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武鋼碼頭鋼管樁陰極保護
發布時間：2020-07-02 瀏覽次數：5194次
武鋼碼頭鋼管樁陰極保護
李家全，葛鵬，熊述波，李曉(xiao)瑞，黃新豪(hao)，周學杰，童(tong)凱(kai)，李志，陳曉(xiao)軍
(1．武(wu)鋼(gang)工業港；2．武(wu)漢(han)材(cai)料保護研究所3．武漢科(ke)特(te)科(ke)技有限責任公(gong)司)
摘 要：武鋼(gang)(gang)工業(ye)港8、9號碼(ma)(ma)頭(tou)為高樁(zhuang)棧橋(qiao)鋼(gang)(gang)材外(wai)發碼(ma)(ma)頭(tou)，碼(ma)(ma)頭(tou)棧橋(qiao)A、B排鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)下段長期浸泡在江水(shui)中(zhong)，銹蝕(shi)嚴(yan)重，將危及碼(ma)(ma)頭(tou)安(an)全(quan)使用(yong)。為了減緩鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)的腐(fu)(fu)蝕(shi)，對其(qi)施以外(wai)加(jia)電流的陰(yin)極(ji)保護措施，從而延(yan)緩鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表面的腐(fu)(fu)蝕(shi)速度(du)，延(yan)長碼(ma)(ma)頭(tou)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)使用(yong)壽命。
關鍵(jian)詞：鋼管(guan)樁；腐蝕；陰極保護(hu)
武(wu)鋼(gang)工業港(gang)地(di)處長(chang)江(jiang)中(zhong)(zhong)游南岸，其(qi)8、9號鋼(gang)管樁碼(ma)頭(tou)為(wei)(wei)武(wu)鋼(gang)貨物(wu)重要(yao)的(de)進出基地(di)，經多年使用，鋼(gang)管樁腐蝕嚴(yan)重，可(ke)見明顯(xian)的(de)蝕坑(keng)，尤其(qi)是(shi)長(chang)期(qi)浸泡在水(shui)中(zhong)(zhong)部分(fen)，由于條件限制，多年來(lai)一直沒有維(wei)修給予保(bao)(bao)護。未加保(bao)(bao)護的(de)港(gang)灣設施，長(chang)期(qi)浸泡在水(shui)中(zhong)(zhong)會遭受(shou)嚴(yan)重的(de)腐蝕。一般平均腐蝕率為(wei)(wei)0．1～0．4 mm/a，點(dian)蝕腐蝕率可(ke)為(wei)(wei)0.5 mm／a。因此，為(wei)(wei)確(que)保(bao)(bao)碼(ma)頭(tou)能長(chang)期(qi)正常運行，安全使用，必須(xu)對其(qi)進行防腐。
1 防腐方(fang)案(an)的選擇(ze)
1.1 碼頭的基本情況(kuang)
工業港8、9號碼(ma)(ma)頭建設于1985年(nian)(nian)，為高(gao)樁棧式橋鋼(gang)材(cai)出口外(wai)發碼(ma)(ma)頭，年(nian)(nian)出口外(wai)發鋼(gang)材(cai)200萬t以上，是體現(xian)武鋼(gang)經濟效益的最(zui)后關鍵工序。碼(ma)(ma)頭棧橋A排直立式鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)樁全長58.0m，鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)樁從岸坡0m(吳淞(song)標高(gao))的地表打(da)人地下，穿過泥土和鵝卵石層后深入-23m的巖石層，0～11.8m(設計低(di)水位)標高(gao)段(duan)長期(qi)浸(jin)泡在江水中(zhong)，l1.8～27.8 m標高(gao)段(duan)為江水漲落間浸(jin)區，27.8m以上至棧橋梁底(di)露(lu)在空中(zhong)；鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)樁基本情況見表1和圖1。
