王廷勇，尹萍，常娥，王金福，朱云龍，李貴年

　　( 青島雙瑞海洋環境工程有限公司，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學會理事，就職于青島雙瑞海洋環境工程有限公司，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及表面處理等領域的課題研究及工程項目管理工作。從事課題研究期間，曾承擔過國防預研及基金課題，2005年課題成果曾獲得國防科學技術獎二等獎，并獲中國船舶重工集團公司科技進步二等獎，2011年所承擔的課題曾獲青島市科學技術二等獎,并獲中國腐蝕與防護學會科技進步一等獎。過去十幾年間，在各類期刊及會議上發表論文三十余篇，曾獲得過中國腐蝕與防護學會優秀論文獎特等獎及青島市第七屆自然科學優秀學術論文二等獎。曾承擔過上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護項目的管理工作，該項目是國家十一五重點交通項目暨上海市十一五重大工程建設項目，是目前國內港工設施領域技術最復雜投資最大的外加電流陰極保護系統，該系統于2009年11月正式投入使用，運行良好，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，并設計有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氧粉末涂層和外加電流陰極保護聯合防腐。我部承擔的上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護工程，于2009年11月全部完工，并正式投入運行?，F場測量表明，鋼管樁電位都達到了要求的技術指標，取得良好的防腐效果。

　　關鍵詞：外加電流，陰極保護，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。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2個副通航孔和1個主通航孔，副通航孔深水區橋梁總長3.64km，布置在主通航孔兩側，主通航孔橋南側副通航孔橋跨布置：23×70m+7×100m;主通航孔橋北側副通航孔橋跨布置：7×100m+9×70m。70m跨等高度預應力砼連續梁和100m跨等高度鋼—混凝土組合梁的下部結構基礎均采用φ1.2m的鋼管樁，樁長為76.2m～81.2m，材料為Q345c鋼，共46個墩位，92座承臺，配置1200根鋼管樁。承臺底標高為+1.5m，封底混凝土底標高為0.5m，要求設計基準期為100年。根據橋址水質條件及技術論證，上海長江大橋鋼管樁采取環氧粉末涂層和外加電流陰極保護聯合防腐。

　　2005年12月15日，受上海長江隧橋建設發展有限公司和江南重工股份有限公司委托，我部承擔了上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護工程，并于2009年11月全部完工，正式投入運行。目前系統運行正常，鋼管樁電位達到了指標要求，取得良好的防腐蝕效果。

2. 鋼管樁外加電流陰極保護設計

　　2.1保護范圍

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

　　2.2技術指標

　　2.2.1保護系統有效防腐蝕年限：t≥35年；

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

　　2.2.3 在有效防腐蝕年限內，鋼管樁各區段無明顯腐蝕，不產生蝕坑等集中腐蝕現象；

　　2.2.4 在有效防腐蝕年限內，提供的防腐蝕系統對所在海域水質無污染作用，對鋼管樁的機械強度無任何負面影響。

　　2.3保護方案

　　外加電流陰極保護技術是通過外部的直流電源向被保護金屬構筑物通以陰極電流，對被保護金屬構筑物進行陰極極化來實現防腐蝕的一種方法。本工程外加電流陰極保護系統主要由直流電源、輔助陽極、參比電極、線路電纜及電位監測系統等組成。

　　2.3.1 直流電源

　　根據長江大橋結構特點，本方案將每座承臺作為一個陰極保護單元，全工程有92座承臺，每座承臺設置一臺開關式恒電位儀，開關式恒電位儀分別安裝在每座承臺頂部的箱梁腔體內側壁上。

　　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系統中，輔助陽極是其中關鍵的組成部分，電源設備提供的陰極保護電流需要通過輔助陽極經介質傳遞到被保護的鋼管樁表面，輔助陽極的性能好壞，將直接影響陰極保護系統的可靠性和防腐蝕效果。設計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異的電化學性能，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，確保防腐蝕效果達到設計要求，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

