所属栏目：冶金论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:325
摘要：本文通过对某海港码头钢管桩牺牲阳极阴极保护的设计，介绍了阴极保护技术设计参数选取、阳极设计及设计校核等内容。
关键词：钢管桩，牺牲阳极阴极保护，设计
到目前为止，阴极保护技术已经成为一项成熟的电化学保护技术，得到国内外腐蚀界的认可，它可以有效地防止金属在电解质中引起的各种腐蚀行为，并长期有效。
对于长期浸泡在海洋环境中的钢结构防腐而言，国内外主要采用阴极保护或涂层加阴极保护联合措施。而阴极保护技术可分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种，其中牺牲阳极阴极保护具有保护效果好、全寿命成本低以及维修更换方便等特点，因此经常在海工码头钢管桩、海上输油平台、海底管线等重大工程中得到广泛的应用。
1、工程概况
某电厂码头由平台及栈桥组成，均系高桩梁板式结构。码头平台长度256m，宽度28m，排架间距10m，每榀排架布置4根直桩、2对叉桩，直桩为Φ1200mmPHC管桩，叉桩为Φ1200mm钢管桩。其中，钢管桩材质为Q345，斜度为3.5:1，桩尖标高约为-48.5m，平均桩长约54m左右。码头平台平面布置及断面图见图1、图2。
栈桥总长度3405m，桥面总宽12.5m，栈桥分为浅水区段和深水区段两部分。浅水区段长度1200m，排架间距30m;深水区段长度2205m，排架间距25m，上部结构均采用预应力混凝土箱梁，为先简支后连续的结构型式。栈桥基桩采用不同桩型与桩径的灌注桩、PHC桩及钢管桩，接岸段为Φ1500mm钻孔灌注桩，91～129号排架的134根斜桩为Φ1000mm钢管桩，其余为Φ800、Φ1000、Φ1200PHC管桩。其中，钢管桩材质为Q345，斜率为3.5：1，桩尖标高约为-39.5m，平均桩长约40m左右。
依据环境检测报告，港区环境类别为II类，港区附近海水为盐水，海水盐度在2.7%左右，海水电阻率约为30Ω•cm。
为有效防止海水对钢管桩的腐蚀，工程设计单位对码头钢管桩采取预留腐蚀厚度、外包防腐涂层和牺牲阳极阴极保护的联合防腐蚀措施。其中，钢管桩涂层保护范围为：桩帽底至泥面下6m;涂料类型为无溶剂环氧涂层，总干膜厚度约800μm。
2、设计内容
本设计是针对该码头平台、系缆墩及集水井钢管桩的牺牲阳极阴极保护设计。具体工程量及相关参数见表1。
表1工程量及相关参数
部位 桩径/mm 桩长/m 桩顶标高/m 斜率 泥面标高/m 桩数/根
码头平台 Ф1200 47~58.5 +3.34~+7.64 3.5：1 -12.07 156
系缆墩 Ф1200 58.5 +8.23 3.5：1 -12.07 10
集水井 Ф1000 59.5 +9.03 3.5：1 -12.07 6
合计 / / / / / 172
3、设计要求
针对钢管桩牺牲阳极阴极保护，设计院提出了具体的牺牲阳极阴极保护设计技术要求：
(1)保护范围为设计高潮位至桩尖的钢管桩外表面。
(2)钢管桩阴极保护电位为-0.77V～-1.05V(相对于Ag/AgCl海水参比电极)。
(3)牺牲阳极阴极保#p#副标题#e#护系统的设计使用寿命为30年。
4牺牲阳极阴极保护设计
4.1设计参数选取
阴极保护电流密度的选取与钢管桩材质、表面状况、涂料的种类和厚度、老化情况及其在保护期内的破损率有关;还受工作海域的海水电导率、流速、溶解氧含量、温度、海生物生长、泥沙含量等环境因素影响。因此在阴极保护电流密度的选取时，必须结合相关规范，并综合考虑以上因素来确定。
4.1.1涂层破损率
按照DNVRPB401所规定的保护电流密度与涂层破损率之间的相互关系，针对该工程小于1mm的环氧涂层，并考虑到涂层质量和施工状况，本工程钢管桩表面涂层破损率取值为：
初期2%;
平均25%;
末期60%。
4.1.2保护电流密度
根据码头附近水质资料情况，参照有关标准和相关码头钢管桩阴极保护的工程经验，本工程钢桩保护电流密度选取如下：潮差区：20(mA/m2);
水中区：38(mA/m2);
海泥区：8(mA/m2)。
4.2保护面积与保护电流计算
码头平台以每结构段的所有钢桩作为一个被保护单元进行独立设计计算;系缆墩和集水井单独设计计算。
4.2.1保护面积
钢管桩保护面积包括潮差区、水中区和海泥区三部分，其中海泥区分为泥面至泥面以下6m与6m以下至桩尖两部分。每个独立单元的计算结果见表2。
表2每个独立单元钢管桩保护面积计算结果(单位：m2)
部位 直径/mm 数量/根 潮差区 海水区 泥下区 小计
平台 I结构段 Ф1200 58 1155.09 2872.63 6833.16 12224.47
II结构段 48 936.39 2376.16 5191.60 9632.08
III结构段 50 951.70 2475.28 5082.60 9684.56
系缆墩 Ф1200 10 204.27 495.58 1174.24 2109.34
集水井
Tr1 Ф1000 6 102.14 247.79 590.28 1057.84
4.2.2保护电流
根据选取的保护电流密度以及钢桩的保护面积，计算钢管桩不同时期的保护电流，结果见表3。
