王廷勇，尹萍，常娥，王金福，朱云龙，李贵年

　　( 青岛双瑞海洋环境工程有限公司，青岛，中国，266101)

　　作者简介

       王廷勇(1970-06-29)，男，山东青岛，硕士研究生，高级工程师，国家注册一级建造师，山东省暨青岛市腐蚀与防护学会理事，就职于青岛双瑞海洋环境工程有限公司，即中船重工七二五研究所青岛分部。长期从事金属腐蚀与防护及表面处理等领域的课题研究及工程项目管理工作。从事课题研究期间，曾承担过国防预研及基金课题，2005年课题成果曾获得国防科学技术奖二等奖，并获中国船舶重工集团公司科技进步二等奖，2011年所承担的课题曾获青岛市科学技术二等奖,并获中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖。过去十几年间，在各类期刊及会议上发表论文三十余篇，曾获得过中国腐蚀与防护学会优秀论文奖特等奖及青岛市第七届自然科学优秀学术论文二等奖。曾承担过上海长江大桥钢管桩外加电流阴极保护项目的管理工作，该项目是国家十一五重点交通项目暨上海市十一五重大工程建设项目，是目前国内港工设施领域技术最复杂投资最大的外加电流阴极保护系统，该系统于2009年11月正式投入使用，运行良好，对大桥起到了有效防腐作用。

　　摘要：上海长江大桥工程位于上海市东部，大桥全长16.55km，并设计有1200多根钢管桩。为了防止钢管桩的腐蚀，上海长江大桥钢管桩采取环氧粉末涂层和外加电流阴极保护联合防腐。我部承担的上海长江大桥钢管桩外加电流阴极保护工程，于2009年11月全部完工，并正式投入运行。现场测量表明，钢管桩电位都达到了要求的技术指标，取得良好的防腐效果。

　　关键词：外加电流，阴极保护，钢管桩，电位，腐蚀
 

1. 引言

　　上海长江大桥工程位于上海市东部，南起长兴岛，以桥梁形式跨长江北港水域，北至崇明岛陈家镇。大桥全长16.55km，长兴岛大堤至崇明岛大堤方向水域全长8.5km，水深16-18m。全桥设2个副通航孔和1个主通航孔，副通航孔深水区桥梁总长3.64km，布置在主通航孔两侧，主通航孔桥南侧副通航孔桥跨布置：23×70m+7×100m;主通航孔桥北侧副通航孔桥跨布置：7×100m+9×70m。70m跨等高度预应力砼连续梁和100m跨等高度钢—混凝土组合梁的下部结构基础均采用φ1.2m的钢管桩，桩长为76.2m～81.2m，材料为Q345c钢，共46个墩位，92座承台，配置1200根钢管桩。承台底标高为+1.5m，封底混凝土底标高为0.5m，要求设计基准期为100年。根据桥址水质条件及技术论证，上海长江大桥钢管桩采取环氧粉末涂层和外加电流阴极保护联合防腐。

　　2005年12月15日，受上海长江隧桥建设发展有限公司和江南重工股份有限公司委托，我部承担了上海长江大桥钢管桩外加电流阴极保护工程，并于2009年11月全部完工，正式投入运行。目前系统运行正常，钢管桩电位达到了指标要求，取得良好的防腐蚀效果。

2. 钢管桩外加电流阴极保护设计

　　2.1保护范围

　　根据桩位图，无论涨落潮，还是退平潮，钢管桩全部浸没在江水之中，设计方案保护范围为整根钢管桩,其中包括：a、混凝土承台段；b、江水段；c、泥中段。

　　2.2技术指标

　　2.2.1保护系统有效防腐蚀年限：t≥35年；

　　2.2.2 在有效防腐蚀年限内，被保护钢管桩的保护电位控制在最佳保护电位范围：-0.10V～+0.25V(相对锌参比电极)；

　　2.2.3 在有效防腐蚀年限内，钢管桩各区段无明显腐蚀，不产生蚀坑等集中腐蚀现象；

　　2.2.4 在有效防腐蚀年限内，提供的防腐蚀系统对所在海域水质无污染作用，对钢管桩的机械强度无任何负面影响。

　　2.3保护方案

　　外加电流阴极保护技术是通过外部的直流电源向被保护金属构筑物通以阴极电流，对被保护金属构筑物进行阴极极化来实现防腐蚀的一种方法。本工程外加电流阴极保护系统主要由直流电源、辅助阳极、参比电极、线路电缆及电位监测系统等组成。

　　2.3.1 直流电源

　　根据长江大桥结构特点，本方案将每座承台作为一个阴极保护单元，全工程有92座承台，每座承台设置一台开关式恒电位仪，开关式恒电位仪分别安装在每座承台顶部的箱梁腔体内侧壁上。

　　2.3.2 组合式辅助阳极体

　　2.3.2.1 辅助阳极

　　在外加电流阴极保护系统中，辅助阳极是其中关键的组成部分，电源设备提供的阴极保护电流需要通过辅助阳极经介质传递到被保护的钢管桩表面，辅助阳极的性能好坏，将直接影响阴极保护系统的可靠性和防腐蚀效果。设计采用管状钛基混合金属氧化物阳极[J]，该类型阳极在海水中具有优异的电化学性能，适宜于做不溶性的阳极材料。

