碼頭鋼管樁外加電流陰極保護系統設計及施工

碼頭鋼管樁外加電流陰極保護系統設計及施工

馬龍，張海軍，李偉祥

東方建設（天津）防腐工程有限公司 300457

摘要： 外加電流陰極保護作為控制鋼管樁腐蝕的一種電化學方法，能有效阻止碼頭鋼管樁表面的電化學腐蝕。在國內，目前普遍選擇犧牲陽極法作為陰極保護方法，而在國外碼頭的防腐保護中，外加電流法已經成為一種最常用的陰極保護方法。

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關鍵詞：外加電流；陰極保護；鋼管樁；腐蝕

1 引言

目前，鋼結構在海洋環境中的局部腐蝕速度遠大于平均腐蝕速度（約為平均腐蝕速度的5～10倍），這種局部腐蝕會造成結構物腐蝕穿孔或應力集中，成為碼頭結構物的安全隱患。外加電流陰極保護作為控制鋼管樁腐蝕的一種電化學方法，能有效阻止碼頭鋼管樁表面的電化學腐蝕。在國內，目前普遍選擇犧牲陽極法作為陰極保護方法，而在國外碼頭的防腐保護中，外加電流法已經成為一種最常用的陰極保護方法。

天津港北港池集裝箱碼頭三期工程位于天津港東疆港區。碼頭全長2300米，共38個結構段，為目前世界上最大的鋼樁結構碼頭工程。采用外加電流陰極保護系統對其鋼管樁進行陰極保護，系統的控制采用自動控制和手動控制相結合的方式，并配備了遙感遙控的功能和可視化軟件系統，使防腐工作從過去的粗放型管理一步躍進為可視化、數字化、遠程化，專

【】

業化的先進管理模式。1給業主提供了專業的防腐控制形式。本工程設計保護年限達到50年。

本工程為全世界最大的鋼管樁陰極保護系統工程。

2 外加電流陰極保護系統設計

2.1設計指標

針對天津港集裝箱碼頭鋼管樁存在水位變動區、海水全浸區和海泥三個防腐區的實際情況，通過技術論證和經濟比較，參照國內外有關技術規范和大量成功的實際工程經驗，確定對鋼管樁水位變動區和部分海水全浸區采用外加電流陰極保護與長壽命防腐涂層聯合保護，對鋼管樁海水全浸區和泥面以下15m部分長度裸露鋼管樁采用外加電流陰極保護。 根據工程整體設計原則，確定鋼管樁防腐保護的技術指標為：碼頭上浸入海水中的樁體進行為期50年的外加電流陰極保護。相對碼頭50年的使用壽命，做到同壽命保護。本工程陰極保護最大負電位（相對于Ag/AgCl參比電極，下同）控制在–1.10 V以下，避免涂層因析氫而導致電剝離損壞；本工程陰極保護最大負電位確定為–0.8 V。本防腐工程將通過對保護電位的嚴格監控措施，杜絕保護電位超過保護范圍的現象。 *

馬龍（1981－）：2004年畢業于南京工業大學腐蝕與防護專業，現從事陰極保護行業工作，先后主持過多個碼頭橋梁防腐項目的設計和施工。 Email：malong1983@gmail.com.電話：022-66280861.

2.2 保護面積及電流計算

根據天津港北港池集裝箱碼頭所處的地理位置、介質電阻率、海水流速、波高、碼頭結構形式和鋼管樁材質、表面狀態、涂層種類、涂層厚度以及涂層使用壽命等實際情況，本工程鋼管樁各腐蝕區選擇和所需的保護電流計算結果見表1。

表1 鋼樁各區保護電流統計表 保護電流密度取值(mA/m2)

樁數 樁徑

根

m

25 水位變動區 面積 保護電流m2A

面積

m2

30 水中涂料區

保護電流

A

100 水中裸鋼區

20 泥下區

面積 面積 保護電流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

合計 總計

1769.8

2.3 主要設備選型及設計

通過計算本工程共需安裝MMO鈦管陽極

464個，尺寸為?25mm×1000mm，額定輸出電流

30A以上，輔助陽極與水中電纜套管應具有良好的絕緣密封性能，本工程采用一體式產品，對陽極頭采取了可靠的絕緣密封措施，確保接頭的長效防水，并對緊固件提供有效保護。靠近輔助陽極的保護外殼、連接法蘭及其絕緣密封材料，應具備抗氯氣腐蝕性能。圖1 所示為本工程所有一體式陽極。

本系統我們共采用了29臺額定輸出電流450A的變壓整流器，同時考慮到變壓整流器柜所處的環境條件，其保護性外殼應能抵御海水飛濺、鹽霧、雨水、紫外線和海洋腐蝕介質的侵蝕，測量

圖1 一體式陽極結構圖導線和儀器的連接點應做好相應的絕緣密封，其絕緣密封等級為IP65

【2】

。直流電源的布置應根據電源的

位置、碼頭的結構型式、平面布置條件、維護管理和經濟因素綜合確定，本工程確定將直流電源分散布置在碼頭后沿后澆托架上，如圖2所示。

根據設計原則要求，每臺直流電源需配置3個參比電極，本工程外加電流陰極保護系統共須安裝87個永久性銀/氯化銀參比電極。其安裝如圖

3 圖4 所示

圖2 變壓整流器控制柜安裝示意圖 圖3 輔助陽極參比電極布置示意圖

圖4 輔助陽極和參比電極安裝示意圖

2.4 遠程監控系統

以前的外加電流陰極保護系統，由于變壓整流器控制柜（恒電位儀）的質量不穩定，自控能力低，需要專人時時維護和管理。上述原因造成了該保護法后期管理的難度，因而隨著犧牲陽極材料質量的提高，逐漸在工程中采用了犧牲陽極保護法。但近年來，隨著材料技術的發展（混合金屬氧化物涂敷鈦質，使用壽命50年），電子技術的發展和PLC控制模塊的廣泛應用，外加電流陰極保護法的變壓整流器控制柜的電氣元件質量越來越穩定，自動能力

