一種新型的碼頭鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)方案

一種新型的碼頭鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)方案

0港港地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的腐蝕,導(dǎo)致目標(biāo)結(jié)構(gòu)的安全和壽命低隨著引水工程專業(yè)化和大規(guī)模的發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能完全滿足現(xiàn)代碼頭結(jié)構(gòu)負(fù)荷和水深的要求。而水工鋼結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的性能,近年來(lái)已在現(xiàn)代碼頭建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的物理、機(jī)械及施工性能,然而其存在一個(gè)極大的弊端,即耐腐蝕性能差且損壞后維修比較困難。因此,實(shí)際使用中必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理,否則鋼結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性將受到嚴(yán)重影響,并給碼頭結(jié)構(gòu)帶來(lái)極大的安全隱患。如福建某設(shè)計(jì)使用年限25a的碼頭由于未對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的防腐保護(hù),導(dǎo)致該碼頭僅使用5a即發(fā)生鋼管樁嚴(yán)重銹蝕甚至出現(xiàn)銹洞的現(xiàn)象。銹洞的產(chǎn)生將引起應(yīng)力集中,嚴(yán)重削弱了碼頭鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。近年來(lái),隨著天津港向深水大港的方向大步邁進(jìn),鋼結(jié)構(gòu)已成為天津港不可或缺的建筑材料。為有效保護(hù)這些鋼結(jié)構(gòu),犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)已被天津港廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止2008年,天津港共施打鋼管樁14000余根,使用鋼材約26萬(wàn)t,其中采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)的面積約為110余萬(wàn)m2,犧牲陽(yáng)極普遍采用Al-Zn-In-Mg-Ti系合金。目前,天津港鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)基本良好。然而,由于天津港的回淤性特質(zhì),使得一些碼頭尤其是老碼頭的犧牲陽(yáng)極被海泥不同程度掩埋,導(dǎo)致?tīng)奚?yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)使用壽命和效果降低,從而影響整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。這是目前天津港犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)使用過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。1海泥中死漁產(chǎn)品al-znin-si系投資主體的陰極保護(hù)作用2004年天津港的調(diào)查報(bào)告顯示,港埠一公司碼頭的抽檢陽(yáng)極塊體已全部被埋入泥中,只有陽(yáng)極的焊腳仍露于泥面之上;南疆石化碼頭也有部分犧牲陽(yáng)極被不同程度掩埋。2004年調(diào)查中,還對(duì)這些碼頭鋼結(jié)構(gòu)周圍泥面標(biāo)高和鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位進(jìn)行了檢測(cè)。表1~表3為2004年調(diào)查中各碼頭抽檢鋼管樁周圍的泥面標(biāo)高及其保護(hù)電位。從表1~表3中可以看出,隨著鋼結(jié)構(gòu)附近整體泥面標(biāo)高的提高,陰極保護(hù)電位整體正移,即陰極保護(hù)效果下降。一方面,泥面提高使得鋼結(jié)構(gòu)所處電解質(zhì)環(huán)境的淤泥增加,電阻率變大;另一方面,犧牲陽(yáng)極被掩埋后,表面活性溶解點(diǎn)減少。上述兩個(gè)原因?qū)?dǎo)致?tīng)奚?yáng)極工作效率下降,使陰極保護(hù)整體效果下降。對(duì)于泥面較低的鋼結(jié)構(gòu),陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果較好。如10萬(wàn)噸級(jí)碼頭2號(hào)靠船墩鋼管樁的保護(hù)電位均處在-900~-1000mV的最佳保護(hù)電位范圍內(nèi),可見(jiàn)目前天津港普遍使用的Al-Zn-In系犧牲陽(yáng)極具有良好使用性能。