码头钢管桩外加电流阴极保护系统设计及施工
码头钢管桩外加电流阴极保护系统设计及施工
马龙，张海军，李伟祥
东方建设（天津）防腐工程有限公司 300457
摘要： 外加电流阴极保护作为控制钢管桩腐蚀的一种电化学方法，能有效阻止码头钢管桩表面的电化学腐蚀。在国内，目前普遍选择牺牲阳极法作为阴极保护方法，而在国外码头的防腐保护中，外加电流法已经成为一种最常用的阴极保护方法。
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关键词：外加电流；阴极保护；钢管桩；腐蚀
1 引言
目前，钢结构在海洋环境中的局部腐蚀速度远大于平均腐蚀速度（约为平均腐蚀速度的5～10倍），这种局部腐蚀会造成结构物腐蚀穿孔或应力集中，成为码头结构物的安全隐患。外加电流阴极保护作为控制钢管桩腐蚀的一种电化学方法，能有效阻止码头钢管桩表面的电化学腐蚀。在国内，目前普遍选择牺牲阳极法作为阴极保护方法，而在国外码头的防腐保护中，外加电流法已经成为一种最常用的阴极保护方法。
天津港北港池集装箱码头三期工程位于天津港东疆港区。码头全长2300米，共38个结构段，为目前世界上最大的钢桩结构码头工程。采用外加电流阴极保护系统对其钢管桩进行阴极保护，系统的控制采用自动控制和手动控制相结合的方式，并配备了遥感遥控的功能和可视化软件系统，使防腐工作从过去的粗放型管理一步跃进为可视化、数字化、远程化，专
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业化的先进管理模式。1给业主提供了专业的防腐控制形式。本工程设计保护年限达到50年。
本工程为全世界最大的钢管桩阴极保护系统工程。
2 外加电流阴极保护系统设计
2.1设计指标
针对天津港集装箱码头钢管桩存在水位变动区、海水全浸区和海泥三个防腐区的实际情况，通过技术论证和经济比较，参照国内外有关技术规范和大量成功的实际工程经验，确定对钢管桩水位变动区和部分海水全浸区采用外加电流阴极保护与长寿命防腐涂层联合保护，对钢管桩海水全浸区和泥面以下15m部分长度裸露钢管桩采用外加电流阴极保护。 根据工程整体设计原则，确定钢管桩防腐保护的技术指标为：码头上浸入海水中的桩体进行为期50年的外加电流阴极保护。相对码头50年的使用寿命，做到同寿命保护。本工程阴极保护最大负电位（相对于Ag/AgCl参比电极，下同）控制在–1.10 V以下，避免涂层因析氢而导致电剥离损坏；本工程阴极保护最大负电位确定为–0.8 V。本防腐工程将通过对保护电位的严格监控措施，杜绝保护电位超过保护范围的现象。 *
马龙（1981－）：2004年毕业于南京工业大学腐蚀与防护专业，现从事阴极保护行业工作，先后主持过多个码头桥梁防腐项目的设计和施工。 Email：malong1983@gmail.com.电话：022-66280861.
2.2 保护面积及电流计算
根据天津港北港池集装箱码头所处的地理位置、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和所需的保护电流计算结果见表1。
表1 钢桩各区保护电流统计表 保护电流密度取值(mA/m2)
桩数 桩径
根
m
25 水位变动区 面积 保护电流m2A
面积
m2
30 水中涂料区
保护电流
A
100 水中裸钢区
20 泥下区
面积 面积 保护电流m2A m2A
1515.31344.7
53.1 8238.9A 53.1 8238.9B C
47.5 6341.51.21.047.1 6072.81.047.1 6072.8920.2433.6433.6D
E
49.7 6647.1F G
47.5 5715.71.21.250.5 4870.41.250.5 3214.73164
312.9362.6362.6
10450.0
H
H1
合计 总计
1769.8
2.3 主要设备选型及设计
通过计算本工程共需安装MMO钛管阳极
464个，尺寸为?25mm×1000mm，额定输出电流
30A以上，辅助阳极与水中电缆套管应具有良好的绝缘密封性能，本工程采用一体式产品，对阳极头采取了可靠的绝缘密封措施，确保接头的长效防水，并对紧固件提供有效保护。靠近辅助阳极的保护外壳、连接法兰及其绝缘密封材料，应具备抗氯气腐蚀性能。图1 所示为本工程所有一体式阳极。
本系统我们共采用了29台额定输出电流450A的变压整流器，同时考虑到变压整流器柜所处的环境条件，其保护性外壳应能抵御海水飞溅、盐雾、雨水、紫外线和海洋腐蚀介质的侵蚀，测量
图1 一体式阳极结构图导线和仪器的连接点应做好相应的绝缘密封，其绝缘密封等级为IP65
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。直流电源的布置应根据电源的
位置、码头的结构型式、平面布置条件、维护管理和经济因素综合确定，本工程确定将直流电源分散布置在码头后沿后浇托架上，如图2所示。
根据设计原则要求，每台直流电源需配置3个参比电极，本工程外加电流阴极保护系统共须安装87个永久性银/氯化银参比电极。其安装如图