【3】

強；并且隨著通訊技術的發展，做到了遠距離監控和遠程編程。

外加電流陰極保護系統的監控設備可采用恒電位儀、控制板或控制臺。根據平面布置和維護管理條件，可采用控制室集中控制，也可分散布置于工程結構的相應位置上。對本工程監控設備的要求如下：

①監控設備應能適應所處的環境條件，當采用戶外分散布置時，其保護性外殼應能抵御

海水飛濺、鹽霧、雨水、紫外線和海洋腐蝕介質的侵蝕，測量導線和儀器的連接點應做好相應的絕緣密封，其絕緣密封等級為IP65。

②監控設備應具有測量、調節并顯示鋼結構自然腐蝕電位、保護電位、電源設備的輸出電流和輸出電壓的功能。

③監控設備應設有手動檢測接線端子和備用參比電極接線端子，以便對儀器儀表、測量線路、參比電極的使用狀態進行校核。

④監控系統應具備數據采集、遠程信號發射、接收功能，能對保護系統的狀態進行實時監控。

3 外加電流陰極保護系統的施工

本工程位于天津港東疆港區，主要的施工工序（水下安裝設備、水上電纜橋架安裝、套管固定、電纜敷設等）均要在碼頭下方進行，施工時受海浪、潮汐影響較大施工難度高。

并提高的重點環節的質量因此在制定施工工藝及工藝流程時對環境情況進行了充分的考慮，

要求，以確保系統的正常施工、運行。

外加電流陰極保護系統工程包括：鋼樁電性連接、陽極（參比電極）安裝，負極連接施工，電纜鋪設，變壓整流器安裝調試，系統試運行，系統驗收，日常維護等工序。本工程的施工工藝流程圖5所示：

圖5 施工工藝流程圖

保證電流分布均勻及排除雜散電流干擾，所有鋼管樁與混凝土內的鋼筋均需保證電連接成一個整體。采用φ14鋼筋連接，另外所有暴露在大氣中的電性連接材料都要進行防腐處理。

輔助陽極和參比電極通過鋼樁上的遠離式托架附在鋼樁上（見圖6）。陽極（參比電極）頂部位于低水位（+0.5m）以下至少2米的位置，這樣陽極（參比電極）在任何時候都保持

淹沒在海水中。鋼樁托架有上下兩層，每層托架都設有電性連接螺絲，從而達到鋼樁托架的外加電流保護。另外為了保證陽極托架的固定可靠，可以在安裝后使用水下電焊將托架與鋼樁焊接。在安裝陽極組件時，應注意不要損壞陽極表面，以及電纜的絕緣外皮。冬季施工要注意防冰凌。

根據外加電流陰極保護的工作原理，為保證此項工程順利、有效、安全的進行，該部分工程在現場提供一個系統的工作面后進行。這樣可以保證施工期間的船舶機械作業及電焊不會影響系統安裝及調試。同時根據鋼樁的腐蝕原理在這段期間內鋼樁的腐蝕是可以忽略的。

陰極匯流點同鋼樁焊接，焊接要求雙面焊。焊接完應對焊口進行防腐處理（涂刷環氧樹脂）。

電纜接頭處由專業電工進行操作，并填充環氧樹脂密封。 圖6 輔助陽極安裝圖

4 系統調試

第五系統位于集裝箱碼頭三期的49～60 排架，共有鋼管樁108 根。系統的安裝工作在2007 年1 月18 日安裝完畢，并經過驗收合格。在公司內部建立了遠程控制系統的服務器，并對鋼管樁的原始電位進行了測量。在確保系統安裝正確的情況下我方開始了調試工作。TCT3 第五系統于2007 年1 月31 號和2 月1 號進行調試，經過兩天的現場調試和遠程監控系統的調試，到2 月1 號，變壓整流器的輸出電流為：106A，輸出電壓為：5.07V，三個永久參比電極（Ag/AgCl）測出的保護電位均達到設計要求（-800mV~-1100mV）。調試結果如圖7所示

圖7 電位時間曲線圖

5 結語

系統的控制采用自動控制和手動控制相結合的方式，并配備了遙感遙控的功能和可視化軟件系統，使防腐工作從過去的粗放型管理一步躍進為可視化、數字化、遠程化，專業化的先進管理模式；

通常碼頭鋼樁采取犧牲陽極陰極保護一般設計壽命為30年，而目前碼頭的整體設計壽命達50年或更長。外加電流陰極保護設計壽命一次能達50年，和碼頭整體結構壽命設計保持

了一致；

水下輔助陽極、參比電極采用東方建設防腐公司的專用技術進行二次密封，保證其設計使用壽命。

參考文獻：

[1] 胡士信, 陰極保護工程手冊, 化學工業出版社, 北京, 2003年10月. [2] 任元會，工業與民用配電設計手冊，中國電力出版社，2005年10月

[3] 佟復夏，無線遙測靜態應變系統的研究，中國鐵道科學，2002年第4期

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