LNG 码头钢管桩牺牲阳极阴极保护系统设计与施工

姚 迪，袁俊平

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

引言

钢结构阴极保护原理是通过通电回路向被保护金属结构表面输送电子，只有在电解质溶液中才能保持通电回路的畅通[1]，阴极保护是一种基于电化学防腐原理的保护技术，在海水中经常使用阴极保护方法防止钢结构发生电化学腐蚀，主要包括牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种方法。

牺牲阳极阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的保护方法，在牺牲阳极阴极保护系统构成的电池中，氧化反应集中发生在阳极上，从而抑阻了作为阴极的被保护钢管桩上的腐蚀[2]。虽然牺牲阳极阴极保护初期一次性投资较高，但是其具有自动调节发生电流的能力，无需外加电流，不会发生过保护，并且后期维护费用低、无需专人管理等优点[3]，被广泛应用于海港高桩码头钢管桩的防腐保护。

1 工程概况

某LNG 码头位于天津港，主要用于接卸海外进口的LNG，满足8～26.6 万m3LNG 船舶停靠，同时预留3～8 万m3LNG 船舶的装船功能，用于未来LNG 海进江船舶的停靠。码头水工主体为高桩墩式和高桩梁板结构：高桩墩台共13 座，分别为工作平台1 个、系靠船墩4 个、系缆墩6 个、搁墩2 个、补偿平台2 个；高桩梁板式引桥1 座。项目总计钢管桩300 根，其中Φ1400 钢管桩108 根，Φ1200 钢管桩192 根。

LNG 码头安全等级要求极高，对于海港高桩码头，尤其是作为基础的钢管桩，其防腐是否有效将直接关系到整个码头结构的安全及耐久性。因此，必须采取经济可靠的防腐措施，才能保证码头结构在使用年限内的安全，同时减少码头结构的后期维护费用，延长码头的使用寿命。

工程区域勘察在海域采集了1 组海水样品进行海水的水质分析试验，主要试验成果数据如表1 所示。同时采用专用的有机玻璃采水器对现场海水进行取样，并使用手持电导计测试海水电阻率，测试值为20～25 Ω·cm。

表1 海水水质分析成果

根据相关规范对水和土腐蚀性的评价规定，工程区域海水环境类型属Ⅱ类：海水对混凝土结构具有中等腐蚀性；对长期浸水的钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；对干湿交替的钢筋混凝土结构中的钢筋具有强腐蚀性；海水对钢结构具有中等腐蚀性（PH 值介于 3～11，Cl-+SO42-之和大于500 mg/L）。根据海水介质电阻率判定，工程区域海水对钢结构具有强腐蚀性。结合海水腐蚀性等级和结构耐久性要求，对钢管桩采取相应的防腐措施。钢管桩防腐方案为涂层加牺牲阳极阴极保护联合保护：涂层保护年限20 年，采用海工钢管桩防腐专用漆环氧重型防腐涂料，涂层至泥面约2 m；牺牲阳极阴极保护年限30 年。

2 系统设计计算及优化

2.1 保护面积计算

根据工程特点及有掩护条件的海水环境钢结构部位划分钢管桩的保护面积，保护区段划分为：水位变动区、水下区、泥下区。水位变动区和水下区的范围为设计高水位减1.0 m 至泥面之间，泥下区范围为泥面至桩底之间。各区段的保护面积为对应各区段长度范围内的钢管桩表面积之和。

2.2 保护电流密度取值和总保护电流计算

1）保护电流密度取值

根据《水运工程结构耐久性设计标准》（JTS 153-2015）规定裸钢的阴极保护电流密度取值见表2。

表2 裸钢阴极保护电流密度

2）涂层破损率

涂层破损率是另一个重要的阴极保护设计参数，是体现涂层与阴极保护联合用以提高保护效果的重要指标，有防腐涂层的钢结构保护电流密度在表2 的基础上乘以电流密度。

结合钢管桩防腐方案采用涂层加牺牲阳极阴极保护联合保护，根据阴极保护设计保护年限为30年，涂层破损率取值分别为：初期值2 %、平均值25 %、末期值60 %。本工程钢管桩为涂层至泥面的钢管桩，在水位变动区和水下区的阴极保护电流密度分别为：初始值3 mA/m2；维持值15 mA/m2；末期值48 mA/m2。泥下区不考虑防腐涂层作用，阴极保护电流分别为：初始值25 mA/m2；维持值20 mA/m2；末期值20 mA/m2。

