丹东港通用1号~3号泊位工程钢管桩牺牲阳极阴极保护

秦铁男，马化雄，陈韬，杨太年，唐聪

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概况

丹东港大东港区通用1号~3号泊位位于东沟一号港池内，与鸭绿江入海口相邻，采用“栈桥式”布置，全长785 m，宽50 m，共有4座引桥。码头近期设计为5万吨级，前沿水深为-13.6 m，远期设计为10万吨级，前沿挖泥至-15.5 m。所处海域极端高水位8.40 m，极端低水位-1.20 m，设计高水位6.66 m，设计低水位0.49 m。

码头由1 064根φ1 200 mm的钢管桩支撑，四座引桥由70根φ1 000 mm的钢管桩支撑。钢管桩采用Q345B型钢材，防腐设计采用牺牲阳极阴极保护加防腐涂层联合保护的方案，保护年限为30 a。钢桩桩顶以下8 m范围采用环氧重防腐涂料进行保护。由于通用泊位紧邻鸭绿江入海口，海水盐度、pH值略低于正常海水，雨季海水电导率约为35Ω·m，具有一定的淡海水特征，腐蚀条件较为复杂。

2 钢管桩阴极保护设计

2.1 保护电流密度

本工程根据规范GJB 156A—2008《港工设施牺牲阳极保护设计和安装》[1]中规定的码头钢桩在不同腐蚀区域的保护电流密度要求选取保护电流密度，如表1所示。

根据丹东港大东港区通用泊位的所处环境条件及作业状况，选定潮差区钢管桩的保护电流密度为25 mA/m2，海水全浸区的涂料段的钢管桩保护电流密度为25 mA/m2，海水全浸区的钢管桩裸露段的保护电流密度为100 mA/m2，海泥区钢管桩的保护电流密度为20 mA/m2。

表1 港工设施保护电流密度范围Table 1 Protection current density range of port facilities

2.2 保护电位

本阴极保护工程设计的保护电位根据国家军用标准[1]确定，如表2所示，参比电极技术条件参照GB/T 7387的规定。

表2 牺牲阳极阴极保护的保护电位范围Table 2 Protective potential range of the cathodic protection with sacrificial anode

2.3 保护面积和保护电流

根据码头设计图纸及相关资料，对码头钢管桩潮差区和海水涂层区、海水裸露区和海泥埋没区保护面积进行详细计算。计算所得钢管桩保护面积如表3所示。

表3 丹东港大东港区东沟一港池通用泊位钢管桩保护面积Table 3 Steel pile protection area of the universal berths of No.1 Donggou basin of Dadong port area in Dandong Port

由选取的保护电流密度以及计算出的保护面积，算出码头及各引桥不同腐蚀区域所需的保护电流，如表4所示。

2.4 牺牲阳极的材料、规格、用量与布置

考虑到丹东港大东港区东沟一港池通用泊位钢管桩牺牲阳极阴极保护工程阳极用量大、保护寿命长的特点，为了减少阳极用量和水下焊接安装工程量，节约工程造价，本工程设计选用电容量大、电流效率高的Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极作为防腐牺牲阳极材料。

表4 丹东港大东港区东沟一港池通用泊位钢管桩保护电流Table 4 Steel pile protective current of the universal berths of No.1 Donggou basin of Dadong port area in Dandong Port

牺牲阳极的规格尺寸决定了牺牲阳极接水电阻和发生电流的大小，而阳极的发生电流又决定了阳极的用量和有效使用寿命。因此，选择合适的牺牲阳极尺寸和形状，不仅能够合理设计阳极用量，还能够有效地延长保护年限。在实际设计计算过程中，应根据工程保护年限的要求，以最经济合理的用量为标准，确定牺牲阳极的形状和尺寸。

根据丹东港通用泊位码头及引桥钢管桩所需的保护电流和30 a的牺牲阳极设计使用寿命，通过设计计算确定码头与引桥所用相同规格的牺牲阳极，尺寸为 1 000 mm×（240+200）mm×220 mm，净重为129.3 kg/块，毛重为141 kg/块。其中，码头理论需要该规格牺牲阳极2 026块，引桥理论需要74块。但为了满足钢管桩所需保护电流，使牺牲阳极发生电流和保护电位分布均匀，综合考虑水流流速、泥面标高及海泥回淤等因素，对码头承台前沿每根钢管桩增加一块阳极（共102块），码头承台共计2 128块；每个引桥增加一块阳极（共4块），引桥共计74块；备用1块，阳极总用量为2 203块。

按照实际牺牲阳极的使用量，经核算，码头承台及各引桥钢管桩阴极保护体系的保护年限均大于30 a，满足设计要求。

在实际安装过程中，阳极应尽量均匀布置，使钢桩的保护电流分布均匀，从而使其得到应有的保护。按照电流分布的需要和控制腐蚀峰值，阳极安装时，应满足牺牲阳极的安装顶高程与设计低水位的距离不小于1.2 m，牺牲阳极的安装底高程与泥面的距离不小于1.0 m。

