毛里塔尼亚友谊港阴极保护翻新工程

李云飞，马化雄，唐聪

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

海港工程首先要面对恶劣的海洋环境，钢结构在海洋环境中的腐蚀损失相当严重[1-3]。美国2002年发布了第七次腐蚀损失调查报告，表明1998年美国因腐蚀带来的直接经济损失达2 760亿美元。我国2010年GDP约39.8万亿，按3%计算，腐蚀造成的直接经济损失超过12 000亿元。钢铁结构腐蚀不仅影响了工程结构的使用功能及外观，降低了工程的使用寿命，甚至可能引发工程破坏事故。在我国，许多码头的钢桩已经使用了多年，腐蚀相当严重，需要经常性维修，一直没有办法彻底解决这个难题，造成了巨大的经济损失[1-2]。因此，加强腐蚀控制，选择适当的防腐蚀技术，合理的设计，科学的施工及适当的维修管理是确保海港工程结构安全、耐久的重要措施，有着重要的经济效益和战略意义。本文以毛里塔尼亚友谊港工程为例，根据友谊港所处环境，介绍关于海洋环境中钢管桩防腐蚀的评估和应用情况。

1 海洋腐蚀环境

码头钢管桩在海洋环境中，海洋环境分为海洋大气区、海洋浪溅区、水位变动区、海水全浸区和海泥区五类，各类的腐蚀环境和腐蚀行为如表1[3]。

2 工程概况

毛里塔尼亚地处北非西海岸，为大西洋沿岸国，距赤道近，气候炎热、干燥，海水中含盐量高。当地环境条件对钢结构锈蚀严重，昼夜温差和相对湿度变化大且频繁，结构物表面干湿交替严重；风沙天多，又会使盐碱沙土附着在钢结构表面，加之空气中氯离子含量高，对钢结构的腐蚀尤为严重；港区地下水位高，土壤中含盐量高，导电性能良好；海水温度、含盐量和导电率均较高，这些条件不仅对钢结构具有强烈的腐蚀性，而且防腐蚀涂料的施工环境恶劣，施工质量不易保证。友谊港海水水质见表2。码头共有直径为φ700 mm的钢管桩1 007根，引桥共有直径为φ500 mm的钢管桩507根。设计高水位1.69 m，设计低水位0.25 m。1986年，针对环境的性质及其对钢结构的腐蚀作用，对钢结构采取了防腐涂料、外加电流阴极保护和包覆层等防蚀措施。如今，阴极保护系统已达到保护年限，钢结构出现了不同程度的腐蚀，大气区、水位变动区及水下区防腐涂层有剥落现象，至今已逐渐发展为大面积剥落并返锈。

表1 海洋腐蚀环境及腐蚀行为

表2 友谊港海水水质

3 设计思路

通常对海洋环境中码头钢管桩的防腐蚀措施有如下几种：涂层保护、阴极保护、金属热喷涂、包覆聚乙烯或玻璃钢等[4]。这几种方法适用于不同的环境，实际工程应用时应当根据不同的环境来选择不同的保护方法，同时还需考虑不同方法的兼容性和防腐效果的一致性。一般来说，对海洋大气区多采用涂层保护；浪溅区主要采用重防腐涂层、金属热喷涂或包覆非金属材料等保护方法；水位变动区以平均潮位作为分界线，平均潮位以上部位采用与浪溅区相同的保护方法，平均潮位以下部位采用与海水全浸区相同的保护方法；海水全浸区和海泥区多采用阴极保护与涂层相结合的保护方法。

针对友谊港码头环境性质及其对钢结构的腐蚀作用，本工程的设计将防腐保护分成四个区域，即大气区及高潮位区采用环氧煤焦油沥青漆保护、中潮位区采用无溶剂环氧涂料保护、低潮位采用PTC新型包覆防腐技术保护、水中区和泥下区采用牺牲阳极阴极保护。每个区域所采取的保护措施都是采用目前世界上最经济、最合适的技术，符合结构性能和国内外相关标准，同时解决了在役钢结构潮差区、飞溅区涂料难修复的世界性难题，实现了经济和技术的完美统一，满足了业主的要求。

4 防腐设计

4.1 防腐涂层

4.1.1 防腐涂层的选择

目前用于海工钢结构防腐蚀的涂料有很多种，根据成膜物质的不同，防腐涂层可分为有机涂层和无机涂层两种[4-9]。尽管这两种类型的涂料皆有众多的品种和成熟涂装配套，但要选择适合该工程的涂料，需同时考虑产品性能与经济性。海工钢结构防腐涂装的保护效果和使用寿命在很大程度上取决于所选用的涂装配套，表面清理质量和施工环境条件。