3）总保护电流计算

总保护电流为被保护钢管桩各分部位的保护面积乘以各分部位的保护电流密度之和，并计算出各区域不同时期的保护电流量，通过计算初期、维持期和末期的总保护电流量值分别为817.2 A、979.8A 和1 427 A。

2.3 系统设计计算

1）牺牲阳极阴极保护材料及类型选取

海水环境钢结构牺牲阳极阴极保护一般采用铝合金或者锌合金牺牲阳极。铝合金牺牲阳极相对于锌合金牺牲阳极理论电容量大（几乎为3 倍），且两者单位重量单价相当[4]。考虑工程的经济性，在确保施工质量的前提下，选取海洋工程设施用高效铝合金：铝-锌-铟-镁-钛（Al-Zn-In-Mg-Ti）合金牺牲阳极，具体类型为A21I 型[5]。

2）单只牺牲阳极输出电流计算

式中：

Ia为单只牺牲阳极输出电流，A；

ΔU为牺牲阳极驱动电位，V；铝合金牺牲阳极作为长寿命阳极使用，取0.25 V；

Ra为牺牲阳极接水电阻，Ω。

牺牲阳极采用旁离式安装方法，牺牲阳极接水电阻按下式计算：

式中：

ρ为海水电阻率，Ω·cm，取ρ＝25 Ω·cm；

L为牺牲阳极长度，cm；

r为牺牲阳极等效半径，cm，分为初期等效半径rc和末期等效半径rm，r=C/2π，C 为牺牲阳极截面周长，cm；

α为修正系数；挪威船级社DNVGL-RP-B401[2017] Cathodic protection design《阴极保护设计》和英标ISO_FDIS 13174-2012 Cathodic protection of harbour installations《港口设施阴极保护》均对牺牲阳极接水电阻有相应规定：计算公式对被保护钢结构与阳极之间的最小距离达到0.3 m 有效；对于被保护钢结构与阳极之间的距离小于0.3 m 但是达到0.15 m 时，可采用以上计算公式并乘1.3 的修正系数[6-7]。

3）牺牲阳极数量计算

牺牲阳极数量需同时满足钢结构阴极保护初期、维持期及末期总保护电流的需要，依据DNVGL-RP-B401 [2017] Cathodic protection design《阴极保护设计》以及《美国腐蚀工程师协会标准》NACE RP 0176-94《Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Platforms Associated with Petroleum Production》，当计算初期、维持期、末期的牺牲阳极理论用量值不同时，为确保阴极保护效果，取其中最大值[8]。

4）单只牺牲阳极使用年限校核计算

式中：

Wi为单只牺牲阳极净质量，kg；

μ为利用系数，长条状牺牲阳极取0.90；

Eg为牺牲阳极的消耗率，3.37 kg/A·a；

2.4 系统设计优化

根据以上牺牲阳极阴极保护系统设计各计算及对应公式的论述，在总保护电流量已定及选定牺牲阳极类型的情况下，影响牺牲阳极总数量和总重量的主要因素包括：牺牲阳极的接水电阻，具体表现为阳极块的形状和铁脚尺寸，各参数为阳极长度、等效半径、修正系数；单只牺牲阳极的净质量等。

本工程牺牲阳极阴极保护系统设计优化的目标为：牺牲阳极总数量和总重量均较优，设计保护年限达到30 年。

图1 所示为牺牲阳极结构图。为实现设计优化目标，选取了7 种牺牲阳极进行计算，详见表3。序号1、2、3 分别对应国标型号A21I-1、A21I-2、A21I-3 牺牲阳极，外形尺寸及重量由大变小，阳极与被保护钢结构之间的距离H 为0.3 m，牺牲阳极接水电阻计算公式中的修正系数α 取值1.0；序号4、5、6 分别对应序号1、2、3，仅将阳极与被保护钢结构之间的距离H 由0.3 m 优化成0.15 m，牺牲阳极接水电阻计算公式中的修正系数α 取值1.3；序号7 在已优化的序号6 基础上进一步优化，增加牺牲阳极的长度至2.15 m，并对应增大牺牲阳极重量。各种牺牲阳极计算对比结果详见表4。