3 图4 所示
图2 变压整流器控制柜安装示意图 图3 辅助阳极参比电极布置示意图
图4 辅助阳极和参比电极安装示意图
2.4 远程监控系统
以前的外加电流阴极保护系统，由于变压整流器控制柜（恒电位仪）的质量不稳定，自控能力低，需要专人时时维护和管理。上述原因造成了该保护法后期管理的难度，因而随着牺牲阳极材料质量的提高，逐渐在工程中采用了牺牲阳极保护法。但近年来，随着材料技术的发展（混合金属氧化物涂敷钛质，使用寿命50年），电子技术的发展和PLC控制模块的广泛应用，外加电流阴极保护法的变压整流器控制柜的电气元件质量越来越稳定，自动能力
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强；并且随着通讯技术的发展，做到了远距离监控和远程编程。
外加电流阴极保护系统的监控设备可采用恒电位仪、控制板或控制台。根据平面布置和维护管理条件，可采用控制室集中控制，也可分散布置于工程结构的相应位置上。对本工程监控设备的要求如下：
①监控设备应能适应所处的环境条件，当采用户外分散布置时，其保护性外壳应能抵御
海水飞溅、盐雾、雨水、紫外线和海洋腐蚀介质的侵蚀，测量导线和仪器的连接点应做好相应的绝缘密封，其绝缘密封等级为IP65。
②监控设备应具有测量、调节并显示钢结构自然腐蚀电位、保护电位、电源设备的输出电流和输出电压的功能。
③监控设备应设有手动检测接线端子和备用参比电极接线端子，以便对仪器仪表、测量线路、参比电极的使用状态进行校核。
④监控系统应具备数据采集、远程信号发射、接收功能，能对保护系统的状态进行实时监控。
3 外加电流阴极保护系统的施工
本工程位于天津港东疆港区，主要的施工工序（水下安装设备、水上电缆桥架安装、套管固定、电缆敷设等）均要在码头下方进行，施工时受海浪、潮汐影响较大施工难度高。
并提高的重点环节的质量因此在制定施工工艺及工艺流程时对环境情况进行了充分的考虑，
要求，以确保系统的正常施工、运行。
外加电流阴极保护系统工程包括：钢桩电性连接、阳极（参比电极）安装，负极连接施工，电缆铺设，变压整流器安装调试，系统试运行，系统验收，日常维护等工序。本工程的施工工艺流程图5所示：
图5 施工工艺流程图
保证电流分布均匀及排除杂散电流干扰，所有钢管桩与混凝土内的钢筋均需保证电连接成一个整体。采用φ14钢筋连接，另外所有暴露在大气中的电性连接材料都要进行防腐处理。
辅助阳极和参比电极通过钢桩上的远离式托架附在钢桩上（见图6）。阳极（参比电极）顶部位于低水位（+0.5m）以下至少2米的位置，这样阳极（参比电极）在任何时候都保持
淹没在海水中。钢桩托架有上下两层，每层托架都设有电性连接螺丝，从而达到钢桩托架的外加电流保护。另外为了保证阳极托架的固定可靠，可以在安装后使用水下电焊将托架与钢桩焊接。在安装阳极组件时，应注意不要损坏阳极表面，以及电缆的绝缘外皮。冬季施工要注意防冰凌。
根据外加电流阴极保护的'工作原理，为保证此项工程顺利、有效、安全的进行，该部分工程在现场提供一个系统的工作面后进行。这样可以保证施工期间的船舶机械作业及电焊不会影响系统安装及调试。同时根据钢桩的腐蚀原理在这段期间内钢桩的腐蚀是可以忽略的。
阴极汇流点同钢桩焊接，焊接要求双面焊。焊接完应对焊口进行防腐处理（涂刷环氧树脂）。
电缆接头处由专业电工进行操作，并填充环氧树脂密封。 图6 辅助阳极安装图
4 系统调试
第五系统位于集装箱码头三期的49～60 排架，共有钢管桩108 根。系统的安装工作在2007 年1 月18 日安装完毕，并经过验收合格。在公司内部建立了远程控制系统的服务器，并对钢管桩的原始电位进行了测量。在确保系统安装正确的情况下我方开始了调试工作。TCT3 第五系统于2007 年1 月31 号和2 月1 号进行调试，经过两天的现场调试和远程监控系统的调试，到2 月1 号，变压整流器的输出电流为：106A，输出电压为：5.07V，三个永久参比电极（Ag/AgCl）测出的保护电位均达到设计要求（-800mV~-1100mV）。调试结果如图7所示
图7 电位时间曲线图
5 结语
系统的控制采用自动控制和手动控制相结合的方式，并配备了遥感遥控的功能和可视化软件系统，使防腐工作从过去的粗放型管理一步跃进为可视化、数字化、远程化，专业化的先进管理模式；
通常码头钢桩采取牺牲阳极阴极保护一般设计寿命为30年，而目前码头的整体设计寿命达50年或更长。外加电流阴极保护设计寿命一次能达50年，和码头整体结构寿命设计保持
了一致；
水下辅助阳极、参比电极采用东方建设防腐公司的专用技术进行二次密封，保证其设计使用寿命。
参考文献：
[1] 胡士信, 阴极保护工程手册, 化学工业出版社, 北京, 2003年10月. [2] 任元会，工业与民用配电设计手册，中国电力出版社，2005年10月
[3] 佟复夏，无线遥测静态应变系统的研究，中国铁道科学，2002年第4期
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