无线遥测系统在海港工程钢结构防腐监测中的应用

李勇，赵金山，张文锋

（1.唐山曹妃甸实业港务有限公司，河北 唐山 063200；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

钢结构以其优良的物理、机械及施工性能，在海港工程中得到广泛应用。然而，海港工程钢结构处于严酷的海洋腐蚀环境中，严重影响结构的耐久性和安全性。目前，钢结构在海洋环境中的腐蚀问题已成为国内外关注的热点。海港工程钢结构腐蚀状况的在线监测，实时掌握结构的实际腐蚀状态，不仅可以避免因腐蚀损伤造成的恶性事故，而且可以为结构维护和管理提供重要依据，对保障海港工程正常作业、消除安全隐患具有重要的意义。

腐蚀监测是海工钢结构防腐体系的重要组成部分，但长期以来并未得到足够重视。近年来，钢结构使用越来越多，腐蚀与防护问题逐渐暴露出来，成为影响结构安全性和耐久性的关键因素之一。人们在探索有效防腐蚀途径的过程中，对作为防腐基础工作的腐蚀监测也逐步重视起来。海洋腐蚀是一个渐进的过程，常规检测由于在时间上的不连续性，会带来报警不及时的问题。只有连续的腐蚀状态自动监测才能从根本上解决这一问题。鉴于上述原因及曹妃甸港矿石码头一期工程的实际情况，曹妃甸实业港务有限公司委托中交天津港湾工程研究院有限公司开发了基于GPRS/SMS的智能远程防腐监测系统，对海工钢结构阴极保护进行实时远程监测，使用效果显著[1]。针对随后使用过程中遇到的实际问题，对系统进行了相应改进，实现了更可靠的数据传输以及监测点的集中管理。本文简要介绍了GPRS/SMS智能远程防腐监测系统的结构和工作原理，并就其在工程中的实际应用作了详细论述。

1 GPRS/SMS智能远程防腐监测系统

GPRS/SMS智能远程防腐电位监测系统（以下简称“防腐监测系统”）由数据采集终端、无线传输网络、监控中心三部分组成。图1为防腐电位遥测系统的结构示意图。数据采集终端由腐蚀信息采集系统（参比电极和电位测量装置）、单片微机、数模模数转换、无线通信模块等单元构成，主要负责现场电位的采集与数据发送。图2为数据采集终端的结构示意图。无线传输网络包括GPRS或SMS（短讯模式），负责数据的传输。监控中心由无线数据收发模块和监控计算机（附带自编操作软件） 两部分组成。其中，无线数据收发模块负责数据接收，监控计算机及软件负责执行向数据采集终端发号指令、索要数据，并对各层协议进行转换，把正确的现场数据显示给用户。

图1 防腐电位遥测系统的结构示意图

图2 数据采集终端结构示意图

防腐监测系统的工作原理是：监控计算机通过无线通信模块，借助无线传输网络向数据采集终端的无线通信模块下达读数指令。按照监控计算机的指令，终端的无线通信模块指示智能电位测量模块进行即时电位测量，并将结果再通过无线传输网络传回监控中心。该系统的主要功能归纳为：1） 数据接收处理：实时接收遥测点钢管桩的保护电位并进行合理判断。2） 应答查询：定时或手动查询钢管桩的阴极保护情况。3） 数据库管理：原始、历史数据库的形成、检索、查询等。4） 数据输出：可通过显示器、打印机、绘图仪等设备输出电位统计图。5） 联网通讯：可实现多计算机通讯。

通过防腐监测系统，检测人员可以随时、方便地测量钢管桩保护电位，方便准确地评定钢管桩保护效果。这有助于管理部门及时准确地了解和积累钢管桩保护信息，同时减少阴极保护系统管理人员的工作量，降低各种因素对阴极保护系统正常工作的影响。

2 工程应用

2.1 工程简介

曹妃甸矿石码头一期工程位于曹妃甸港深水区，在唐山地区唐海县南部海域中。该码头由13个结构段、2个系缆墩、4个抗冰墩和引桥组成，码头全长735 m，宽31 m。码头结构为钢管桩和预应力混凝土梁板结构，整个码头由788根1 200 mm、64根1 400 mm和74根1 800 mm的钢管桩支承。钢管桩材质为Q345B。根据码头结构和钢管桩各部位的标高尺寸，新建码头属海洋环境下固定式钢质结构，钢管桩存在着飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区4个严重腐蚀区域，严重威胁着码头的安全运行和长期使用。该工程的钢管桩水下及潮差区采用牺牲阳极防腐保护技术。其设计思路考虑到钢管桩码头结构的特点，各部位钢管桩直径不同，潮差区、海水全浸区和海泥区的长度不同，保护面积和所需保护电流不同，为了排除钢管桩之间因电位分布不均匀而造成的不良影响，达到电位分布均匀，整体得到一致的良好保护效果，要求在钢管桩桩帽制作前和码头施工建设过程中，分别将码头、系缆墩、抗冰墩和引桥墩所有钢管桩用钢筋采用电焊方法电性连接，各自形成一个保护整体。

为了全面了解和掌握钢管桩在不同时期的保护效果，除了竣工时对保护效果进行检验外，工程交付使用后，必须对钢管桩防腐效果进行定期全面检测。在40 a有效保护期间内，钢管桩电位必须自始至终控制在标准规定的保护电位范围-1.05～-0.78 V（相对于海水氯化银电极）[2]，发现问题及时给予解决，确保钢管桩的保护效果。钢管桩牺牲阳极保护效果的好坏可以通过电位测量数值进行直观有效的评定。鉴于上述要求，曹妃甸实业港务有限公司邀请中交天津港湾工程研究院有限公司开发了应用于该码头的第一代SMS远程短讯遥测系统。考虑到码头整体结构与保护方式等因素，该码头共设置7处监测点，其中码头主体设置4处监测点，引桥、系缆墩、抗冰墩上各设置1处监测点。前期还需对港口的水文情况进行勘察，以确定参比电极的安装位置和方式。监测点的具体分布情况如图3所示。