图1 海洋工程设施用牺牲阳极结构图

表3 牺牲阳极规格型号及参数

表4 牺牲阳极计算对比表

根据表4 计算结果可以得出以下结论：

1）增大单只阳极的使用年限可以通到以下两种方式实现：一是缩短被保护钢结构与牺牲阳极之间的距离，考虑到以上牺牲阳极接水电阻计算公式中修正系数的取值依据，将0.3 m 优化成0.15 m；二是增加单只阳极的重量。

2）符合设计保护年限30 年要求的阳极共有第1、4、5、7 四种类型：从节省投资角度出发，可选取第1 和第7 种；从便于阳极吊装和水下人工焊接施工角度出发，可选取第5 和第7 种。

3）综合考虑节省投资、施工便利和安全性，设计选取较优的第7 种阳极，使用年限较好地满足设计要求，配置数量适当，每根钢管桩上布置2 块或3 块阳极，单只阳极的尺寸和重量均便于吊运和潜水员水下焊接安装。

3 系统施工

牺牲阳极阴极保护系统施工工艺流程主要为：施工准备→放点（阳极位置）→阳极焊脚校正→焊点清理→阳极下放→水下绑扎→焊接前检查→水下焊接→焊接后检查→水下录像→电位测量→交付验收。

3.1 施工准备

牺牲阳极运到项目施工现场后，在指定的位置进行堆放并用防雨帆布覆盖保存。

焊接和潜水设备在码头上不妨碍其他工序作业的位置进行安置，为确保各项设备能够正常安全运转，提前对各项设备进行连接调试。

3.2 阳极焊角校正和检验分析

牺牲阳极运到施工现场后，需对阳极的化学成分和外观等项目进行检验分析，阳极质量检验和检查结果合格后，再对阳极焊角的精度进行检查校正。检查校正的方法为：使用水平尺贴核阳极焊角，检查其两个焊角之间的贴合间隙，间隙值大于2 毫米的必须进行校正。为保证阳极焊角校正精度，应在陆上进行检查校正，只有达到检查校正合格的阳极才能进行水下安装。

3.3 阳极下放定位

使用平板拖车将牺牲阳极运至码头上，结合汽车吊将牺牲阳极吊装至施工船上，然后使用浮袋将阳极在钢管桩之间进行吊放。吊放前应先计算吊绳长度，将吊绳的一端围绕在钢管桩身上或者固定在钢管桩顶部，另一端固定在阳极的焊腿上，然后将阳极下放到预定位置。为保证阳极安装标高的误差在允许范围内，在下放安装前，应预先精确计算下放绳的长度。

阳极下放过程中，应保持稳定性，所用吊索应符合安全性能要求，固定端应系牢。在下放过程中，潜水员应躲避至安全范围，待阳极块下放到位后，再潜水到位，进行相应的操作。

3.4 钢管桩表面清理

为保证阳极与钢管之间的焊接质量，先使用羊角锤对钢管桩焊接点位置处的防腐漆和附着的海生物进行敲除，然后再结合使用钢丝刷和水下打磨机进行二次清除，直至钢管桩露出光洁表面为止，在清除过程中，严格控制清除范围，仅满足焊接作业即可，避免扩大清除范围，破坏钢管桩表面防腐漆。

3.5 水下绑扎阳极

潜水员在阳极下放完成后进行水下绑扎阳极，阳极调整好位置后，用绳子将阳极与钢管桩进行捆绑，绑扎前需再次确定阳极标高，保证阳极的上下焊脚紧贴钢管桩焊接处的光洁表面。斜桩上牺牲阳极块的下放方式及固定方法与直桩基本相同，唯一的区别是在斜桩上进行牺牲阳极下放的时候，由于吊绳与钢管桩之间存一个夹角，根据斜桩具体斜度调整吊绳长度，达到设计标高位置后，再用绳子将牺牲阳极与钢管桩进行绑捆。

