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武鋼碼頭鋼管樁陰極保護(hù)

發(fā)布時(shí)間:2020-07-02 瀏覽次數(shù):4604次


  武鋼碼頭鋼管樁陰極保護(hù)
  李家全,葛鵬,熊述波,李曉瑞,黃新豪,周學(xué)杰,童凱,李志,陳曉軍
    (1.武鋼工業(yè)港;2.武漢材料保護(hù)研究所3.武漢科特科技有限責(zé)任公司)
    摘 要:武鋼工業(yè)港8、9號(hào)碼頭為高樁棧橋鋼材外發(fā)碼頭,碼頭棧橋A、B排鋼管樁下段長(zhǎng)期浸泡在江水中,銹蝕嚴(yán)重,將危及碼頭安全使用。為了減緩鋼管樁的腐蝕,對(duì)其施以外加電流的陰極保護(hù)措施,從而延緩鋼管樁表面的腐蝕速度,延長(zhǎng)碼頭鋼管樁使用壽命。
    關(guān)鍵詞:鋼管樁;腐蝕;陰極保護(hù)
 
    武鋼工業(yè)港地處長(zhǎng)江中游南岸,其8、9號(hào)鋼管樁碼頭為武鋼貨物重要的進(jìn)出基地,經(jīng)多年使用,鋼管樁腐蝕嚴(yán)重,可見(jiàn)明顯的蝕坑,尤其是長(zhǎng)期浸泡在水中部分,由于條件限制,多年來(lái)一直沒(méi)有維修給予保護(hù)。未加保護(hù)的港灣設(shè)施,長(zhǎng)期浸泡在水中會(huì)遭受嚴(yán)重的腐蝕。一般平均腐蝕率為0.1~0.4 mm/a,點(diǎn)蝕腐蝕率可為0.5 mm/a。因此,為確保碼頭能長(zhǎng)期正常運(yùn)行,安全使用,必須對(duì)其進(jìn)行防腐。
    1 防腐方案的選擇
    1.1 碼頭的基本情況
    工業(yè)港8、9號(hào)碼頭建設(shè)于1985年,為高樁棧式橋鋼材出口外發(fā)碼頭,年出口外發(fā)鋼材200萬(wàn)t以上,是體現(xiàn)武鋼經(jīng)濟(jì)效益的最后關(guān)鍵工序。碼頭棧橋A排直立式鋼管樁全長(zhǎng)58.0m,鋼管樁從岸坡0m(吳淞標(biāo)高)的地表打人地下,穿過(guò)泥土和鵝卵石層后深入-23m的巖石層,0~11.8m(設(shè)計(jì)低水位)標(biāo)高段長(zhǎng)期浸泡在江水中,l1.8~27.8 m標(biāo)高段為江水漲落間浸區(qū),27.8m以上至棧橋梁底露在空中;鋼管樁基本情況見(jiàn)表1和圖1。
    使用幾年后,鋼管樁表面出現(xiàn)較為嚴(yán)重腐蝕,在冬天枯水期,可見(jiàn)近水面段鋼管樁表面附著貝殼類水生物,鏟去貝殼類水生物,可見(jiàn)鋼管樁表面因嚴(yán)重腐蝕而呈現(xiàn)魚鱗狀銹皮塊,敲掉魚鱗狀銹皮塊可見(jiàn)明顯銹蝕坑,因此,鋼管樁在水中和泥土中的銹蝕問(wèn)題顯然是不可忽視的;低水位以上部分鋼管樁表面每隔5~8年就進(jìn)行一次除銹刷漆防腐,使鋼管樁表面處于受控保護(hù)狀態(tài),但是,水下和地下泥土中部分就處于無(wú)保護(hù)自然腐蝕狀態(tài);另外,碼頭作業(yè)船舶靠、離時(shí),經(jīng)常磨擦碰撞鋼管樁,從而加速鋼管樁表面的腐蝕速度。若這樣任其下去,將嚴(yán)重影響碼頭鋼管樁的使用壽命并危急碼頭生產(chǎn)安全作業(yè)。長(zhǎng)江淡水雖然沒(méi)有海水腐蝕性強(qiáng),但是對(duì)鋼管樁的腐蝕仍然是不可忽視的,碼頭區(qū)長(zhǎng)江水質(zhì)氯離子濃度平均為10× ,同時(shí)含有硫酸根離子、碳酸根離子,pH為7.5;所以對(duì)8、9號(hào)碼頭鋼樁水下和地下部分采取措施進(jìn)行防腐保護(hù)是非常必要的。
    1.2  防腐方案確定
    在淡水和海水中的金屬防腐,采取陰極保護(hù)是被國(guó)內(nèi)外廣泛采用的成熟方法,陰極保護(hù)就是對(duì)介質(zhì)中被保護(hù)金屬施加陰極電流,使它產(chǎn)生陰極極化,從而降低或阻止它的腐蝕速度。國(guó)內(nèi)外資料證明 即使采用優(yōu)質(zhì)涂料,水下鋼結(jié)構(gòu)也只能保證幾年不受到腐蝕破壞,如果采用陰極保護(hù),無(wú)論有無(wú)防腐涂層,也無(wú)論涂層質(zhì)量如何,均可使其在設(shè)計(jì)保護(hù)期不遭到腐蝕破壞,大大延長(zhǎng)其使用壽命,尤其是操作條件不允許使用涂層保護(hù)或不可能更換構(gòu)件和維修涂層的固定式、永久性的大型鋼結(jié)構(gòu)。       