4.3阳极材料
设计选用铝-锌-铟-镁-钛高效铝合金牺牲阳极，具体化学成分和电化学性能见表4与表5。
4.4阳极重量及规格
根据钢管桩所需的平均保护电流和30年使用寿命，按下式计算所需阳极重量：
(1)
W’=W/K(2)
式中：：钢桩的平均保护电流(A);
：保护系统的设计使用年限;
：阳极的实际电容量;
：所需阳极的净重量(kg);
’：单只阳极的净重量(kg);
K：单桩阳极设计数量，K=2只。
经计算，每个独立单元所需阳极重量见表6。
阳极规格、尺寸和重量分别为：
I型：1200×(170+200)×180(单位：mm);净重：105kg。
5、设计校核
5.1阳极重#p#副标题#e#量校核
依据设计阳极重量及数量，计算设计理论阳极重量，见表7。
由表7可见，理论计算阳极重量大于实际需要阳极重量，满足30年的保护寿命。
表3保护电流计算结果 (单位：A)
部位 码头平台 系缆墩 集水井
I结构段 II结构段 III结构段
独立单元保护电流/A 初期 109.81 83.90 82.50 18.88 9.49
平均 100.52 79.34 79.90 17.34 8.69
末期 190.37 152.55 155.27 32.88 16.47
表4高效铝合金阳极化学成份
化学元素 Zn In Mg Ti Si Fe Cu Al
成份含量(%) 4.0～7.0 0.02～0.05 0.50～1.50 0.01～0.08 ≤0.10 ≤0.15 ≤0.01 余量
表5高效铝合金阳极电化学性能
开路电位
/(Vvs.SCE) 工作电位
/(Vvs.SCE) 实际电容量/(A.h/kg) 电流效率/% 消耗率
(kg./A.a) 溶解状况
-1.18～-1.10 -1.12～-1.05 ≥2600 ≥90 3.37 产物脱落,表面溶解均匀
表6阳极重量计算结果 (单位：kg)
部位 码头平台 系缆墩 集水井
I结构段 II结构段 III结构段
独立单元阳极重量 10160.25 8019.44 8076.05 1752.67 878.36
单桩阳极重量 175.18 167.08 161.52 175.23 146.45
表7阳极重量校核结果(单位：kg)
部位 码头平台 系缆墩 集水井
I结构段 II结构段 III结构段
独立单元
阳极重量 实际需要 1016#p#副标题#e#0.25 8019.44 8076.05 1752.67 878.36
理论计算 12180 10080 10500 2100 1260
5.2阳极电流校核
按照下式计算牺牲阳极的发射电流。
=(3)
(4)
其中，：牺牲阳极发射电流(A);
V：驱动电压(V);
R：回路电阻(Ω);
：牺牲阳极的接水电阻(Ω);
：海水电阻率(Ω.cm);
L：牺牲阳极长度(cm);
：牺牲阳极等效半径(cm)。
经计算得，单只阳极初期发射电流和末期发射电流分别为：
=2.3461(A);=1.7468(A)。
依据阳极设计数量，计算设计理论阳极发射电流，见表8。
表8独立单元电流校核结果 (单位：A)
部位 实际需要保护电流 理论计算保护电流
初期 末期 初期 末期
平台 I结构段 109.81 190.37 272.15 202.63
II结构段 83.90 152.55 225.23 167.69
III结构段 82.50 155.27 234.61 174.68
系缆墩 18.88 32.88 46.92 34.94
集水井 9.49 16.47 28.15 20.96
由表8可见，当每根钢管桩安装2只上述设计规格的阳极时，阳极初期发射电流和末期发射电流均满足同期钢管桩所需要的保护电流。
5.3阳极寿命校核
阳极寿命校核公式为：
(5)
其中，：阳极寿命(a);
：每部分构件安装的所有阳极的净质量(kg);
：阳极利用系数;
：阳极消耗率(kg);
：设计使用寿命内每部分构件的平均保护电流(A)。
依据设计阳极的净重量及阳极的发射电流，计算不同独立单元阳极的使用寿命，结果见表9。
表9阳极寿命校核结果 (单位：a)
部位 码头平台 系缆墩 集水井
I结构段 II结构段 III结构段
阳极寿命/a 30.82 32.31 33.42 30.81 36.86
由表9可见，每根钢管桩安装2只上述阳极时，使用寿命均大于30年。
6、结语
1、依据设计要求、有关规范与标准，通过各区段保护面积、保护电流的计算，设计出适用于该工程的阳极，并经阳极重量、发射电流、阳极寿命三方面的校核，说明该设计符合规范规定，能满足设计要求。
2、阴极保护设计参数的选取应充分考虑涂层类别、厚度、施工质量、破损#p#副标题#e#率及环境条件等多种因素。
3、在阴极保护设计时，应充分考虑现场的实际情况，合理地选取设计独立单元。
参考文献：
[1]NACEStandardRP0176-2003“CorrosionControlofSteelFixedOffshoreStructuresAssociatedwithPetroleumProduction”
[2]DNV-RPB401“CATHODICPROTECTIONDESIGN”。
[3]“海港工程钢结构防腐蚀技术规定”JTJ230-89
[4]“铝-锌-铟系合金牺牲阳极”GB4948-2002