使(shi)(shi)用幾年(nian)(nian)后(hou)，鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)出現較為(wei)嚴(yan)重腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)，在冬天枯水(shui)(shui)期(qi)，可(ke)(ke)見(jian)近(jin)水(shui)(shui)面(mian)(mian)段鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)附著貝(bei)殼類(lei)水(shui)(shui)生物(wu)(wu)，鏟去貝(bei)殼類(lei)水(shui)(shui)生物(wu)(wu)，可(ke)(ke)見(jian)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)因(yin)嚴(yan)重腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)而呈(cheng)現魚鱗狀(zhuang)銹(xiu)皮塊，敲掉(diao)魚鱗狀(zhuang)銹(xiu)皮塊可(ke)(ke)見(jian)明顯(xian)銹(xiu)蝕(shi)(shi)(shi)坑，因(yin)此(ci)，鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)在水(shui)(shui)中(zhong)(zhong)和(he)泥土中(zhong)(zhong)的(de)(de)銹(xiu)蝕(shi)(shi)(shi)問題顯(xian)然(ran)是不可(ke)(ke)忽(hu)視(shi)的(de)(de)；低水(shui)(shui)位(wei)以上部(bu)(bu)分(fen)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)每隔(ge)5～8年(nian)(nian)就進(jin)行一(yi)次除銹(xiu)刷漆防腐(fu)(fu)(fu)(fu)，使(shi)(shi)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)處(chu)于(yu)(yu)受(shou)控保護(hu)狀(zhuang)態，但是，水(shui)(shui)下和(he)地(di)下泥土中(zhong)(zhong)部(bu)(bu)分(fen)就處(chu)于(yu)(yu)無保護(hu)自然(ran)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)狀(zhuang)態；另外，碼(ma)(ma)頭(tou)作業(ye)船(chuan)舶(bo)靠(kao)、離(li)時(shi)，經常磨(mo)擦(ca)碰撞鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)，從而加(jia)速鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)速度(du)。若(ruo)這樣任(ren)其下去，將嚴(yan)重影(ying)響(xiang)碼(ma)(ma)頭(tou)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)的(de)(de)使(shi)(shi)用壽命并危急碼(ma)(ma)頭(tou)生產(chan)安全作業(ye)。長江(jiang)淡水(shui)(shui)雖然(ran)沒(mei)有海水(shui)(shui)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性強，但是對(dui)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)仍然(ran)是不可(ke)(ke)忽(hu)視(shi)的(de)(de)，碼(ma)(ma)頭(tou)區(qu)長江(jiang)水(shui)(shui)質(zhi)氯離(li)子濃度(du)平均(jun)為(wei)10× ，同時(shi)含(han)有硫酸根離(li)子、碳酸根離(li)子，pH為(wei)7.5；所以對(dui)8、9號碼(ma)(ma)頭(tou)鋼(gang)(gang)樁(zhuang)水(shui)(shui)下和(he)地(di)下部(bu)(bu)分(fen)采取(qu)措施進(jin)行防腐(fu)(fu)(fu)(fu)保護(hu)是非常必要的(de)(de)。
1.2 防腐方案確定
在(zai)淡水和海水中(zhong)的(de)金屬(shu)防腐，采(cai)(cai)取陰極(ji)保(bao)護(hu)(hu)是被(bei)(bei)國內外廣泛采(cai)(cai)用(yong)的(de)成熟方法(fa)，陰極(ji)保(bao)護(hu)(hu)就是對介質中(zhong)被(bei)(bei)保(bao)護(hu)(hu)金屬(shu)施加(jia)陰極(ji)電流，使(shi)它(ta)產生(sheng)陰極(ji)極(ji)化，從而降低或阻止它(ta)的(de)腐蝕速(su)度。