    陰極保護(hù)方法分為犧牲陽(yáng)極法和外加電流法,犧牲陽(yáng)極法是靠電位較負(fù)的金屬為陽(yáng)極,逐漸溶解犧牲掉;外加電流法就是利用外部電流來(lái)提供所需的保護(hù)電流,被保護(hù)的金屬作為陰極,外加輔以陽(yáng)極,兩者都有優(yōu)缺點(diǎn),見(jiàn)表2。
    因此對(duì)于淡水中的陰極保護(hù),由于淡水電阻率較高,采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù),犧牲陽(yáng)極輸出電流小,保護(hù)范圍小,需要陽(yáng)極數(shù)量多,且要求水下焊接,材料和施工費(fèi)用較高,因此一般不采用,而多選用外加電流的陰極保護(hù)。在水工、港工鋼結(jié)構(gòu)物的防腐方面,陰極保護(hù)技術(shù)最早的應(yīng)用是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán),20世紀(jì)50年代初期在密西西比河的梯形開發(fā)時(shí),在一系列船閘、水閘的鋼閘門上首次運(yùn)用外加電流陰極保護(hù),1952年澳大利亞、日本也在碼頭鋼管樁上推廣應(yīng)用。我國(guó)1965年首先在渾河水閘上試用了陰極保護(hù)技術(shù)。接著先后在三河節(jié)制閘、射陽(yáng)河擋潮閘、上海石化廠油碼頭、上海石洞口電廠煤碼頭、烏溪江水電站引水鋼管等推廣應(yīng)用外加電流陰極保護(hù),使用效果較好。
    對(duì)于武鋼碼頭鋼管樁經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防腐方案如下。
    大氣區(qū):采用涂料防腐方案
    長(zhǎng)期水下和泥土部分:采用外加電流陰極保護(hù)
    對(duì)水位變化間浸區(qū):采用涂料加外加電流陰極保護(hù)防腐方案
    涂料加陰極保護(hù)即可大幅降低陰極保護(hù)費(fèi)用,同時(shí)可延長(zhǎng)涂料的使用壽命;對(duì)于水位變化間浸區(qū),在長(zhǎng)江低水位期鋼管樁表面采取手工機(jī)械除銹,涂刷防腐涂料,防腐涂料選用耐蝕耐水耐酸堿耐磨的環(huán)氧改性玻璃鱗片涂料,二底二中二面配套防腐體系。
    2 陰極保護(hù)
    2.1  陰極保護(hù)設(shè)計(jì)
    (1)保護(hù)電位
    最小保護(hù)電位為-0.85 V(相對(duì)Cil/CuSO4參比電極,下同),最大保護(hù)電位為-1.5 V。
    (2)保護(hù)電流密度
    水中有涂層保護(hù)電流密度
    水中無(wú)涂層保護(hù)電流密度
    泥土以下保護(hù)電流密度
    (3)設(shè)計(jì)有效保護(hù)年限為20年。
    (4)總的保護(hù)面積S=8934  。
    (5)總的保護(hù)電流強(qiáng)度I=272.75(A)。
    (6)長(zhǎng)江水電阻率為2000~5000 /cm。
    (7)輔助陽(yáng)極:選用高硅鑄鐵陽(yáng)極,尺寸 ,質(zhì)量50 kg,最大發(fā)生電流8A/只。
    (8)陽(yáng)極數(shù)量:高硅鑄鐵陽(yáng)極50套,單只陽(yáng)極發(fā)生電流為5.5A/只。
    (9)儀器設(shè)備的確定
    按設(shè)計(jì)計(jì)算,武鋼碼頭陰極保護(hù)站恒電位儀的正常工作輸出,總輸出電流約300 A,考慮碼頭B墩和C墩可能消耗一部分電流,故選擇最大輸出100A/100V的PS - l自動(dòng)控制恒電位儀4臺(tái)。
   (10)參比電極:長(zhǎng)江為淡水介質(zhì),參比電極選用鉑金電極,使用壽命20年,共4只。
    (11)8、9號(hào)碼頭各設(shè)計(jì)l套陰極保護(hù)站,為了便于管理,將恒電位儀設(shè)置在一個(gè)陰極保護(hù)間。
    2.2  陰極保護(hù)施工安裝
