海港码头达设计使用寿命牺牲阳极系统的维护管理

陈艳萍，张文锋，陈韬，李云飞，马化雄

（1.天津津港基础设施养护运营工程管理有限公司，天津 300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津 300222）

0 引言

牺牲阳极系统以其维护要求低、无需外部电源等优点，在海港码头钢管桩防腐中得到广泛使用，并起到良好的保护效果[1-3]。海港码头钢管桩牺牲阳极系统的设计使用寿命通常为15～30 a。20世纪80年代后期以来建成码头的牺牲阳极系统已陆续达到了设计使用寿命或即将达到设计使用寿命。此时，码头相关部门将面临一个新问题，即如何维护管理这些达到设计寿命的牺牲阳极系统。实际调查发现，受涂层实际破损率、钢桩实际保护电流需求量等影响，某些海港码头的牺牲阳极系统在达到设计使用寿命后，保护电位仍满足设计要求，即仍能为码头钢结构提供良好的阴极保护。由此可见，牺牲阳极系统达到设计寿命即强制报废并更换，会造成巨大的资源浪费，不符合可持续发展和节约型社会的要求。显然，在牺牲阳极系统达到设计寿命后，通过检测评估确定其服役状态并据此选择继续使用或更换新系统，是较科学合理的解决措施。本文结合天津港某码头的实际工程案例，详细介绍海港码头达设计使用寿命牺牲阳极系统的维护管理。

1 达设计使用寿命牺牲阳极系统维护管理过程

当海港码头钢管桩的牺牲阳极系统达到设计使用寿命时，首先测定钢管桩的电位，当电位为-1 050～-800 mV时，对牺牲阳极的外观状况、剩余尺寸、安装状态等进行详细检测，推算牺牲阳极系统的剩余使用寿命。在此推算的剩余使用年限内，应加强牺牲阳极系统的检测，以便及时采取应对措施。当钢管桩电位正于-800 mV时，电位不满足要求，应对牺牲阳极的外观状况、剩余尺寸、安装状态等进行详细检测，据此分析电位不满足要求的原因，并据此采取相应的措施。

2 工程案例概况

天津港某码头2号泊位A、B靠船墩钢管桩材质为Q345B，直径1 500 mm，共8根。墩台钢管桩原采用牺牲阳极保护，牺牲阳极系统设计寿命15 a，2017年牺牲阳极系统已达设计使用寿命。牺牲阳极系统所处环境条件如下：海水电阻率20～30Ω·cm；设计高水位：+4.3 m；设计低水位：+0.5 m。为确保码头的安全性和耐久性，需对牺牲阳极系统进行现场检测，并根据检测结果采取相应措施。

3 牺牲阳极系统的现场检测

3.1 检测项目及方法

钢管桩电位是判断钢管桩保护状态是否满足要求的首要依据。电位检测方法如下[4]：检测时，将海水AgCl参比电极放入水中，待充分活化后，让其靠近待测钢桩表面（选取上、中、下3个测点），用导线使参比电极、万用表和所测钢管桩形成回路，并读出电位值。牺牲阳极系统采用潜水员携水下摄像设备辅助检测，具体如下：检测时，潜水员对牺牲阳极及其焊脚进行探摸，随后清理牺牲阳极表面的覆盖层，检查人员通过摄像设备观察牺牲阳极的外观状况。

3.2 检测结果及分析

表1为A、B靠船墩钢管桩电位的检测结果。由表1可知，A靠船墩被检钢管桩电位范围为-673～-665 mV（相当于海水AgCl电极，下同）。低合金结构钢在海水中的自然腐蚀电位范围一般在-670～-650 mV左右。可见，A靠船墩的牺牲阳极系统已失效，无法对钢管桩提供保护。B靠船墩钢管桩的电位处在-767～-759 mV。钢管桩在海水中的保护电位范围为-1 050～-800 mV[5]。可见，B靠船墩钢管桩电位未达到保护电位范围的下限，可见牺牲阳极系统已无法对钢管桩提供充足保护。由此可知，A靠船墩牺牲阳极阴极保护效果为C级，应查明原因并立即采取措施；B靠船墩牺牲阳极阴极保护效果为B级，应查明原因并及时采取措施[5]。