國內外資料(liao)證明 即使(shi)采(cai)(cai)用(yong)優(you)質涂料(liao)，水下鋼(gang)結構也只能保(bao)證幾年不(bu)受到腐蝕破壞(huai)，如果采(cai)(cai)用(yong)陰極(ji)保(bao)護(hu)(hu)，無論(lun)有無防腐涂層(ceng)(ceng)，也無論(lun)涂層(ceng)(ceng)質量(liang)如何，均可(ke)使(shi)其(qi)(qi)在(zai)設(she)計保(bao)護(hu)(hu)期不(bu)遭到腐蝕破壞(huai)，大(da)大(da)延長其(qi)(qi)使(shi)用(yong)壽命，尤其(qi)(qi)是操作條件(jian)不(bu)允許使(shi)用(yong)涂層(ceng)(ceng)保(bao)護(hu)(hu)或不(bu)可(ke)能更換(huan)構件(jian)和維修涂層(ceng)(ceng)的(de)固(gu)定式、永久性的(de)大(da)型鋼(gang)結構。
陰(yin)極(ji)保護(hu)方法(fa)分為(wei)犧牲陽極(ji)法(fa)和(he)外(wai)加電流(liu)(liu)法(fa)，犧牲陽極(ji)法(fa)是靠電位較負的金屬為(wei)陽極(ji)，逐漸溶解犧牲掉；外(wai)加電流(liu)(liu)法(fa)就(jiu)是利(li)用外(wai)部(bu)電流(liu)(liu)來(lai)提供(gong)所需(xu)的保護(hu)電流(liu)(liu)，被保護(hu)的金屬作為(wei)陰(yin)極(ji)，外(wai)加輔(fu)以陽極(ji)，兩者(zhe)都(dou)有優缺點，見表2。
因此對于(yu)淡水中的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)，由于(yu)淡水電阻率較高，采用(yong)(yong)(yong)犧牲陽(yang)極(ji)(ji)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)，犧牲陽(yang)極(ji)(ji)輸(shu)出電流小，保(bao)(bao)護(hu)(hu)范圍小，需要陽(yang)極(ji)(ji)數(shu)量多，且要求水下焊接，材料和施工(gong)費用(yong)(yong)(yong)較高，因此一(yi)般不采用(yong)(yong)(yong)，而多選用(yong)(yong)(yong)外(wai)加(jia)(jia)電流的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)。在(zai)水工(gong)、港工(gong)鋼(gang)結構(gou)物的(de)(de)(de)防腐方面(mian)，陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)技(ji)術最早的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)是美國(guo)陸軍(jun)工(gong)程兵團，20世(shi)紀(ji)50年代(dai)初期(qi)在(zai)密(mi)西西比河的(de)(de)(de)梯形開發時，在(zai)一(yi)系列船閘(zha)、水閘(zha)的(de)(de)(de)鋼(gang)閘(zha)門(men)上(shang)(shang)首(shou)次運用(yong)(yong)(yong)外(wai)加(jia)(jia)電流陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)，1952年澳大利(li)亞、日(ri)本(ben)也在(zai)碼(ma)(ma)頭鋼(gang)管樁上(shang)(shang)推(tui)廣應用(yong)(yong)(yong)。我國(guo)1965年首(shou)先在(zai)渾河水閘(zha)上(shang)(shang)試(shi)用(yong)(yong)(yong)了陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)技(ji)術。接著先后在(zai)三河節(jie)制閘(zha)、射陽(yang)河擋(dang)潮(chao)閘(zha)、上(shang)(shang)海石(shi)化廠油(you)碼(ma)(ma)頭、上(shang)(shang)海石(shi)洞(dong)口(kou)電廠煤(mei)碼(ma)(ma)頭、烏溪江水電站引水鋼(gang)管等推(tui)廣應用(yong)(yong)(yong)外(wai)加(jia)(jia)電流陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)(bao)護(hu)(hu)，使用(yong)(yong)(yong)效果較好(hao)。
對于武鋼碼頭鋼管樁經濟實用的防腐方(fang)案如(ru)下。
大(da)氣區(qu)：采用涂料防腐方案
; 長期水下和(he)泥土部(bu)分(fen)：采用外加電流陰極保護
對水位變化間(jian)浸區：采(cai)用(yong)涂料(liao)加(jia)外加(jia)電流陰(yin)極保護防腐方案