    陰極保護(hù)工程施工安裝示意圖見(jiàn)圖2(一個(gè)碼頭)。
    (1)輔助陽(yáng)極的布置與安裝。該工程于2003年底開工,利用冬季枯水期,在A、B排樁之間的岸邊挖坑埋設(shè)陽(yáng)極地床,地床距A墩鋼管樁20~25 m處,輔助陽(yáng)極埋設(shè)深度在最低水位線以下,按保護(hù)面積均勻布置,陽(yáng)極周圍添加焦炭;每個(gè)碼頭25只輔助陽(yáng)極用電纜并入接線盒中,由陽(yáng)極主電纜引入陰極保護(hù)問(wèn),與恒電位儀連接。
    (2)參比電極安裝。參比電極安裝在最低水位線以下,固定在鋼管樁旁,每個(gè)碼頭安裝2支。
    (3)通電點(diǎn)位置。通電點(diǎn)設(shè)置在4組鋼管樁4個(gè)部位,在水面以上,零位線選擇在靠船樁通電點(diǎn)附近,距通電點(diǎn)100~150mm。所有電纜引線均引入陰極保護(hù)問(wèn)。
    (4)陰極保護(hù)問(wèn) 各碼頭陰極保護(hù)問(wèn)安裝兩臺(tái)恒電位儀,其中1臺(tái)為手動(dòng)、恒電流輸出,另1臺(tái)為自動(dòng),由參比電極控制電位輸出,兩臺(tái)儀器聯(lián)合使用。
    (5)鋼管樁連接。由于鋼管樁是相互獨(dú)立的,為了保證陰極保護(hù)效果,鋼管樁之間用扁鋼或電纜通過(guò)焊接連接起來(lái),相互之間保持良好的電性連接。
    2.3  兩種保護(hù)方法經(jīng)濟(jì)效益分析
    采用犧牲陽(yáng)極法,淡水中只能采用鎂合金陽(yáng)極,規(guī)格為11kg,設(shè)計(jì)壽命20年,淡水電阻率較高,陽(yáng)極輸出電流約為30Ma/支,由2.1節(jié)可知,碼頭需保護(hù)電流為272.75 A,則需鎂合金陽(yáng)極數(shù)量為9092支,平均每根鋼管樁需焊接安裝95支,假定每只陽(yáng)極安裝和材料費(fèi)為600元,工程總費(fèi)用為545.52萬(wàn)元,平均每年費(fèi)用27.273萬(wàn)元。采用外加電流方法,主要設(shè)備材料為:恒電位儀4臺(tái),電纜3000 m,輔助陽(yáng)極50套,其他附件,材料加施工費(fèi)用約為50萬(wàn)元,設(shè)備正常工作,每年運(yùn)行費(fèi)大約為3萬(wàn)元,平均每年費(fèi)用為5.5萬(wàn)元,大大低于犧牲陽(yáng)極法。
    因此,武鋼碼頭鋼管樁陰極保護(hù)采用外加電流法是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。
    2.4 陰極保護(hù)效果
    陰極保護(hù)系統(tǒng)于2004年5月開始投入運(yùn)行,設(shè)備控制保護(hù)電位在- 1.2~ - 1.5 V(相對(duì)Cu/Cu 參比電極),設(shè)備工作參數(shù)和鋼管樁保護(hù)電位見(jiàn)表3、4。經(jīng)一個(gè)月通電后,鋼管樁的保護(hù)電位已進(jìn)入保護(hù)范圍,測(cè)得鋼管樁的保護(hù)電位在- 0.87~-1.46 V,均小于- 0.85 V的設(shè)計(jì)要求;陰極保護(hù)系統(tǒng)初始保護(hù)電流為170~188A,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作后,工作電壓為50~60V,保護(hù)電流降到70~90 A,鋼管樁均達(dá)到保護(hù)要求。
 
 
    3  結(jié)  語(yǔ)
 
    長(zhǎng)江淡水碼頭鋼管樁結(jié)構(gòu)防腐可以采用陰極保護(hù),鑒于長(zhǎng)江水的實(shí)際情況,電阻率較大,犧牲陽(yáng)極法不適用,宜采用外加電流法;輔助陽(yáng)極采用高硅鑄鐵陽(yáng)極,價(jià)格經(jīng)濟(jì);從保護(hù)電位可知,武鋼碼頭陰極保護(hù)系統(tǒng)施工安裝是成功的,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,鋼管樁得到很好的保護(hù),可以大大延長(zhǎng)碼頭鋼管樁的使用壽命。