经过比较及结合本工程技术要求，对引桥钢梁及钢管桩桩帽以下、设计高水位+1.69 m以上的部位采用环氧沥青漆进行修复，环氧沥青漆具有优异的耐海水、耐原油及良好的耐化学药品性和防锈性能，且价格低廉，适合第三世界国家经济状况；对钢管桩设计高水位+1.69 m以下、中潮位+0.69 m以上部位采用无溶剂环氧涂料进行修复，该部位在低潮时每天都有一定的时间露出。无溶剂环氧涂料是一种高性能的耐水、耐腐蚀、耐化学品性的长效涂料，可在潮湿的环境下施工，并且可以湿固化，该涂料与钢结构表面的附着力强，并且防锈性能好，能和阴极保护相融洽，不含挥发性溶剂，不污染环境。

4.1.2 涂层施工工艺

影响防腐蚀涂层有效使用寿命的因素有多种，如涂装前钢材表面预处理质量、涂料的品种、组成、涂膜的厚度、涂装道数、施工环境条件及涂装工艺等[4]。本工程钢管桩表面处理采用喷砂除锈，喷砂处理至GB 8923—88中的Sa2.5级[10]，用色板验收后，人工用滚刷滚涂2道。

4.2 PTC新型包覆防腐技术保护

钢管桩水位变动区的维护设计中常采用水下重防腐涂料、热缩套材料或包覆防护系统材料等。当前国内钢管桩的维护普遍采用重防腐涂料，一般采用对钢结构进行表面处理达到Sa2.5级，再进行现场涂装涂料，但在现场进行钢管桩表面喷砂和涂装作业，施工难度大，现场粉尘污染严重，且喷砂除锈和涂装效果受涨落潮的影响而得不到保证，除锈及涂装的范围只能为钢管桩水面以上区域。为此，有施工单位将大钢套筒固定在钢管桩上，用潜水泵将筒内海水抽出，并保持水面在设计低水位以下，人为创造一种干法施工环境，该工法的优点是可以采用涂料实现对水位变动的修复，缺点是设备庞大，制作、倒运、安装费用高，在工期紧迫、需使用大量套筒时施工成本太高，同时套筒无法安装在密度较大的斜桩上。

目前潮差区防腐涂层大规模修复最常用的技术是冷包缠系统[11]，该方法在澳大利亚、香港、高雄、青岛、宁波和营口港已有众多成功应用先例，优点是无需严格的表面清理（St2级即可），可以在水中施工，施工质量有保证，保护寿命长，缺点是造价高；在“十一五”期间，中国科学院海洋研究所与国外有关单位合作，联合研究开发了适合码头、海洋桥梁、海洋石油平台等钢铁设施浪花飞溅区的新型复层包覆防护（PTC）技术[12]，该技术在青岛港液化码头、胜利油田井组平台、胜利油田采油平台等现役海洋钢结构设施上示范应用，取得了很好的保护效果。

针对水位变动区修复困难这一现状，本工程通过对多种保护方法的经济、保护效果对比，选用PTC包覆技术对码头及引桥钢管桩+0～0.69 m进行防腐保护。

4.2.1 PTC技术保护原理和系统结构[12-13]

新型包覆防蚀采用优良的缓蚀剂成分并采用了能隔绝氧气的密封技术，由4层紧密相连的保护层组成，即防蚀膏、防蚀带、聚乙烯泡沫和玻璃钢或者增强玻璃钢防蚀保护罩，如图1所示。其中防蚀膏和防蚀带添加有抗腐蚀材料，具有优良的保护性、黏附性、与水和空气隔绝性，并且长期不会变质，它们强有力地黏附在钢铁设施表面达到长效的防腐蚀效果。另外，用一个坚硬的固体玻璃钢保护罩保护防蚀带，可以达到更好的保护效果。

