王廷勇，尹萍，常娥，王金福，朱云龍，李貴年

　　( 青島雙瑞海洋環(huán)境工程有限公司，青島，中國，266101)

　　作者簡介

       王廷勇(1970-06-29)，男，山東青島，碩士研究生，高級工程師，國家注冊一級建造師，山東省暨青島市腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事，就職于青島雙瑞海洋環(huán)境工程有限公司，即中船重工七二五研究所青島分部。長期從事金屬腐蝕與防護(hù)及表面處理等領(lǐng)域的課題研究及工程項(xiàng)目管理工作。從事課題研究期間，曾承擔(dān)過國防預(yù)研及基金課題，2005年課題成果曾獲得國防科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，并獲中國船舶重工集團(tuán)公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2011年所承擔(dān)的課題曾獲青島市科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng),并獲中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。過去十幾年間，在各類期刊及會(huì)議上發(fā)表論文三十余篇，曾獲得過中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)及青島市第七屆自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎(jiǎng)。曾承擔(dān)過上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護(hù)項(xiàng)目的管理工作，該項(xiàng)目是國家十一五重點(diǎn)交通項(xiàng)目暨上海市十一五重大工程建設(shè)項(xiàng)目，是目前國內(nèi)港工設(shè)施領(lǐng)域技術(shù)最復(fù)雜投資最大的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2009年11月正式投入使用，運(yùn)行良好，對大橋起到了有效防腐作用。

　　摘要：上海長江大橋工程位于上海市東部，大橋全長16.55km，并設(shè)計(jì)有1200多根鋼管樁。為了防止鋼管樁的腐蝕，上海長江大橋鋼管樁采取環(huán)氧粉末涂層和外加電流陰極保護(hù)聯(lián)合防腐。我部承擔(dān)的上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護(hù)工程，于2009年11月全部完工，并正式投入運(yùn)行。現(xiàn)場測量表明，鋼管樁電位都達(dá)到了要求的技術(shù)指標(biāo)，取得良好的防腐效果。

　　關(guān)鍵詞：外加電流，陰極保護(hù)，鋼管樁，電位，腐蝕
 

1. 引言

　　上海長江大橋工程位于上海市東部，南起長興島，以橋梁形式跨長江北港水域，北至崇明島陳家鎮(zhèn)。大橋全長16.55km，長興島大堤至崇明島大堤方向水域全長8.5km，水深16-18m。全橋設(shè)2個(gè)副通航孔和1個(gè)主通航孔，副通航孔深水區(qū)橋梁總長3.64km，布置在主通航孔兩側(cè)，主通航孔橋南側(cè)副通航孔橋跨布置：23×70m+7×100m;主通航孔橋北側(cè)副通航孔橋跨布置：7×100m+9×70m。70m跨等高度預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁和100m跨等高度鋼—混凝土組合梁的下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)均采用φ1.2m的鋼管樁，樁長為76.2m～81.2m，材料為Q345c鋼，共46個(gè)墩位，92座承臺，配置1200根鋼管樁。承臺底標(biāo)高為+1.5m，封底混凝土底標(biāo)高為0.5m，要求設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。根據(jù)橋址水質(zhì)條件及技術(shù)論證，上海長江大橋鋼管樁采取環(huán)氧粉末涂層和外加電流陰極保護(hù)聯(lián)合防腐。

　　2005年12月15日，受上海長江隧橋建設(shè)發(fā)展有限公司和江南重工股份有限公司委托，我部承擔(dān)了上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護(hù)工程，并于2009年11月全部完工，正式投入運(yùn)行。目前系統(tǒng)運(yùn)行正常，鋼管樁電位達(dá)到了指標(biāo)要求，取得良好的防腐蝕效果。

2. 鋼管樁外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

　　2.1保護(hù)范圍

　　根據(jù)樁位圖，無論漲落潮，還是退平潮，鋼管樁全部浸沒在江水之中，設(shè)計(jì)方案保護(hù)范圍為整根鋼管樁,其中包括：a、混凝土承臺段；b、江水段；c、泥中段。

　　2.2技術(shù)指標(biāo)

　　2.2.1保護(hù)系統(tǒng)有效防腐蝕年限：t≥35年；

　　2.2.2 在有效防腐蝕年限內(nèi)，被保護(hù)鋼管樁的保護(hù)電位控制在最佳保護(hù)電位范圍：-0.10V～+0.25V(相對鋅參比電極)；

　　2.2.3 在有效防腐蝕年限內(nèi)，鋼管樁各區(qū)段無明顯腐蝕，不產(chǎn)生蝕坑等集中腐蝕現(xiàn)象；

　　2.2.4 在有效防腐蝕年限內(nèi)，提供的防腐蝕系統(tǒng)對所在海域水質(zhì)無污染作用，對鋼管樁的機(jī)械強(qiáng)度無任何負(fù)面影響。