涂料加陰(yin)極保護即(ji)可大(da)幅降低陰(yin)極保護費用，同(tong)時可延長涂料的(de)使用壽(shou)命(ming)；對于水位(wei)變化間浸(jin)區，在長江低水位(wei)期鋼(gang)管樁表面采取(qu)手工機械(xie)除銹(xiu)，涂刷防腐涂料，防腐涂料選用耐(nai)蝕耐(nai)水耐(nai)酸堿(jian)耐(nai)磨(mo)的(de)環(huan)氧改性玻璃鱗片涂料，二(er)底二(er)中二(er)面配(pei)套防腐體系(xi)。
2 陰極保護
2.1 陰(yin)極保護設計
(1)保(bao)護電位
最小(xiao)保護電位(wei)為(wei)－0.85 V(相對Cil／CuSO4參比(bi)電極，下同(tong))，最大(da)保護電位為－1.5 V。
(2)保(bao)護電(dian)流密度
水中有涂(tu)層保護電流密度
水(shui)中(zhong)無涂層保護(hu)電流密(mi)度
泥土(tu)以下保護(hu)電流密度
(3)設計有效保(bao)護年限為20年。
(4)總(zong)的保(bao)護面積(ji)S=8934 。
(5)總的(de)保(bao)護電流強度(du)I=272.75(A)。
(6)長(chang)江水電阻率為2000～5000 /cm。
(7)輔助陽(yang)(yang)極：選用高(gao)硅鑄鐵陽(yang)(yang)極，尺寸 ，質量50 kg，最大發生(sheng)電流8A/只。
(8)陽(yang)(yang)極(ji)(ji)數量：高硅鑄(zhu)鐵陽(yang)(yang)極(ji)(ji)50套，單只陽(yang)(yang)極(ji)(ji)發生電流(liu)為5.5A/只。
(9)儀器設備的確(que)定
按設計計算，武鋼碼(ma)頭陰極保護站恒電位儀的正(zheng)常工作輸出，總輸出電流(liu)約300 A，考慮碼(ma)頭B墩和(he)C墩可(ke)能消耗一部分電流(liu)，故選擇(ze)最大輸出100A/100V的PS - l自(zi)動控(kong)制恒電位儀4臺。
（10)參比電極(ji)(ji)：長江為淡水介質，參比電極(ji)(ji)選用鉑金電極(ji)(ji)，使(shi)用壽命20年，共4只。
(11)8、9號碼頭(tou)各設計(ji)l套陰(yin)極保護站(zhan)，為了(le)便于(yu)管理，將恒電位儀設置(zhi)在一(yi)個陰(yin)極保護間。
2.2 陰極保(bao)護施工安裝
陰極保護工(gong)程施工(gong)安裝示意圖見圖2(一個碼(ma)頭)。
(1)輔助(zhu)陽極(ji)(ji)的布(bu)置與(yu)安裝。該工程(cheng)于2003年底開(kai)工，利用(yong)冬季枯水期，在(zai)A、B排樁之間的岸邊挖坑埋設陽極(ji)(ji)地(di)床(chuang)，地(di)床(chuang)距(ju)A墩鋼管(guan)樁20～25 m處，輔助(zhu)陽極(ji)(ji)埋設深度(du)在(zai)最低水位(wei)線以下，按(an)保護面積均(jun)勻(yun)布(bu)置，陽極(ji)(ji)周圍添加(jia)焦炭；每(mei)個(ge)碼頭(tou)25只輔助(zhu)陽極(ji)(ji)用(yong)電纜并入(ru)接(jie)(jie)線盒中，由陽極(ji)(ji)主電纜引(yin)入(ru)陰極(ji)(ji)保護問，與(yu)恒電位(wei)儀連接(jie)(jie)。
(2)參(can)比電極安裝。參(can)比電極安裝在最低水位線以下，固定(ding)在鋼管樁旁(pang)，每個碼頭安裝2支(zhi)。
(3)通(tong)電(dian)(dian)點(dian)位置。通(tong)電(dian)(dian)點(dian)設置在4組鋼管樁4個部位，在水面以上，零(ling)位線選擇在靠船樁通(tong)電(dian)(dian)點(dian)附近，距通(tong)電(dian)(dian)點(dian)100～150mm。所(suo)有(you)電(dian)(dian)纜(lan)引線均引入(ru)陰極(ji)保護問(wen)。
(4)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)護問 各碼頭(tou)陰(yin)極(ji)(ji)保(bao)護問安裝兩(liang)臺(tai)(tai)恒(heng)電位儀(yi)，其中1臺(tai)(tai)為手動、恒(heng)電流輸(shu)(shu)出，另(ling)1臺(tai)(tai)為自動，由參比電極(ji)(ji)控制(zhi)電位輸(shu)(shu)出，兩(liang)臺(tai)(tai)儀(yi)器聯合(he)使用。
(5)鋼管樁(zhuang)連(lian)(lian)(lian)接(jie)。由于鋼管樁(zhuang)是(shi)相互獨立的，為了保(bao)證陰極保(bao)護效果，鋼管樁(zhuang)之(zhi)間用扁鋼或電纜通過焊接(jie)連(lian)(lian)(lian)接(jie)起(qi)來，相互之(zhi)間保(bao)持良(liang)好的電性連(lian)(lian)(lian)接(jie)。