　　根據每根鋼管樁達到有效保護電位所需要的陰極保護電流量，并充分考慮到 鋼管樁工作水域水質情況，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。為了確保陰極保護電位分布均勻，達到預期的防腐蝕效果，每根鋼管樁上均焊裝一套組合體。

　　2.3.3 參比電極

　　為了監測被保護結構物的保護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系統配置兩支鋅參比電極。其化學成分見表1。

　　表 1鋅參比電極化學成分

#p#副標題#e#　　2.3.4 陰極保護系統電纜

　　圖(1) 陰極保護監測系統
 

3.鋼管樁保護效果檢測及數據分析

　　3.1電位測量

　　工程于2009年10月28日完工，通過高內阻數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電位分布進行了測量。

　　3.1.1自然電位測量

　　為了準確評定鋼管樁外加電流陰極保護效果，在陰極保護系統正式通電之前，首先進行了鋼管樁自然電位的測量，測量結果列入表2。

　　從表中數據可以看出，鋼管樁自然電位為-0.600～-0.650V 。由于鋼管樁頂部(1～2測量點)受鋼質模板和鋼—混凝土結構的影響，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，約為-0.700～-0.740V。

　　3.1.2保護電位測量

　　鋼管樁保護電位分布測量結果列入表 3。

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

　　
圖2 保護電位分布圖

注：●圖中(1)為PM36A墩6號樁保護電位分布；

　　●圖中(2)為PM36A墩9號樁保護電位分布；

　　●圖中(3)為PM36A墩6號樁自然電位分布；

　　●圖中(4)為鋼管樁最小保護電位：-0.85V(C.S.E)；

　　●圖中橫座標“0”為鋼管樁與承臺底交界點；

　　●圖中“水深”為承臺底至泥面水深度。#p#副標題#e#

　　3.2 鋼管樁電位遙測系統

　　恒電位儀設備正式通電運行之后，對鋼管樁電位遙測系統中的前端采集器和數據中轉設備工作狀態反復調試與檢測，結果如下：

　　(1)遙測系統工作狀態

　　經多方面調試與檢測，來自系統中的PM44A、PM44B、PM65、APM65B四個地址和6個端口的數據可以全部準確而清晰地進入中控室;

　　(2)遙測系統精確度檢測

　　通過筆記本電腦下載采集器和數據中轉設備中的相關數據，并進行對比，其中數據與恒電位儀設備指示值、實測值，以及與實測輔助陽極發生電流值基本一致，在全工程736測量的電位數據中，有723個電位數據的誤差小于5%，只有13個電位數據的誤差為5～7.4%，這主要是實測時與檢測設備收到數據的時間不同步所致，但整個遙測系統已滿足了設計技術要求。

4.結論

　　根據長期通電及調試結果，上海長江大橋鋼管樁外加電流陰極保護系統運行正常，對鋼管樁起到了防腐作用。經全面檢測與分析，并得出如下結論：

　　(1)系統開關式恒電位儀運行正常，穩定性尚佳，恒控值與實測值基本吻合一致；

　　(2)恒電位儀設定電位為+0.15 V(相對銅—飽和硫酸銅參比電極)時，鋼管樁保護電位除靠近承臺底部1米范圍內，因受鋼質模板和混凝土結構影響，保護電位正于-0.85 V之外，余下鋼管樁各段保護電位均負于-0.85 V。參照相關技術規定，鋼管樁整體達到了有效保護；

　　(3)實測結果表明鋼管樁保護電位分布基本均勻，只是在陽極附近，電位峰值最負為-1.30 V；

　　(4)遙測系統共監測736個數據，其中723個數據的精確度為0～5%，13個數據的精確度為5～7.4%，滿足了設計技術要求；

　　(5)中控室可以準確接受到來自全工程4個地址和6個端口的陰極保護參數，可以對保護參數進行有效的監控。

References(參考文獻)

　　[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中的應用[J]. 金屬學報， 2002, 38(9):620-622.

表 2.鋼管樁自然電位

表 3鋼管樁保護電位分布測量值

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

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

　　5.表中“9”為鋼管樁泥面點位;

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