图1 钢桩包覆层修复技术示意图

4.2.2 PTC防腐技术主要特点1）防腐蚀效果优异，有效防护效果能达到30 a以上；2）施工方便，对基材表面处理达到St2即可，并且可带水作业；

3）能适合于任何形状的结构物；

4）具有良好的密闭性和抗冲击性能；

5） 质量轻，对结构物几乎无附加载荷；绿色环保，无毒无污染。

4.2.3 PTC技术施工工艺PTC施工工艺[13]比较简单，可以分为4个步骤。即：1） 表面处理，即除掉钢材表面贝类、海藻、浮游生物、浮锈等，满足ISOSt2标准要求即可；

2） 涂防蚀膏，在钢结构表面均匀涂抹PTC专用防蚀膏；

3） 缠绕防蚀带，缠绕PTC专用防蚀带，起始处缠两层，然后依次叠加1/2，保证各处均有2层以上防蚀带覆盖；

4）固定防护罩，将防护罩安装固定在钢结构设施上，用螺栓紧固，两端涂封水中固化树脂，施工完成。

4.3 牺牲阳极阴极保护技术

4.3.1 阴极保护选择

阴极保护分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。前一种是基于钢结构和牺牲阳极之间存在的自然电位差，牺牲阳极发出保护电流并融解于电解质中，而钢结构得到保护电流受到保护；后一种是将惰性阳极与直流电源的正极相连，将受保护的钢结构与直流电源的负极相连，保护电流由电源提供的。从原理和技术方面考虑，外加电流和牺牲阳极两种保护方法都是可行的，其主要优缺点如表3[4，14-19]。

该工程属于修复工程，设计保护年限15 a，保护年限相对较短。比较上述两种阴极保护方法，从适用性、安全性和经济性等方面综合考虑，本工程选用牺牲阳极阴极保护。

4.3.2 牺牲阳极阴极保护设计

1） 保护电流。保护电流密度的大小主要与被保护金属的种类，腐蚀介质的性质（含盐量、电导率、含氧量、流速、风浪、pH值、温度、污染等） 及金属表面状况（裸露、涂层、涂层种类、质量）等因素有关。这些因素的变化可以使阴极保护电流密度由几个mA/m2变化到几百mA/m2。表4列出了不同国家和地区裸露及有涂层钢构件选用的阴极保护电流密度值[15]。

海水中和泥中裸露钢防护的设计电流以及涂层破损系数值按照BSEN 13174—2001[16]相关规定。

用于阴极防护系统设计的普通涂漆装置的涂层破坏系数值为，初始涂层破坏系数：浸水区域为1%～2%；埋置区域为25%～50%；消耗率：每年为1%～3%。

表3 两种方法的比较

根据毛里塔尼亚友谊港所处的地理位置、介质电阻率、海水流速、波高、码头结构形式和钢管桩材质、表面状态、涂层种类、涂层厚度以及涂层使用寿命等实际情况，本工程钢管桩各腐蚀区选择合适的防腐保护电流密度，保护面积和所需的保护电流计算结果见表5。

表5 保护电流

2） 确定牺牲阳极材料。铝合金阳极与其他类型牺牲阳极相比，具有比重小，电化当量大，电流效率高，表面溶解均匀等优点。因此，本工程选用铝锌铟阳极作为钢管桩保护用牺牲阳极材料。铝阳极化学成份见表6[16-18]。

3） 阳极的规格尺寸。牺牲阳极发生电流和阳极有效使用寿命与阳极规格尺寸有着密切关系，换句话说，牺牲阳极规格尺寸的大小，应根据实际工程要求每块阳极发生电流的大小和有效保护年限的长短来确定。

表6 铝阳极化学成份 %

根据钢管桩所需初期保护电流、维护保护电流、末期保护电流和牺牲阳极设计使用寿命15 a，本工程选用钢管桩牺牲阳极的规格尺寸为（850+800） mm×（210+180）mm×180 mm，每块阳极的合金净重为76.7 kg/块，毛重为85 kg/块，共1 841块阳极。

4） 牺牲阳极的布置和安装。阳极尽量均匀布置，使阳极电流分布均匀，从而使钢桩的各部分都得到应有的保护。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。阳极采用TS208水下专用焊条及其配套水下焊接工艺进行安装。要求每条焊缝有效长度大于80 mm，焊缝有效截面高度大于5 mm，焊缝饱满、连续、平整、无虚焊，焊接牢固。

5） 钢管桩的电连接。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，需分别将码头和引桥墩所有钢管桩用钢筋采用电焊方法电连接，各自形成一个保护整体。考虑到码头钢管桩已有电连接，因此本工程利用原有的电连接，不另作钢筋电连接。但是施工方要对钢管桩之间的电连接进行验证，保证钢桩之间的连接电阻小于1Ω。另外，由于引桥钢管桩与海军码头相连，为保证电流不流向海军码头钢结构，需要断开引桥与海军码头的电连接，断开方式由施工方提出具体措施。

