吹出一个阳极坑，阳极坑的大小应足以容纳阳极，并使阳极上焊脚标高处于-1 m以下。然后将阳极埋入阳极坑，再采用水下焊接工艺固定安装阳极。阳极布置应尽量均匀，并利用原有的电连接系统使阳极电流分布均匀，使钢结构各部分都得到应有保护。

2.4 阴极保护系统的保护效果

保护电位是评价钢结构保护状态和保护效果的重要参数。竣工检测的结果显示，钢结构的阴极保护电位均负于-800 mV，达到设计要求，可见该牺牲阳极阴极保护系统具有良好的保护效果。

3 结语

由于天津港的回淤性特质，导致一些码头（尤其老码头）钢结构的牺牲阳极被不同程度的掩埋。现有码头钢结构无论牺牲阳极阴极保护系统还是外加电流阴极保护系统，都可能出现由于牺牲阳极或辅助阳极埋于泥下而无法有效发挥作用的现象。本文所采用的牺牲阳极阴极保护系统具有特殊的结构形式和溶解方式，在天津港海泥区中初步使用效果显著。这为解决天津港被海泥严重掩埋钢结构的阴极保护提出了一种新方法，对保障天津港老码头安全及使用寿命具有积极的意义，也有着示范性的作用。

[1]马化雄.天津港水工钢结构防腐措施的应用研究报告[R].天津：天津港湾工程研究所，2004.

[2]李异，戚本盛，邓和平.铝合金牺牲阳极在南海海泥中的性能研究[J].腐蚀科学与技术，1991，3（1）：22-26.

[3]李异.牺牲阳极在海泥中电化学性能的影响因素[J].腐蚀与防护，2001，22（12）：527-529.