锦州港301B油品泊位钢管桩牺牲阳极阴极保护

唐聪，秦铁男

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

海洋环境下的金属设施，尤其是固定式的钢管桩，其腐蚀防护问题尤为突出。在未进行有效保护状态下，会形成严重的局部腐蚀，平均腐蚀速度可达0.3～0.4 mm/a，局部腐蚀速度甚至可达1 mm/a，造成钢管桩局部穿孔，甚至呈截断状态，严重威胁着结构的安全使用。因此对钢管桩采取及时有效的防腐保护措施是非常必要的。

阴极保护是一项成熟的电化学保护技术，它可以有效地防止金属在电解质中引起的各种腐蚀行为。国内外一些规范、规定都明确指出，对于永久性水下钢结构应该或必须采取阴极保护或涂料加阴极保护。阴极保护可分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。牺牲阳极阴极保护具有保护效果好、保护寿命长以及可维修、可更换等特点。

1 工程概况

锦州港第三港池301B油品泊位包括1个工作平台、2个靠船墩、6个系缆墩、2个引桥墩，全部以钢管桩为基础。采用φ1 200 mm钢管桩，桩长47.0～51.5 m，总计238根，材质为Q345-C钢。

2 阴极保护设计

2.1 设计年限

本工程码头设计年限为50 a，考虑到牺牲阳极初期投入费用较大。本次阴极保护设计年限为30 a，30 a后根据阳极的溶解情况、钢管桩的保护效果、重防腐涂层的破损情况及业主的要求，重新设计焊接牺牲阳极、修补重防腐涂层，最终达到钢管桩使用寿命50 a的技术要求。2号引桥墩受岸侧抛石影响，13根钢管桩全部被抛石掩埋，牺牲阳极无法进行更换，故2号引桥墩钢管桩阴极保护设计年限为50 a。

2.2 保护电位

根据国家行业标准[1]，本工程钢管桩保护电位设计为-1.10～-0.80 V（相对银/氯化银/海水参比电极，以下皆同）。

2.3 保护面积计算

码头设计高水位3.60 m，设计低水位-0.07 m，泥面标高为-23.00～-3.20 m。钢管桩桩顶标高5.60～7.40 m，桩底标高-42.70～-39.30 m。

钢管桩潮差区长度从平均高潮位至平均低潮位，水中长度从平均低潮位至泥面，泥中长度从泥面至桩尖。码头分别以墩台为计算单位，各墩台钢管桩保护面积计算结果见表1。

2.4 保护电流计算

根据码头所处的地理位置、介质条件、钢管桩材质、表面状态及码头结构形式等实际情况，参照现行行业标准[1]，本工程钢管桩各腐蚀区保护电流密度取值如表2所列。

根据码头各墩台钢管桩保护面积计算结果和选取的保护电流密度，钢管桩各腐蚀区所需的保护电流计算结果见表3。

表1 码头各墩台钢管桩保护面积m2

表2 钢管桩各腐蚀区保护电流密度

表3 各墩台钢管桩保护电流A

2.5 牺牲阳极选用及数量

铝合金牺牲阳极由于具有密度小、电容量大、在氯离子介质中阳极性能良好、原料丰富、制造工艺简单、价格低廉等优点，在保护钢质海洋结构时被广泛采用。常见的铝合金牺牲阳极有许多种，本工程设计选用铝-锌-铟-镁-钛合金牺牲阳极，此种阳极与其他品种阳极相比具有电容量、电流效率高，消耗率低等特点。铝合金阳极的化学成份、电化学性能以及制作技术符合现行国家标准[2]有关规定。2号引桥墩使用A型牺牲阳极尺寸为（280+320）mm×1 100 mm×300 mm，单只阳极质量268 kg，共13只；其他墩台使用B型牺牲阳极尺寸为（220+260） mm×1 000 mm×240 mm，单只阳极质量158 kg，共450只。

3 牺牲阳极阴极保护的实施

3.1 钢管桩电性连接

由于每根钢桩的状态不尽一致，为保证牺牲阳极的使用寿命一致和保护电位的均匀，整体得到一致的良好保护，各墩台钢管桩用钢筋电连接形成一个保护整体，电连接是在墩台混凝土浇注前通过桩芯混凝土中钢筋与桩内表面焊接，桩芯混凝土中钢筋再与墩台底层结构钢筋焊接连接而成。

3.2 牺牲阳极的水下焊接安装

牺牲阳极安装质量的好坏，直接影响到阳极的发生电流量、溶解性能、使用寿命和使用效果。水下焊接安装工艺具有连接电阻小、工艺简单、牢固可靠等优点。水下焊接分湿式焊接法和干式焊接法两种。湿式焊接法具有施工容易，成本低廉等特点，但由于在作业过程中高温熔池会使水分离出大量的氢原子，焊缝中扩散氢的含量为陆地焊条焊接时的好几倍；同时，由于熔池在水中的冷却速度太快，很容易造成淬硬，因此，这种湿式焊接法存在焊接接头塑性和韧性很差，在焊缝和热影响区容易出现高硬组织，内应力集中，焊接质量不高的缺陷，只能满足结构要求不高的地方使用。而干式焊接法采用二氧化碳气体作为排水气体和保护气体，使电弧在一个稳定的、氧化性较强的气室中燃烧，从而较大幅度地降低焊缝金属的含氢量。焊接接头质量好，接头质量不低于母材，质量有保证。

本工程钢桩材质为Q345-B，母材碳当量较高，为避免伤及母材，确保水下焊接质量，牺牲阳极采用二氧化碳局部排水干法焊接工艺。

每块牺牲阳极2个焊脚、4条焊缝，要求每条焊缝有效长度＞80 mm，焊缝高度＞5 mm，焊缝基本连续、宽度均匀、平整、无虚焊，焊接牢固可靠，并与钢管桩有良好的电性连接。

在所有阳极安装完毕后对焊缝进行水下电视检查，抽检数量为阳极总量的5%～10%。

3.3 保护效果检测

为了保证和全面了解掌握钢管桩的保护效果，除了对牺牲阳极材料质量和对工程施工质量进行全面有效的控制外，在本工程实施结束后测量每根钢管桩的保护电位。所有钢桩保护电位均在-1 043～-915 mV之间，平均保护电位-983 mV，均符合设计和规范的要求。可以认为钢管桩处于最佳保护状态。

4 结语

从牺牲阳极保护施工中，钢管桩保护系统水下检查和电位测量结果表明：

1） 钢管桩牺牲阳极保护的设计参数选择和阳极布置是合理的；

2） 钢管桩保护电位全部在设计和规范所要求的范围内，处于最佳保护状态。

[1]JTJ230—89，海港工程钢结构防腐蚀技术规定[S].

[2]GB/T 4948—2002，铝-锌-铟系合金牺牲阳极[S].