6） 腐蚀试片的设置。为有效的测定本阴极保护系统下海水对钢管桩的腐蚀情况，本工程设置了10套腐蚀试片进行空白对比试验。腐蚀试片采用Q345B钢材，尺寸为200 mm×100 mm，厚度10 mm。每套试片都固定在试片底座上，每套腐蚀试片量为6块，其中3块试片应处于保护系统下，3块与保护系统断开。腐蚀试片应在规定的时间进行测量称重。每个腐蚀试片都要建立一个标识卡（用于记录腐蚀试片的试验材料、试验地点、试验时间、标识号、标记图纸及重量等）。

7） 保护电位的测定。通过测定钢结构的保护电位，记录其数值，就可以了解保护系统的现状，判断钢结构是否处于正常保护状态，确定异常的部位并决定是否需要进行水下详细检查[19]。如发现保护电位达不到设计要求，应及时查明原因并采取有效的补救措施，确保系统发挥正常保护作用。

为了了解和掌握钢管桩的保护效果，本工程阴极保护系统需设置10个电位检测点，分布引桥和码头结构，每个检测点安装1个参比电极。从工程结果可以看出，所有测点的保护电位均在-910～-1 014 mV（相对于Ag/AgCl参比电极）范围之内，满足设计及规范要求，并且保护电位相当均匀。

5 结语

海港工程的腐蚀问题一直以来都备受关注，因此，加强腐蚀控制，选择适当的防腐蚀技术，合理的设计、科学的施工及适度的维修管理，是确保海港工程结构安全、耐久的重要措施。本文介绍了对毛里塔尼亚友谊港采用防腐涂层、阴极保护和PTC防腐技术相结合进行阴极保护修复，很好地解决水位变动区和海洋浪溅区部位腐蚀严重并且涂料修复困难的问题，保证钢桩具有更长久更全面的保护效果，同时也大大减少了工程成本，达到了技术和经济上的统一。

[1] 张基，陈兴磊.海洋环境中码头钢管桩的腐蚀与防护[J].科技论坛，2006（4）：49.

[2]侯保荣.海洋腐蚀环境理论及其应用[M].北京：科学出版社，1999.

[3]李碧英，周美.海洋钢结构物腐蚀防护的研究[J].中国海洋平台，2001，16（5）：45-49.

[4] 崔鹏昌.海港工程钢结构防腐蚀[D].天津：天津大学硕士论文，2009.

[5]陈长江，李秉忠.海洋钢结构长效复合防护涂层及其性能研究[J].应用技术，2005，34（2）：58-59.

[6] 李少军，程致高，田明明，等.潮差区腐蚀防护技术研究及应用进展[J].现代涂料与涂装，2011，14（7）：25-28.

[7] 杨燕，蒋启.我国船舶涂装发展综述[J].现代涂料与涂装，2006（8）：34-36.

[8]金晓鸿.跨海大桥钢结构防腐涂料设计方案[J].电镀与涂饰，2007，26（2）：35-38.

[9]JTS153-3—2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].

[10]GB/T 8923.2—2008/ISO 8501-2：1994，涂覆涂料前钢材表面处理[S].

[11]李云飞，唐聪，陈韬.钢管桩阴极保护与Denso防腐蚀技术联合保护[J].中国港湾建设，2011（2）：8-9，67.

[12]侯保荣.钢铁设施在海洋浪花飞溅区的腐蚀行为及其新型包覆防护技术[J].腐蚀与防护，2007，28（4）：174-175.

[13]侯保荣，张经磊.海洋钢结构浪溅区、潮差区防腐蚀方法的研究[J].海洋科学，1983（4）：31-33.

[14]杨红娜.码头工程钢管桩外加电流阴极保护防腐蚀技术研究[D].天津：天津大学，2009.

[15]prEN 12496—1996，Sacrifical Anodes for Cathodic Protection in Sea Water[S].

[16]BSEN 13174—2001，Cathodic Protection for Harbour Installations[S].

[17]BS 7361 PART Ⅰ：1991，Cathodic Protection-Part 1：Code of Practicefor Land and Marine Application[S].

[18]DNV-RP-B401—2005，Cathodic Protection Design[S].

[19]关梦林，刘维利.牺牲阳极阴极保护工程质量控制方法及措施[J].中国港湾建设，2006（2）：65-66.