然而,對(duì)于部分泥面較高的鋼結(jié)構(gòu),陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果有所下降。如15萬(wàn)噸級(jí)碼頭1號(hào)系船墩鋼管樁的保護(hù)電位大部分未處在最佳保護(hù)電位范圍內(nèi),但都負(fù)于阻止鋼鐵腐蝕的安全電位-800~-850mV。可見(jiàn),盡管部分犧牲陽(yáng)極因淤泥的掩埋工作效率下降,然而由于結(jié)構(gòu)的電連接性較好,其它工作效率較高的犧牲陽(yáng)極仍能較好地補(bǔ)充上述損失,使整體結(jié)構(gòu)仍處在陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)之中,但這將加速未被掩埋陽(yáng)極的消耗,使?fàn)奚?yáng)極難以達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限。由于鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽(yáng)極幾乎完全被掩埋,在相同的使用年限下,港埠一公司碼頭鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位都已正于保護(hù)電位,即陰極保護(hù)系統(tǒng)已完全失效;而另外兩個(gè)與其同期設(shè)計(jì)施工、保護(hù)指標(biāo)相同的碼頭(南疆石化碼頭)卻仍處于陰極保護(hù)狀態(tài)中。綜上可知,犧牲陽(yáng)極被掩埋將導(dǎo)致?tīng)奚?yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)使用壽命和效果降低。這是由于海泥不像海水介質(zhì)化學(xué)成分均一且流動(dòng)性好,使得在海水中使用良好的犧牲陽(yáng)極在海泥中使用時(shí)性能嚴(yán)重下降。而天津港現(xiàn)有疏浚方式多以傳統(tǒng)的耙吸、絞吸及新研究的抓吸疏浚方式為主,很難對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)下部的淤泥予以有效治理,因此亟需采用其它方法解決上述問(wèn)題。研究表明,Al-ZnIn-Si系犧牲陽(yáng)極在海泥中具有較好的使用性能。鑒于上述原因,本文以犧牲陽(yáng)極被掩埋最嚴(yán)重的天津港港埠一公司碼頭為研究對(duì)象,在海泥中采用Al-Zn-In-Si系犧牲陽(yáng)極,并為陽(yáng)極配置填包料,以期解決上述問(wèn)題,并為在天津港海泥區(qū)中實(shí)施犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)提供依據(jù)。2al-zn-si是香港海泥的受害者2.1港埠一公司港區(qū)基礎(chǔ)鋼板樁保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀天津港港埠一公司碼頭全長(zhǎng)760m,其陰極保護(hù)分別于1992年和1993年分兩期完成,設(shè)計(jì)使用年限15a。2004年對(duì)港埠一公司碼頭鋼板樁陰極保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)查結(jié)果表明,陽(yáng)極已全部被埋入泥中,只有陽(yáng)極的焊腳仍露于泥面之上,陽(yáng)極已達(dá)到保護(hù)年限末期,發(fā)生電流小于設(shè)計(jì)維持電流,大部分鋼板樁的保護(hù)電位已經(jīng)正于-850mV,也就是說(shuō),港埠一公司碼頭大多數(shù)鋼板樁處于保護(hù)不足狀態(tài)。因此需要重新設(shè)計(jì)和安裝犧牲陽(yáng)極,恢復(fù)系統(tǒng)的保護(hù)功能。2005年底開(kāi)始,天津港對(duì)港埠一公司碼頭鋼結(jié)構(gòu)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了更換,并于2007年底竣工。本次更換工程中,在天津港首次采用了上述Al-Zn-In-Si系犧牲陽(yáng)極。2.2海泥中采集出的認(rèn)識(shí)不足陰極保護(hù)有兩種形式:犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。本工程的碼頭岸線較長(zhǎng),若采用外加電流陰極保護(hù),需沿岸線配置多臺(tái)整流器及相關(guān)設(shè)備和材料。然而,因淤積鋼結(jié)構(gòu)水中區(qū)的保護(hù)面積較小,并不需要如此多的整流器來(lái)供給保護(hù)電流,顯然采用外加電流陰極保護(hù)并不經(jīng)濟(jì)。此外,由于淤積及該碼頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,實(shí)施外加電流陰極保護(hù)難度較大。而犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)由于其結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng),可以較好地解決上述問(wèn)題,不僅經(jīng)濟(jì),而且實(shí)施簡(jiǎn)單。因此,選擇犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)作為鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)形式。