2.5 牺牲阳极编号

由于牺牲阳极的水下焊接属于典型的隐蔽工程，阳极焊接数量及焊接质量的检验是整个阴极保护系统施工质量的关键环节，也是业主及监理单位关注的重点。为了对牺牲阳极的水下焊接质量及焊接数量进行有效控制，本工程采用牺牲阳极编号和水下录像检测相结合的质量控制方法。设计要求牺牲阳极在出厂前，需对其进行编号，编号规则应具有唯一性，阳极编号自身应不可更改、不可替换，而且在阳极水下焊接后阳极编号应具有一定的耐久性，保证其在施工竣工验收前清晰可见。阳极安装施工期，施工单位应逐一记录桩号及其阳极编号，该编号记录应作为竣工验收中水下录像抽检的主要依据而交由监理单位保存。

3 钢管桩阴极保护施工

3.1 钢管桩的电连接

考虑到钢管桩码头及引桥的结构特征，潮差区、海水全浸区和海泥区所需保护电流各不相同，以及引桥部分钢管桩由于泥面过高而无法合理安装牺牲阳极等诸多因素，所导致的钢管桩之间的电位分布不均匀。要求在钢管桩桩帽浇筑前和码头面层浇筑过程中，将码头所有钢管桩进行电连接，以形成一个阴极保护的整体，消除电位不均匀分布所导致的不良影响。电连接采用钢筋搭接电焊的方式实现，搭接长度大于100 mm，确保系统整体具有良好的通电连续性，连接电阻不应大于 0.01 Ω[2]。

在码头建设完工后，对那些临时与钢管桩相连的金属结构应及时拆除，不能拆除的应事先作好绝缘措施，否则这些结构将吸收阴极保护电流，影响钢管桩的保护效果。另外，在建设过程中，电焊时应注意避免产生杂散电流对钢管桩和牺牲阳极的加快腐蚀作用。

3.2 牺牲阳极的安装及质量控制

牺牲阳极的安装采用水下湿法焊接工艺。每块阳极2个焊脚、4条焊缝要求全部满焊，要求每条焊缝有效长度大于80 mm，焊缝高度大于5 mm，焊缝基本连续，宽度均匀，平整，无虚焊，焊接牢固可靠。在每批次阳极的安装过程和全部阳极焊接完毕后，分别对阳极焊接质量进行水下录像检查，抽检的数量为阳极总量的5%~10%。水下录像抽检结果还应清晰反映出钢桩所焊接牺牲阳极的编号，且该结果应符合施工期记录的桩号与阳极编号的对应关系。

4 钢管桩保护电位检测

保护电位是评价阴极保护效果以及钢管桩被保护状态的重要参数[3]。在阴极保护施工结束后，应对码头被保护钢结构进行全面的保护电位检测。保护电位检测方法及仪器要求参照规范JTS153-3—2007。该工程牺牲阳极施工完毕后，按规范要求的抽检数量对钢管桩保护电位进行了检测，检测结果表明，码头及引桥各个结构的阴极保护电位均满足规范要求。

5 结语

本工程在丹东港集团的支持和配合下，全部的牺牲阳极水下焊接工作圆满完成，所有抽检项目达到规范和设计的要求，整个阴极保护系统运行正常，码头钢管桩得到了有效保护。

值得一提的是本工程采用对牺牲阳极块编号和水下录像检测相结合的质量控制方法，且牺牲阳极编号具有唯一性、不可更改性以及良好的耐久性，得到了业主及监理单位的一致好评。一直以来，一方面由于潜水队伍施工水平和整体素质的参差不齐以及施工单位对于质量控制的要求不高、责任不强等诸多原因，牺牲阳极水下焊接的质量控制一直因缺少有效方法而沦于形式；另一方面由于阳极形状完全相同，阳极的焊接位置又位于水下，以往单一地采用水下录像检测的方法难以证明被检牺牲阳极的唯一性，也无法证明所安装的阳极与钢桩唯一的对应关系，因此，所得检测结果往往令设计和监理方存有疑虑。对牺牲阳极进行唯一性编号的质量控制方法可有效解决上述问题，加强隐蔽工程质量管理，可供同类工程借鉴参考。

[1]GJB 156A—2008，港工设施牺牲阳极保护设计和安装[S].GJB 156A—2008，Design and installation of sacrificial anode systemfor engineeringstructuresin harbor[S].

[2]JTS153-3—2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].JTS 153-3—2007，Technical specification for corrosion protection of steel structuresfor seaport construction[S].

[3] 李云飞，唐聪，陈韬.钢管桩阴极保护与Denso防腐蚀技术联合保护[J].中国港湾建设，2011（2）：8-9.LI Yun-fei，TANG Cong，CHEN Tao.Combination of cathodic protection with Denso anti-corrosion technique for steel pipe piles[J].China Harbour Engineering，2011（2）：8-9.

[4] 侯保荣，杨小刚，贾淑香.海洋浪溅区钢结构腐蚀与复层包覆防护实践[J].中国港湾建设，2012（2）：1-3.HOU Bao-rong，YANG Xiao-gang，JIA Shu-xiang.Practice of corrosion protection and multi-layer covering technology for steel structure in splash zone[J].China Harbour Engineering，2012（2）：1-3.