表1 A、B靠船墩钢管桩的电位检测值Table1 Potential detection values for steel pipepiles of breasting dolphin A and B

钢管桩电位不满足要求，因此对牺牲阳极进行了水下检查，以查明原因。图1为靠船墩牺牲阳极的水下外观状况。图2为现场取样牺牲阳极的外观状况。由图1和图2可知，A、B靠船墩的牺牲阳极已基本消耗殆尽，且牺牲阳极钢芯已暴露，说明牺牲阳极已基本消耗至其寿命终点，因此无法为钢管桩提供正常保护。由于牺牲阳极系统设计时常会考虑富裕量[4，6，7]、涂层实际破损率常小于设计破损率等原因，可能会存在牺牲阳极系统服役年限超过原设计使用年限的情况。但需注意，当牺牲阳极系统超过设计使用寿命后，应对钢管桩电位加强检测，以便及时发现和处理阴极保护不足的问题。目前，A、B靠船墩的牺牲阳极系统服役年限达到了设计使用寿命且已失效，因此需立即进行更新，以免影响钢管桩的使用寿命，对整体结构的耐久性造成危害。

图1 靠船墩牺牲阳极的外观状况Fig.1 Appearance for a sacrificial anodeof the breasting dolphin

图2 现场取样牺牲阳极的外观状况Fig.2 Appearance for a sacrificial anodeobtained by field sampling

4 牺牲阳极系统的更新设计

4.1 技术要求

鉴于A、B靠船墩的牺牲阳极系统已失效，需对牺牲阳极系统进行更新设计。根据标准规范及建设单位的相关要求，牺牲阳极系统设计寿命为15 a，要求牺牲阳极系统安装7 d后，钢管桩保护电位达到-900 mV，且在设计保护期限内，钢管桩电位控制在-1 050～-800 mV。

4.2 保护面积和保护电流计算

钢管桩保护面积包括水位变动区、水下区和泥下区的表面积。保护电流分为初期保护电流、维持保护电流和末期保护电流。根据牺牲阳极设计的原则[4]，初期保护电流应足够大促使被保护钢管桩开始极化，维持保护电流在牺牲阳极系统的整个设计使用期限内大小应适当，末期保护电流应足够大以满足设计寿命后期的使用要求。初期、维持及末期保护电流的计算公式见式（1）[4]。

式中：Im为初期（I1）、维持（I2）及末期（I3）保护电流，A；in为水位变动区、水下区和泥下区的保护电流密度，A/m2；sn为水位变动区、水下区和泥下区的保护面积，m2。

表2为保护电流计算结果。

表2 保护电流计算结果Table2 Calculated results of the protection currents

4.3 牺牲阳极规格及数量

海水环境中常用牺牲阳极主要为铝合金阳极和锌合金阳极。A、B靠船墩钢管桩采用Al-Zn-In-Mg-Ti阳极，尺寸规格为1 000×（200+160）×180 mm，阳极铁芯采用φ25 mm的螺纹钢，焊脚采用12号型普通热轧槽钢，单块阳极合金净重为86 kg，毛重为95.5 kg。根据牺牲阳极设计原则，牺牲阳极系统应满足初期、维持及末期保护电流需求，据此计算所得阳极数量见表3。表3中，N1、N2和N3为满足初期、维持及末期保护电流所需阳极数量，块；ΔV为驱动电位，取0.28 V；C为阳极初期等效周长，cm；ρ为海水电阻率，取25Ω·cm；q为牺牲阳极实际电容量，为2 600 A·h/kg；Wi为单个牺牲阳极的净质量，kg；μ为牺牲阳极的利用系数，取0.9。表中计算公式由JTS 153-3—2007[4]和JTS 153—2015[6]的相关公式推导而来。

表3 满足初期、维持及末期保护电流所需阳极数量Table3 Quantitiesof the sacrificial anodesrequired by the initial,maintenance and final protection currents

5 牺牲阳极系统现场实施及保护效果

5.1 钢管桩之间的电连接

每个钢管桩的表面状态、被保护面积及所处环境不尽相同，为保障被保护钢管桩间保护电位的均匀分布，促进靠船墩阴极保护的一致性，需在钢管桩间实施电连接。资料显示，在原牺牲阳极系统前时，已在靠船墩钢管桩间实施了电连接。在更新工程中，对电连接状态进行了确认。结果表明，钢管桩之间电连接状态良好。