　　2.3保護(hù)方案

　　外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是通過外部的直流電源向被保護(hù)金屬構(gòu)筑物通以陰極電流，對被保護(hù)金屬構(gòu)筑物進(jìn)行陰極極化來實(shí)現(xiàn)防腐蝕的一種方法。本工程外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由直流電源、輔助陽極、參比電極、線路電纜及電位監(jiān)測系統(tǒng)等組成。

　　2.3.1 直流電源

　　根據(jù)長江大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本方案將每座承臺作為一個(gè)陰極保護(hù)單元，全工程有92座承臺，每座承臺設(shè)置一臺開關(guān)式恒電位儀，開關(guān)式恒電位儀分別安裝在每座承臺頂部的箱梁腔體內(nèi)側(cè)壁上。

　　2.3.2 組合式輔助陽極體

　　2.3.2.1 輔助陽極

　　在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，輔助陽極是其中關(guān)鍵的組成部分，電源設(shè)備提供的陰極保護(hù)電流需要通過輔助陽極經(jīng)介質(zhì)傳遞到被保護(hù)的鋼管樁表面，輔助陽極的性能好壞，將直接影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和防腐蝕效果。設(shè)計(jì)采用管狀鈦基混合金屬氧化物陽極[J]，該類型陽極在海水中具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，適宜于做不溶性的陽極材料。

　　2.3.2.2輔助陽極組合體

　　為了便于水下安裝與布線，確保防腐蝕效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，方案將兩支混合金屬氧化物輔助陽極安裝在一根槽鋼上，組裝成輔助陽極組合體;另外，測量與控制用的鋅合金參比電極安裝在組合體上兩支混合金屬氧化物陽極中間，組裝成參比電極輔助陽極組合體。

　　2.3.2.3組合體安裝

　　根據(jù)每根鋼管樁達(dá)到有效保護(hù)電位所需要的陰極保護(hù)電流量，并充分考慮到 鋼管樁工作水域水質(zhì)情況，以及涂層種類及其厚度，方案選用水下濕法焊接工藝，將配裝兩支輔助陽極的組合體焊裝在鋼管樁上。為了確保陰極保護(hù)電位分布均勻，達(dá)到預(yù)期的防腐蝕效果，每根鋼管樁上均焊裝一套組合體。

　　2.3.3 參比電極

　　為了監(jiān)測被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的保護(hù)電位和向恒電位儀提供控制與測量信號，每座承臺的陰極保護(hù)系統(tǒng)配置兩支鋅參比電極。其化學(xué)成分見表1。

　　表 1鋅參比電極化學(xué)成分

#p#副標(biāo)題#e#　　2.3.4 陰極保護(hù)系統(tǒng)電纜

　　圖(1) 陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)
 

3.鋼管樁保護(hù)效果檢測及數(shù)據(jù)分析

　　3.1電位測量

　　工程于2009年10月28日完工，通過高內(nèi)阻數(shù)字萬用表和便攜式銅-飽和硫酸銅參比電極，由潛水員在水下對鋼管樁保護(hù)電位分布進(jìn)行了測量。

　　3.1.1自然電位測量

　　為了準(zhǔn)確評定鋼管樁外加電流陰極保護(hù)效果，在陰極保護(hù)系統(tǒng)正式通電之前，首先進(jìn)行了鋼管樁自然電位的測量，測量結(jié)果列入表2。

　　從表中數(shù)據(jù)可以看出，鋼管樁自然電位為-0.600～-0.650V 。由于鋼管樁頂部(1～2測量點(diǎn))受鋼質(zhì)模板和鋼—混凝土結(jié)構(gòu)的影響，自然電位偏正，約為-0.450～-0.600V;鋼管樁泥面處可能受硫酸鹽還原菌的影響，或者受氧濃差電池的影響，自然電位偏負(fù)，約為-0.700～-0.740V。

　　3.1.2保護(hù)電位測量

　　鋼管樁保護(hù)電位分布測量結(jié)果列入表 3。

　　從表中的數(shù)據(jù)可以看出，除接近承臺鋼質(zhì)模底板1.0m范圍內(nèi)，鋼管樁保護(hù)電位正于-0.85V以外，其余鋼管樁各段保護(hù)電位均負(fù)于-0.85V，且分布均勻，保護(hù)電位峰值最負(fù)為-1.300 V，達(dá)到了良好的保護(hù)狀態(tài)。由于鋼質(zhì)模板未拆除，而且未與鋼管樁進(jìn)行電性絕緣，使得上層輔助陽極輸出保護(hù)電流大部份流入鋼質(zhì)模板，鋼管樁頂部近1.0m段內(nèi)得不到足夠的保護(hù)電流，造成保護(hù)電位正于-0.85V，盡管如此，該段保護(hù)電位較自然電位負(fù)移200mV以上，根據(jù)GB/T17005-1997«濱海設(shè)施外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)» 的技術(shù)規(guī)定，該段保護(hù)電位雖正于-0.85V，但也得到了有效保護(hù)，電位測量見圖(2)。
 

