基于保护电流密度对钢质桩基牺牲阳极设计技术的应用研究

曹建群

（广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510663）

0 工程概况

该船厂3#码头工程在南沙龙穴岛，位于珠江口的蕉门、虎门水道出口交界处，年平均气温21.9～22.8℃之间，潮汐系数为1.15，为不正规半日混合潮型，年平均潮差约为1.6m，最大潮差3.4m。该海域的含盐量和pH值变化不大，多年的平均盐度约29.5‰，pH值约7.8，电导率为25.cm。该码头桩基采用双面埋弧焊螺旋焊钢管桩（聚脲喷涂防腐），钢号Q235B（SY/T 5040-2000），主要化学成分为：C(0.18%）、Si（0.20%）、Mn(0.62%）、P（0.015%）、S（0.005%）。码头排架桩基共用Φ508×12mm钢管桩149根，长度38m；靠船簇桩共用Φ508×12mm钢管桩40根，Φ813×14mm钢管桩37根，长度38m。

1 设计指标

该码头桩基采用牺牲阳极阴极保护设计，基于阳极安装费用最低的原则，设计其所需的阳极数量并确定其保护系统的使用寿命[1-3]。保护系统的设计寿命为30年，保护范围为钢管桩水位变动区最高位以下部分，在有效保护期间内，保护电位值如表1所示。

表1 钢管桩的保护电位值

2 牺牲阳极保护设计计算

2.1 保护电流密度和牺牲阳极材料的选取

保护电流密度为从恒定在保护电位范围内某一单位的电极表面上流入或流出的电流密度[4-6]，根据该码头工程管道桩所处的地理位置、介质条件、桩基材质、防腐层、码头结构等情况，参照相关标准资料，钢管桩各腐蚀区选择的保护电流密度如表2所示，其涂层破损系数为2（初期值），初期保护电流密度应在表2的基础上乘以涂层破损系数。

表2 保护电流密度

本工程牺牲阳极采用铝-锌-铟系合金牺牲阳极，梯形截面尺寸为（220+240）×230，长900mm，铁芯直径为Φ60mm，单只阳极质量为122kg。根据阳极半径：

其阳极与所处电解质间的电阻等于电解质电阻率乘以阳极形状因数， 其计算公式为：

式中：R为阳极的接水电阻（Ω）；ρ为电解质电阻率（Ω.cm）；k取0.159 ；L为阳极长度（cm）；

R为阳极半径（c m），截面不是圆形，

通过计算阳极的接水电阻为0.097Ω，表3和表4是阳极的化学成分和电化学性能。

表3 化学成分

表4 电化学性能

2.2 保护面积与所需保护电流的计算

该码头钢管桩泥中区：平台排架区为22.725米，靠船簇桩区19米。海域平均高潮位2.3m，平均低潮位1.1m，水位变动区长度从平均高潮位到平均低潮位，水中区长度从平均低潮位到泥面，泥中区长度为泥面到桩尖。所需保护电流I保护电流=S保护面积×I保护电流密度，钢管桩保护面积与所需保护电流（初期、维持、末期）计算结果如表5所示。

表5 保护面积与所需保护电流（初期、维持、末期）

2.3 所需总保护电流的计算

初期保护总电流：

维持保护总电流：

末期保护总电流：

计算得：

2.4 牺牲阳极发生电流量和数量的计算[7-9]

为了满足维持期间电流密度的要求，确定在30a设计寿命内被保护构筑物所：

需阳极数量：

最后，需计算满足末期所需阳极数量，除了使用消耗后的阳极尺寸外，采用与初期电流需求类似的方法，可得：

末期所需阳极数量为：

经核算，初期电流计算结果需要526支，维持电流计算结果需要576支，末期电流计算结果需要340支，对于该项目，比较合适的安装数量为601支。

3 使用寿命的核算

牺牲阳极使用寿命的计算公式：

式中：t为牺牲阳极的有效使用寿命（a）；Wi为单个牺牲阳极的净重（122kg）；1/K为利用系数，取0.85；q为阳极实际电容量，取2600A*h/kg；Im为设计使用年限内每个阳极的平均发生电流，取0.55Ia初，A。

将有关数据代入式（2），使用寿命核算得平台排架使用寿命为32.33年、125T靠船簇桩使用寿命为103.24年、70T靠船簇桩使用寿命为123.55年、西侧端部靠船簇桩使用寿命为442.48年，均满足本项目的设计使用寿命要求。

4 设计结果及阳极布置

该铝-锌-铟系合金牺牲阳极现场安装需601支，结合施工等现场因素，设计需630支。平台每根桩基安装3支牺牲阳极，靠船簇桩每根桩基安装2支牺牲阳极，阳极上端焊脚距离设计低水位≥1.5m，阳极下端焊脚距离泥面≥2m，满足规范要求。

5 结语

（1）该牺牲阳极阴极保护系统运行10天后，利用便携式铜/饱和硫酸铜参比电极和万用表对该码头钢管桩的保护电位进行测量，测量结果如表6所示，其保护电位均在-915～-995mV，满足相关标准和本设计要求，且数据较为集中，钢管桩可以得到良好的保护；

表6 保护电位测量结果（-mV）

（2）牺牲阳极参数选择合理，设计思路可供广东地区海域钢制码头、储罐罐底的设计人员参考和借鉴；

（3）系统运行期间，应每隔半年测量一次钢管桩的保护电位，每周检测水下阳极块的消耗情况和焊脚表面状况。在末期时，应适当增加电位测量次数。