天津临港佳悦粮油码头钢管桩腐蚀防护及效果调查

时间：2024-07-28

孙铸，张文锋，赵金山

（1.中粮佳悦（天津）有限公司，天津 300452；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津 300222）

1 工程概况

天津临港佳悦粮油码头一期工程位于天津临港工业区，桩台采用高桩梁板结构。水工建筑物包括码头、引桥及接岸结构。码头总长度为310 m，顶标高为6.0 m，前沿水深为-16.0 m。码头基础为φ800 mm和φ1 000 mm的钢管桩，材质Q345B，分别为130根和178根。

2 防腐方案

为减缓钢管桩在海洋环境中的腐蚀，延长钢管桩的使用寿命，需对钢管桩进行腐蚀防护。本工程根据规范JTS153-3—2007《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》[1]（以下简称“防腐规范”）的要求和码头实际特点提出了相应的防腐方案。

2.1 材料的选择及腐蚀裕量

选用耐海水腐蚀能力较强、强度较高的低合金钢Q345B钢材，并预留适当的腐蚀裕量。

2.2 不同区域防腐措施的选择

根据防腐规范和码头结构特征，钢管桩可划分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区五个部位。针对不同部位，防腐规范规定了相应的防腐蚀措施。综合考虑施工的便利性、成本及天津港钢管桩的防腐传统及实际效果，本工程采用涂层与阴极保护联合保护的方式对码头钢管桩进行腐蚀防护。其中，大气区和浪溅区采用涂层保护；水位变动区采用涂层和阴极保护联合保护；其余部位采用阴极保护。考虑到打桩至竣工总体时间较短，无需另外增设施工期的防腐措施。为保障裸钢始终处于水下，防腐涂层的范围确定为从桩顶至极端低水位以下1 m。

2.3 阴极保护技术的选择

阴极保护有两种形式，牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。从总体上看，两者如果设计合理，施工规范，维护得当，选择两者中的任何一种都能达到满意的保护效果。本工程综合考虑码头运行管理的实际特点，以及牺牲阳极运行维护费用低，不会产生过保护，施工技术简单，平时无需专人管理等优点，选择牺牲阳极阴极保护的方式。

2.4 监测阴极保护效果的GPRS远程防腐遥测系统

尽管牺牲阳极阴极保护系统具有众多优点，但也存在一些不足之处，如驱动电位低，电流调节范围窄，阳极污损及腐蚀过量可能导致保护不足等问题。为此，本工程还在个别钢管桩上安装了GPRS远程防腐遥测系统，在线监测钢管桩的实时保护效果，以便及早发现隐患及时采取预防措施。

3 防腐涂层

根据码头的整体设计和使用要求，对钢管桩涂层保护技术要求如下：防腐涂层的设计使用寿命为30 a，30 a后由使用单位另行组织涂层的修复工作，最终达到50 a的保护目标。海洋腐蚀环境复杂多变，风浪影响大，盐度高，干湿交替严重，且涂层保护年限需达30 a。因此，需选择耐盐雾性强、耐老化性能好、使用寿命长、耐候性良好，且具有适当强度的涂料。

综合比较涂料的性能、经济性和实际使用效果，本工程选择在天津港常用的ZF-101环氧重防腐涂料。基本要求如下：钢管桩表面处理至少应达到表面清洁度为Sa2.5级和表面粗糙度60～100 μm。环氧厚浆型重防腐涂料涂装不少于3道，涂层总干膜厚度不少于1 000μm。为保证涂料的施工质量，对涂装过程进行了跟踪检查，严格控制表面清洁度、表面粗糙度、涂层厚度和涂层外观等关键指标。总体看，由于施工条件较好（在预制场中），质量控制严格，施工队伍涂装技术熟练，涂层质量达到了预期效果。