2.2 系统安装的注意事项

1） 系统安装之前，须掌握码头结构特点、码头附近的水文情况和阴极保护系统特征等相关信息。根据上述信息，确定安装位置和方式，合理布置监测点及现场设备。

2） 参比电极电缆须采用钢套管进行保护，安装前套管须进行密封和涂装，以满足电缆安全性及耐久性的要求。

3） 现场设备尽量布设于码头隐蔽部位或不易受现场作业影响的位置，这样可减少因现场作业导致的系统破坏或干扰。此外，还应当对其作相应保护。

2.3 工程应用中存在的问题及改进措施

2.3.1 系统抗干扰能力

图3 监测点的具体分布情况

工程初期，保护电位采集频率较低，因此传输方式采用SMS模式。防腐监测系统使用初期，经常出现数据无法上报的现象。经反复分析与检查，发现这是由于模块受到外界环境的强烈干扰所致。主要干扰源是现场大型门式装卸机，该机在工作时电磁干扰非常严重；而且功率较大，常导致供电电源出现波动。无线通信模块内部程序在受到外界强干扰后会出现跑飞情况，以至于产生锁死，对数据采集命令不能做出及时处理。针对上述问题，对模块本身及其内部程序进行了升级，并加强了模块在受干扰后的自动重启功能。此外，还在系统供电线路中加装了微电脑数控开关定时刷新模块运行状态，最终克服了外界的强烈干扰。通过上述改进，系统能够在受到强烈干扰时，自动恢复正常工作，减少了维护的工作量。近6年的监测效果显示，该系统能及时准确地检测并发送数据，可见改进措施取得了良好的效果。

2.3.2 参比电极系统

在例行检查中发现，投入运行几年后，部分监测点的参比电极电缆保护套管发生了锈蚀现象，其中较严重者出现了保护套管穿孔、断裂等现象，导致参比电极无法受到正常保护，大大降低了系统的使用寿命。上述现象主要是由于保护套管防腐保护不足所引起的。针对上述问题，对曹妃甸矿石码头一期工程中的7套遥测系统进行了相应改造。

原系统的参比电极电缆保护套管为码头面层施工时预埋的独立结构（见图4），其防腐措施主要是涂装保护。从使用效果来看，仅采用涂装保护无法满足套管的防腐要求，还须对套管加强防腐保护。参比电极电缆保护套管为无缝钢管，若与钢管桩进行电连接，亦能受到牺牲阳极阴极保护系统的保护。基于上述思路，对保护套管的结构进行了相应改进，即将具有支架的保护套管焊接于钢管桩上（见图5）。改进后的结构具有以下优点：1）由于进行了电连接，保护套管也能受到阴极保护系统的保护，加强了防腐效果，提高了结构的耐久性；2）由于保护套管紧贴钢管桩，缩短了参比电极与钢管桩的距离，有助于提高参比电极读数的准确性；3）由于保护套管焊接在钢管桩上，增强了浮冰等大型漂浮物撞击的抗力，提高了系统的安全性和稳定性。此外，参比电极也进行了升级，将原国产永久参比电极更新为国外进口的长效参比电极。

图4 电缆保护套管的原始结构图

图5 改进后的参比电极电缆保护套管结构示意图

2.3.3 无线传输及相关设备

随着后期工程的陆续实施，监测点数量不断增加，原遥测系统的监控中心负担越来越重，遥测接收模块安装数量也越来越多，这样不利于系统硬件的维护以及多个码头监测的同时管理。针对该问题，进行了系统升级，将原来的SMS短信远程读取方式改为GPRS在线实时传输方式，并弃用监控中心的无线接收模块，而改用开放主机端口，直接通过因特网接收数据采集终端传送的数据。这样大大改善了数据的传输速度，并提高了管理的便利性，实现了多个码头监测的同时管理。数据采集终端还进行了高度集成，使得运行更加稳定流畅。升级后的防腐监测系统示意图见图6。

图6 改进后的防腐电位遥测系统结构示意图

3 防腐监测系统的使用效果

为了验证防腐监测系统的实际效果，采用了现场测试电位与遥测系统监测电位相对比的方法。多次验证试验结果表明，监测电位与现场测试电位能够较好地吻合，可见该系统能够准确地反映钢管桩的实时保护效果。就目前使用情况来看，升级后的系统抗干扰能力强、运行稳定流畅、数据传输效率和准确度高、可靠进行数据测量的概率接近100%，而且通过一个监控中心可监测多个码头钢管桩的实时保护效果，便于用户的维护和管理。

4 结语

基于无线通信技术和计算机技术的腐蚀监测系统，可远程实时监测海工钢结构的腐蚀情况，在海工钢结构腐蚀灾害预警领域具有广阔的应用前景。使用该系统可以提高海工钢结构腐蚀监测的管理水平，有利于及时发现和排除可能出现的问题，保障海工结构安全、高效运行。工程实践证明，该系统具有高精度、高可靠性、超远距离传输、低功耗、自动化程度高、网络覆盖面积广、方便灵活等特点，可为海工钢结构腐蚀灾害现代化预警系统提供强有力的技术支持。

[1] 赵金山，尚尧，马化雄，等.GPRS智能远程遥测系统在海工钢结构防腐监测中的开发及应用[J].中国港湾建设，2007（6）：11-12.

[2]JTS153-3—2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].