　　
圖2 保護(hù)電位分布圖

注：●圖中(1)為PM36A墩6號樁保護(hù)電位分布；

　　●圖中(2)為PM36A墩9號樁保護(hù)電位分布；

　　●圖中(3)為PM36A墩6號樁自然電位分布；

　　●圖中(4)為鋼管樁最小保護(hù)電位：-0.85V(C.S.E)；

　　●圖中橫座標(biāo)“0”為鋼管樁與承臺底交界點(diǎn)；

　　●圖中“水深”為承臺底至泥面水深度。#p#副標(biāo)題#e#

　　3.2 鋼管樁電位遙測系統(tǒng)

　　恒電位儀設(shè)備正式通電運(yùn)行之后，對鋼管樁電位遙測系統(tǒng)中的前端采集器和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備工作狀態(tài)反復(fù)調(diào)試與檢測，結(jié)果如下：

　　(1)遙測系統(tǒng)工作狀態(tài)

　　經(jīng)多方面調(diào)試與檢測，來自系統(tǒng)中的PM44A、PM44B、PM65、APM65B四個(gè)地址和6個(gè)端口的數(shù)據(jù)可以全部準(zhǔn)確而清晰地進(jìn)入中控室;

　　(2)遙測系統(tǒng)精確度檢測

　　通過筆記本電腦下載采集器和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比，其中數(shù)據(jù)與恒電位儀設(shè)備指示值、實(shí)測值，以及與實(shí)測輔助陽極發(fā)生電流值基本一致，在全工程736測量的電位數(shù)據(jù)中，有723個(gè)電位數(shù)據(jù)的誤差小于5%，只有13個(gè)電位數(shù)據(jù)的誤差為5～7.4%，這主要是實(shí)測時(shí)與檢測設(shè)備收到數(shù)據(jù)的時(shí)間不同步所致，但整個(gè)遙測系統(tǒng)已滿足了設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

4.結(jié)論

　　根據(jù)長期通電及調(diào)試結(jié)果，上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，對鋼管樁起到了防腐作用。經(jīng)全面檢測與分析，并得出如下結(jié)論：

　　(1)系統(tǒng)開關(guān)式恒電位儀運(yùn)行正常，穩(wěn)定性尚佳，恒控值與實(shí)測值基本吻合一致；

　　(2)恒電位儀設(shè)定電位為+0.15 V(相對銅—飽和硫酸銅參比電極)時(shí)，鋼管樁保護(hù)電位除靠近承臺底部1米范圍內(nèi)，因受鋼質(zhì)模板和混凝土結(jié)構(gòu)影響，保護(hù)電位正于-0.85 V之外，余下鋼管樁各段保護(hù)電位均負(fù)于-0.85 V。參照相關(guān)技術(shù)規(guī)定，鋼管樁整體達(dá)到了有效保護(hù)；

　　(3)實(shí)測結(jié)果表明鋼管樁保護(hù)電位分布基本均勻，只是在陽極附近，電位峰值最負(fù)為-1.30 V；

　　(4)遙測系統(tǒng)共監(jiān)測736個(gè)數(shù)據(jù)，其中723個(gè)數(shù)據(jù)的精確度為0～5%，13個(gè)數(shù)據(jù)的精確度為5～7.4%，滿足了設(shè)計(jì)技術(shù)要求；

　　(5)中控室可以準(zhǔn)確接受到來自全工程4個(gè)地址和6個(gè)端口的陰極保護(hù)參數(shù)，可以對保護(hù)參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)控。

References(參考文獻(xiàn))

　　[1] Tingyong Wang, Likun Xu, Guangzhang Chen. Application of mixed metal oxide coated titanium anodes in impressed current cathodic protection[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2002, 38(9):620-622.

　　王廷勇，許立坤，陳光章. 鈦基混合金屬氧化物陽極在外加電流陰極保護(hù)中的應(yīng)用[J]. 金屬學(xué)報(bào)， 2002, 38(9):620-622.

表 2.鋼管樁自然電位

表 3鋼管樁保護(hù)電位分布測量值

       說明：1.表中“1”為鋼管樁頂端與承臺交接點(diǎn)位; 2.表中“3”為上支輔助陽極點(diǎn)位;

　　3.表中“5”為鋅合金參比電極點(diǎn)位; 4.表中“7”為下支輔助陽極點(diǎn)位;

　　5.表中“9”為鋼管樁泥面點(diǎn)位;

　　6.表中控制電位為將相對鋅合金參比電極電位核準(zhǔn)成相對銅-飽和硫酸銅參比電極電位。