4 牺牲阳极阴极保护

4.1 设计使用年限

本工程码头设计使用年限为50 a，考虑到牺牲阳极阴极保护初期投入较大，本工程采用分阶段设计方式。第一阶段设计使用30 a，第二阶段根据对牺牲阳极的消耗状况、钢管桩的保护状态、涂层的破损情况等参数的评估结果，重新设计牺牲阳极系统，最终达到钢管桩使用寿命50 a的技术要求。分阶段设计有如下优点：1）适当降低了初期投资成本，将其余成本归入后期维护，体现了资金的时间价值；2）由于牺牲阳极设计具有一定的安全裕量，根据后期评估结果重新设计牺牲阳极系统，可以更好控制牺牲阳极的总体用量。

4.2 保护电位

保护电位是表征钢管桩防腐状况和牺牲阳极防腐效果的重要指标。按照防腐规范的要求，在有效保护期内，钢管桩水位变动区、水下区的保护电位应控制在：-0.85～-1.10 V（相对Cu/饱和CuSO4参比电极）。

4.3 牺牲阳极的选择和用量

由于密度小、实际电容量大、在氯离子介质中性能良好、成本低等优点，铝基牺牲阳极在海洋环境防腐中得到了广泛应用。铝基牺牲阳极有多个体系，本工程选择在天津港广泛应用且实际电容量较高的Al-Zn-In-Mg-Ti合金。该合金实际电容量≥2 600 A·h/kg，电流效率≥90%，是当今国内电容量最大、电流效率最高的铝合金牺牲阳极。

根据钢管桩所需的保护电流、牺牲阳极的发生电流等参数，确定牺牲阳极用量和规格。阳极用量546块，净重136.20 kg，毛重142.30 kg，尺寸（260+220） mm×950 mm×225 mm。

4.4 阳极施工过程的质量控制

牺牲阳极施工过程质量控制的重要指标包括：电连接状况，阳极尺寸、重量和表面状态，阳极成分，焊缝长度、高度及连续性，安装标高，竣工后的保护电位等。整个过程中，指标检测结果和验收情况都得到了质量监督员和监理工程师的签字确认，并进行了备案。

4.4.1 电连接状况

电连接是保证钢管桩保护电位均匀分布的重要措施。在施工过程中，全程观察钢管桩电连接系统的安装情况，定期用万用表抽检钢管桩之间的接触电阻。

4.4.2 阳极尺寸、重量和表面状态

阳极尺寸、重量和表面状态对阳极的溶解性能有着重要影响，需严格控制。本工程对于每批次牺牲阳极都进行了抽样检测，数量大于该批次总量的5%。在抽检过程中，曾发现如下问题：1）某批次的阳极焊脚脆性大，极易折断。分析表明这是由于焊脚未进行热处理造成的；2）对阳极进行剖开检查，曾发现有个别阳极内部存在孔洞；3）阳极焊脚在运输或搬运过程中，因碰撞造成倾斜、错位或角度改变等。对于这些问题，及时要求施工单位和供货单位进行整改处理。

4.4.3 阳极成分

阳极成分决定着阳极的质量和溶解性能，杂质含量超标会严重影响阳极的使用寿命。对于该指标，也进行了严格监控，对每批次阳极都选取了大于总量1.5%的阳极进行取样成分分析。结果表明，阳极成分控制较好，都达到了规范要求[2-3]。

4.4.4 焊缝长度、高度及连续性

采用水下录像系统对阳极的水下焊缝进行了检查，数量大于总数的10%，发现焊缝基本都能达到长度大于100 mm、高度5～7 mm且连续的基本要求，对于极少数不符合要求的焊脚，要求施工单位进行了补焊。

4.4.5 安装标高和角度

在阳极安装过程中，定期定量对固定阳极块的标高和角度进行核准，并严格要求阳极焊脚避开钢管桩焊缝焊脚。对于少量因泥面高度改变而需调整标高的阳极，严格按照要求得到设计确认并在竣工图中标明。