2.3 兩(liang)種(zhong)保護方(fang)法(fa)經濟效(xiao)益分析(xi)
采(cai)用(yong)犧(xi)(xi)牲陽極法(fa)，淡水(shui)中只能(neng)采(cai)用(yong)鎂合金陽極，規格為(wei)(wei)11kg，設(she)計壽命20年，淡水(shui)電(dian)阻率(lv)較(jiao)高，陽極輸出電(dian)流約(yue)為(wei)(wei)30Ma/支(zhi)(zhi)，由2.1節可知，碼頭(tou)需保(bao)護電(dian)流為(wei)(wei)272.75 A，則需鎂合金陽極數量為(wei)(wei)9092支(zhi)(zhi)，平均每根(gen)鋼管樁需焊接安裝95支(zhi)(zhi)，假定每只陽極安裝和材料費(fei)為(wei)(wei)600元(yuan)，工程(cheng)總費(fei)用(yong)為(wei)(wei)545.52萬元(yuan)，平均每年費(fei)用(yong)27.273萬元(yuan)。采(cai)用(yong)外加電(dian)流方法(fa)，主要設(she)備材料為(wei)(wei)：恒電(dian)位(wei)儀4臺，電(dian)纜3000 m，輔助陽極50套(tao)，其他附(fu)件，材料加施(shi)工費(fei)用(yong)約(yue)為(wei)(wei)50萬元(yuan)，設(she)備正常(chang)工作，每年運行費(fei)大約(yue)為(wei)(wei)3萬元(yuan)，平均每年費(fei)用(yong)為(wei)(wei)5.5萬元(yuan)，大大低于犧(xi)(xi)牲陽極法(fa)。
因此，武鋼(gang)碼頭鋼(gang)管樁陰極保護采(cai)用(yong)(yong)外(wai)加電流法是經濟實用(yong)(yong)的(de)。
2.4 陰極保護效果(guo)
陰(yin)極保(bao)護(hu)(hu)(hu)系統于(yu)2004年(nian)5月開始(shi)投入(ru)(ru)運行(xing)，設備控制(zhi)保(bao)護(hu)(hu)(hu)電位在(zai)- 1.2～ - 1.5 V(相(xiang)對(dui)Cu／Cu 參(can)比電極)，設備工(gong)作(zuo)參(can)數和鋼(gang)管(guan)樁保(bao)護(hu)(hu)(hu)電位見(jian)表(biao)3、4。經(jing)一個月通電后(hou)，鋼(gang)管(guan)樁的(de)保(bao)護(hu)(hu)(hu)電位已進入(ru)(ru)保(bao)護(hu)(hu)(hu)范圍，測(ce)得鋼(gang)管(guan)樁的(de)保(bao)護(hu)(hu)(hu)電位在(zai)- 0.87～-1.46 V，均(jun)小(xiao)于(yu)- 0.85 V的(de)設計要求；陰(yin)極保(bao)護(hu)(hu)(hu)系統初始(shi)保(bao)護(hu)(hu)(hu)電流為(wei)(wei)170～188A，系統進入(ru)(ru)穩定(ding)工(gong)作(zuo)后(hou)，工(gong)作(zuo)電壓為(wei)(wei)50～60V，保(bao)護(hu)(hu)(hu)電流降(jiang)到(dao)70～90 A，鋼(gang)管(guan)樁均(jun)達到(dao)保(bao)護(hu)(hu)(hu)要求。
3 結 語
長(chang)江淡水(shui)碼(ma)頭(tou)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)結(jie)構防腐可(ke)以采(cai)(cai)用(yong)陰極(ji)(ji)保(bao)護(hu)，鑒于長(chang)江水(shui)的實際情況，電阻率較大(da)，犧牲陽(yang)極(ji)(ji)法不適用(yong)，宜采(cai)(cai)用(yong)外加電流法；輔助陽(yang)極(ji)(ji)采(cai)(cai)用(yong)高硅鑄鐵陽(yang)極(ji)(ji)，價(jia)格經濟；從保(bao)護(hu)電位可(ke)知，武(wu)鋼(gang)(gang)碼(ma)頭(tou)陰極(ji)(ji)保(bao)護(hu)系統(tong)施工安裝是成功的，達到(dao)設(she)計要求，鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)得到(dao)很好的保(bao)護(hu)，可(ke)以大(da)大(da)延長(chang)碼(ma)頭(tou)鋼(gang)(gang)管(guan)樁(zhuang)的使(shi)用(yong)壽命。
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