由于泥面淤積嚴(yán)重,鋼結(jié)構(gòu)在水中區(qū)的長(zhǎng)度很小,無(wú)法直接安裝犧牲陽(yáng)極,只能將犧牲陽(yáng)極安裝于海泥之中。天津港屬于典型的淤泥質(zhì)港口,灘面泥沙顆粒較細(xì),中值粒徑約在0.005mm,會(huì)發(fā)生絮凝作用,形成含水量高,密度低,具有高度蜂窩狀結(jié)構(gòu)的淤積物。這種結(jié)構(gòu)的淤泥具有較低的電阻率,為使用鋁基犧牲陽(yáng)極提供了一定條件。鑒于上述實(shí)際情況和Al-Zn-In-Si在海泥中的良好使用效果以及合理的成本(Mg基、Zn基犧牲陽(yáng)極成本較高),選擇Al-Zn-In-Si系合金作為本次更換工程使用的犧牲陽(yáng)極。為減少犧牲陽(yáng)極與海泥之間的電阻,并使?fàn)奚?yáng)極均勻溶解,還借鑒了在土壤中埋設(shè)鎂基犧牲陽(yáng)極時(shí)常用的方法,即在犧牲陽(yáng)極外包覆填包料。填包料由70%石膏粉、25%膨潤(rùn)土、5%硫酸鈉組成。用于海水中的犧牲陽(yáng)極一般直接焊接在鋼結(jié)構(gòu)上,未外包填包料。在被淤泥掩埋的情況下,陽(yáng)極金屬的反應(yīng)產(chǎn)物難以流動(dòng)和擴(kuò)散,而且會(huì)與淤泥結(jié)合緊密包裹在陽(yáng)極表面,阻斷剩余金屬與海水的繼續(xù)反應(yīng),導(dǎo)致陽(yáng)極失效。而本工程中使用的Al-Zn-In-Si系犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)則外包了填包料。一方面,填包料的存在有助于陽(yáng)極腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散和分散,阻止表面生成高電阻腐蝕產(chǎn)物沉積層,促進(jìn)陽(yáng)極材料的均勻溶解消耗,從而保證陽(yáng)極在淤泥環(huán)境中連續(xù)發(fā)揮作用,并推遲犧牲陽(yáng)極可能發(fā)生逆轉(zhuǎn)的時(shí)間;另一方面,外包填包料可以降低陽(yáng)極所處環(huán)境的電阻率,增大陽(yáng)極發(fā)生電流的有效面積,提高陽(yáng)極的使用效率。此外,隨著時(shí)間的推移,淤泥淤積程度將會(huì)加深,淤泥密實(shí)度也隨之增大,使得鋁基陽(yáng)極周圍環(huán)境發(fā)生變化,若犧牲陽(yáng)極的使用年限超過(guò)了其發(fā)生逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象所需的時(shí)間,可能會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極發(fā)生逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象而過(guò)早失效。因此,應(yīng)盡量避免犧牲陽(yáng)極使用年限過(guò)長(zhǎng)。本次更換設(shè)計(jì)采用較短的使用壽命(5a)。綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性和可實(shí)施性,選擇犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)作為陰極保護(hù)形式,采用設(shè)計(jì)使用年限較短的Al-Zn-In-Si系合金及外包填包料的實(shí)施措施是適宜的。2.3安裝民網(wǎng)絡(luò)2.2陽(yáng)極陽(yáng)極安裝時(shí),一般需采用9m3空氣壓縮機(jī)在安裝陽(yáng)極的位置吹出一個(gè)陽(yáng)極坑,陽(yáng)極坑的大小應(yīng)足以容納陽(yáng)極,并使陽(yáng)極上焊腳標(biāo)高處于-1m以下。然后將陽(yáng)極埋入陽(yáng)極坑,再采用水下焊接工藝固定安裝陽(yáng)極。陽(yáng)極布置應(yīng)盡量均勻,并利用原有的電連接系統(tǒng)使陽(yáng)極電流分布均勻,使鋼結(jié)構(gòu)各部分都得到應(yīng)有保護(hù)。2.4從陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)上看保護(hù)電位是評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)狀態(tài)和保護(hù)效果的重要參數(shù)。竣工檢測(cè)的結(jié)果顯示,鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)電位均負(fù)于-800mV,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,可見(jiàn)該犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)具有良好的保護(hù)效果。3優(yōu)化陰極保護(hù)系統(tǒng)由于天津港的回淤性特質(zhì),導(dǎo)致一些碼頭(尤其老碼頭)鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽(yáng)極被不同程度的掩埋。