3.6 焊接设备调试

焊机使用大直流逆变，400 A 或500 A，空载电压小于80 V，焊接电压35～40 V。正极接把线，负极接地线，绝缘性能良好。把线上装有闸刀，地线连接牢固。焊条使用防水焊条。

3.7 水下焊接

工作方式主要采用管供轻潜进行水下焊接安装作业，最大潜水深度为18.32 m。潜水员下水后，先对阳极的绑扎情况进行检查，发现绑扎不合格时，应进行调整，调整合格后再进行焊接施工。焊接方式采用自上而下进行，焊条与焊道之间的角度要求为：竖面倾斜25～35°；平面向下15～20°。焊接电流调至160～180 A。

在焊接开始引弧或中途引弧时，引弧位置通常提前1 cm 左右进行，当引燃电弧后，立即反向移至焊接点位置；灭弧时，不应立即将焊条移开，应在停焊点位置稍停，待电弧灭后再离开。

4 施工质量检验及保护系统检测

4.1 水下焊接质量检查与验收

牺牲阳极水下焊接结束后，应检查焊缝焊接质量，使用外观目视检测方法检测焊缝，每个阳极两个焊角的四条焊缝均应牢固焊接，焊缝长度不小于100 mm，焊缝的截面高度需大于等于4 mm，焊缝宽度均匀、形状基本连续平整、无裂缝。焊缝检查合格后方可进入下一道工序，对未达到要求的焊缝必须进行重新返焊，直至达到技术要求。

使用水下摄像检查方式抽检焊接的阳极焊缝，录像位置由建设单位代表或监理工程师指定，并交由现场焊接工程师和监理工程师检测，测定焊缝的高度、长度和连续性，检查比例为牺牲阳极总数量的5 %～10 %[8]，检测结果均为合格。

4.2 保护电位检测与分析

钢管桩保护电位检测采用便携式饱和Cu/CuSO4参比电极，通过测定钢管桩的保护电位，用于了解牺牲阳极阴极保护系统对钢管桩的保护效果，判断钢管桩是否处于正常的保护状态。如发现异常部位和保护电位达不到设计要求时，应进行水下详细检查及时查明原因，并采取可靠有效的补救措施，确保阴极保护系统发挥正常的保护作用。

本工程在码头各墩台面及引桥面上设置了保护电位测量端子，可以随时检测钢管桩的保护电位，在牺牲阳极全部焊接完成后的3～10 d 内，保护电位检测采取了施工自检和监理复测抽检方式，经检测，在钢管桩上进行牺牲阳极阴极保护系统施工后，各结构钢管桩基的保护电位分布较为均匀，均能全部达到保护要求，设计要求相对Cu/CuSO4参比电极保护电位范围为-850～-1 100 mV。说明整个工程钢管桩牺牲阳极阴极保护系统从材料和类型的选取到设计优化、施工和检测方法，均是合理的，达到了较好的保护效果。

5 结语

1）牺牲阳极阴极保护目前是海港高桩码头钢管桩基较为有效且应用最广泛的一种防腐措施，由于钢管桩基数量多，且其工作环境的特殊性，所需的阳极数量很大。基于满足设计年限要求、节约成本、方便施工等角度出发，设计从减小阳极与被保护钢结构之间的距离和适当增加小规格阳极的重量进行优化，较好地满足了设计使用年限要求，同时单只阳极重量、总数量均较优，不仅节省工程投资，而且较为安全，方便阳极吊运和水下焊接安装。

2）阳极水下焊接方式的施工工艺较为可靠，本工程从施工准备到全部阳极水下焊接工作完成近2 个月。施工要特别注意阳极吊装及浮袋辅助安装安全；阳极水下焊接区内的钢管桩表面清理工作，要严格控制清除范围，防止破坏钢管桩表面防腐漆。

3）水下焊接的焊缝外观检查测定可通过水下摄像法进行，用以控制和保证阳极的安装质量。根据保护电测检测结果，海洋工程设施用高效铝合金阳极在本工程海水环境下具有较好的保护效果。