5.2 牺牲阳极布置和安装

天津港的设计高水位为+4.3 m，设计低水位为+0.5 m。A、B靠船墩各安装牺牲阳极16块，每根桩安装4块阳极，安装在钢管桩上部阳极的上焊脚顶端标高为-1.5 m，钢管桩底部阳极的下焊脚底端高程与泥面的距离不小于1.0 m，中间2块阳极的安装高程按基本均匀布置。阳极的安装高程允许误差为±0.2 m，4块阳极互成90°±30°布置。若安装高程无法满足时，可根据现场实际情况适当调整，但需满足JTS 153-3—2007[4]的相关要求，且应在施工过程中进行记录，最后在竣工资料中注明。每块牺牲阳极有2个焊脚和4条焊缝，每条焊缝有效长度大于80 mm，焊缝饱满、连续、平整和无虚焊，且牢固可靠。

5.3 现场质量控制

5.3.1 牺牲阳极材料进场检验

当牺牲阳极进场时，对出厂合格证、检验报告、厂家资质等资料进行确认，明确牺牲阳极的品种、电化学性能、规格等是否满足相关要求。安装前，对牺牲阳极表面状态、尺寸、质量和化学成分等进行现场或取样检验[4]，具体要求见表4。当上述检测项目出现不合格时，应更换或退货。此外，还对阳极焊脚进行了确认，当存在脱焊、脱落、歪斜、不正等不满足要求情况时，及时补焊、调整、找平或采取其他措施处理。牺牲阳极储存和搬运时，尽量避免污染表面，当受到污染时，及时清洁处理。

表4 牺牲阳极进场时的现场检验或取样检验Table4 Field inspection and sampling inspection when the sacrificial anodesreached the construction site

5.3.2 牺牲阳极的安装

牺牲阳极安装前，对阳极的规格、位置和标高进行确认。具体实施以靠船墩的底标高为参照，用标杆或测绳测量，并据此控制牺牲阳极的安装高程。

牺牲阳极要求牢固地焊接安装在钢管桩上。水下焊接前，对水下焊条、水下焊接工艺及施工人员相关资质进行确认。水下焊接安装后，用水下摄像技术检验焊缝的长度、高度及连续性。检查数量为总数的5%～10%，且不少于3块[4]。检测结果表明，阳极安装焊缝连续、饱满，长度合格，满足相关要求。

5.4 阴极保护效果

牺牲阳极安装完毕后7 d内，对A、B靠船墩钢管桩的电位进行全面检测[4]。表5为A、B靠船墩钢管桩的电位检测值，可以看出A靠船墩钢管桩保护电位处在-995～-986 mV，B靠船墩钢管桩保护电位处在-1 000～-992 mV。由此可见，钢管桩保护电位达到了设计和规范的要求（-1 050～-800 mV），说明牺牲阳极发挥了应有的作用，对钢管桩起到了良好保护。钢管桩上、中、下3个位置的读数很接近，说明牺牲阳极系统电流分布均匀。在牺牲阳极系统使用过程中，应按照要求对钢管桩保护电位进行常规检查，检查周期为1 a。

表5 A、B靠船墩钢管桩的电位检测值Table 5 Potential detection values for steel pipe piles of breasting dolphin A and B

6 结语

1）A、B靠船墩牺牲阳极系统已达设计使用寿命，检测显示钢管桩电位为-767～-665 mV，不满足相关要求且阳极已基本消耗殆尽，需立即更新。随后，开展了牺牲阳极系统更新设计及现场实施。更新完成后，钢管桩电位恢复至-1 000～-986 mV，达到了规范和设计要求，且电位分布均匀，说明设计参数选择及阳极布置合理，安装效果满足要求。

2）20世纪80年代后期以来建成码头的牺牲阳极系统已陆续达到了设计使用寿命或即将达到设计使用寿命。当海港码头钢管桩的牺牲阳极系统达到设计使用寿命时，通过检测评估确定其服役状态并据此选择继续使用或更换新系统，是科学合理的解决措施。本文对于达设计使用寿命牺牲阳极系统的维护管理有借鉴意义。