4.4.6 竣工后的保护电位检测

在牺牲阳极保护系统工程竣工1周后，对钢管桩的保护电位进行抽样检查，要求每根桩采集上、中、下3个点的电位值。结果表明：抽检钢管桩的电位在-980～-1 023 mV（相对于Cu/饱和CuSO4电极）之间，处于-0.85～-1.10 V的设计要求保护范围内，且上中下电位差值在5 mV之间，可见保护电位符合设计要求且分布均匀，说明牺牲阳极防腐工程达到了设计要求，竣工验收合格。

5 GPRS远程防腐遥测系统的安装

GPRS智能远程电位遥测系统由电源、长效参比电极、GPRS智能远程电位采集仪（包括GPRS通讯）、GPRS中心无线通讯终端、中心控制计算机、钢管桩保护电位在线监测系统软件等组成。GPRS模块与数据采集模块采用直接连接的方式，组成GPRS智能远程电位采集仪。该系统可以随时、方便、远距离自动地将钢管桩保护电位传送到中心控制计算机，通过钢管桩保护电位在线监测系统软件实现数据记录、查询、打印。

为了全面及时了解和掌握钢管桩在不同期间的保护效果，本阴极保护系统设置5个监测点，分布在5个结构段中。每个监测点安装2个参比电极（1用1备），并在每个监测点配备一个固定电位测点，以便对监测系统的工作状态进行核查。

参比电极的安装位置及高程应能分别显示整个保护系统中泥面附近及距阳极最远点的钢管桩保护电位。据此，确定本工程参比电极的安装高程为-3.5 m。为确保参比电极测量线路的持久、耐用，参比电极采用陆上组装水下安装焊接，标高2.5 m以上测量电缆采用UPVC套管保护，以下部分采用钢套管进行保护，测量用屏蔽线不允许存在接头，连接法兰和套管连接处必须进行绝缘密封。

6 码头防腐系统运行调查结果

该码头始建于2010年，并于2011年初投入使用，至2012年防腐系统已运行2 a左右[4]。为充分了解码头防腐系统的实际效果，进一步指导码头的维护管理，对码头的防腐系统进行了详细检测。

6.1 钢管桩防腐涂层的检查

检测人员对钢管桩水位变动区及以上部位的涂层进行了详细检查，发现仅有1根钢管桩的涂层发生了小面积破损。小面积破损可能是由于施工期间的接触性破坏所致，加之后期的局部修复效果并不理想，随着时间推移而逐渐显露出来。

涂层厚度检测结果显示，涂层的平均厚度达到了1 338μm，其中涂层最厚达1 730μm，最薄为898μm。厚度平均值达到1 000μm以上的测点有277个，占总测点数的90.0%。上述结果表明，涂层在使用一段时间后，仍能达到验收时合格涂层的标准，即测点值达到设计厚度的测点数不应少于总测点数的85%，且最小测值不得低于设计厚度的85%[1]。

附着力即漆膜与底材之间的结合能力是表征涂层性能的重要指标。检测结果显示，抽检测点的附着力平均值在10.2 MPa，所有测点的附着力皆大于8.0 MPa的设计要求。可见，涂层在使用数年后仍能达到设计要求。

综上所述，钢管桩防腐涂层在使用2 a后，各项检测指标仍能达到设计要求，说明钢管桩的防腐涂料选择合理，使用效果良好。

6.2 钢管桩的保护电位

检测人员对所有钢管桩的保护电位进行了调查，每根桩采集上、中、下3个点的电位值。结果表明，电位值在-916～-963 mV之间，平均保护电位为-940 mV，单桩上、中、下电位值差值最大为10 mV，可见牺牲阳极阴极保护系统电连接良好，提供的保护电流充足，分布均匀，能为钢管桩提供良好的保护。上述结果说明，钢管桩牺牲阳极的设计合理，施工过程也达到了预期效果，防腐工程发挥了积极作用。