　　2.3.2.2辅助阳极组合体

　　为了便于水下安装与布线，确保防腐蚀效果达到设计要求，方案将两支混合金属氧化物辅助阳极安装在一根槽钢上，组装成辅助阳极组合体;另外，测量与控制用的锌合金参比电极安装在组合体上两支混合金属氧化物阳极中间，组装成参比电极辅助阳极组合体。

　　2.3.2.3组合体安装

　　根据每根钢管桩达到有效保护电位所需要的阴极保护电流量，并充分考虑到 钢管桩工作水域水质情况，以及涂层种类及其厚度，方案选用水下湿法焊接工艺，将配装两支辅助阳极的组合体焊装在钢管桩上。为了确保阴极保护电位分布均匀，达到预期的防腐蚀效果，每根钢管桩上均焊装一套组合体。

　　2.3.3 参比电极

　　为了监测被保护结构物的保护电位和向恒电位仪提供控制与测量信号，每座承台的阴极保护系统配置两支锌参比电极。其化学成分见表1。

　　表 1锌参比电极化学成分

#p#副标题#e#　　2.3.4 阴极保护系统电缆

　　图(1) 阴极保护监测系统
 

3.钢管桩保护效果检测及数据分析

　　3.1电位测量

　　工程于2009年10月28日完工，通过高内阻数字万用表和便携式铜-饱和硫酸铜参比电极，由潜水员在水下对钢管桩保护电位分布进行了测量。

　　3.1.1自然电位测量

　　为了准确评定钢管桩外加电流阴极保护效果，在阴极保护系统正式通电之前，首先进行了钢管桩自然电位的测量，测量结果列入表2。

　　从表中数据可以看出，钢管桩自然电位为-0.600～-0.650V 。由于钢管桩顶部(1～2测量点)受钢质模板和钢—混凝土结构的影响，自然电位偏正，约为-0.450～-0.600V;钢管桩泥面处可能受硫酸盐还原菌的影响，或者受氧浓差电池的影响，自然电位偏负，约为-0.700～-0.740V。

　　3.1.2保护电位测量

　　钢管桩保护电位分布测量结果列入表 3。

　　从表中的数据可以看出，除接近承台钢质模底板1.0m范围内，钢管桩保护电位正于-0.85V以外，其余钢管桩各段保护电位均负于-0.85V，且分布均匀，保护电位峰值最负为-1.300 V，达到了良好的保护状态。由于钢质模板未拆除，而且未与钢管桩进行电性绝缘，使得上层辅助阳极输出保护电流大部份流入钢质模板，钢管桩顶部近1.0m段内得不到足够的保护电流，造成保护电位正于-0.85V，尽管如此，该段保护电位较自然电位负移200mV以上，根据GB/T17005-1997«滨海设施外加电流阴极保护系统» 的技术规定，该段保护电位虽正于-0.85V，但也得到了有效保护，电位测量见图(2)。
 

　　
图2 保护电位分布图

注：●图中(1)为PM36A墩6号桩保护电位分布；

　　●图中(2)为PM36A墩9号桩保护电位分布；

　　●图中(3)为PM36A墩6号桩自然电位分布；

　　●图中(4)为钢管桩最小保护电位：-0.85V(C.S.E)；

　　●图中横座标“0”为钢管桩与承台底交界点；

　　●图中“水深”为承台底至泥面水深度。#p#副标题#e#

　　3.2 钢管桩电位遥测系统

　　恒电位仪设备正式通电运行之后，对钢管桩电位遥测系统中的前端采集器和数据中转设备工作状态反复调试与检测，结果如下：

　　(1)遥测系统工作状态

　　经多方面调试与检测，来自系统中的PM44A、PM44B、PM65、APM65B四个地址和6个端口的数据可以全部准确而清晰地进入中控室;

　　(2)遥测系统精确度检测

　　通过笔记本电脑下载采集器和数据中转设备中的相关数据，并进行对比，其中数据与恒电位仪设备指示值、实测值，以及与实测辅助阳极发生电流值基本一致，在全工程736测量的电位数据中，有723个电位数据的误差小于5%，只有13个电位数据的误差为5～7.4%，这主要是实测时与检测设备收到数据的时间不同步所致，但整个遥测系统已满足了设计技术要求。

4.结论

　　根据长期通电及调试结果，上海长江大桥钢管桩外加电流阴极保护系统运行正常，对钢管桩起到了防腐作用。经全面检测与分析，并得出如下结论：

　　(1)系统开关式恒电位仪运行正常，稳定性尚佳，恒控值与实测值基本吻合一致；

　　(2)恒电位仪设定电位为+0.15 V(相对铜—饱和硫酸铜参比电极)时，钢管桩保护电位除靠近承台底部1米范围内，因受钢质模板和混凝土结构影响，保护电位正于-0.85 V之外，余下钢管桩各段保护电位均负于-0.85 V。参照相关技术规定，钢管桩整体达到了有效保护；

　　(3)实测结果表明钢管桩保护电位分布基本均匀，只是在阳极附近，电位峰值最负为-1.30 V；

　　(4)遥测系统共监测736个数据，其中723个数据的精确度为0～5%，13个数据的精确度为5～7.4%，满足了设计技术要求；

　　(5)中控室可以准确接受到来自全工程4个地址和6个端口的阴极保护参数，可以对保护参数进行有效的监控。

References(参考文献)

　　[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，许立坤，陈光章. 钛基混合金属氧化物阳极在外加电流阴极保护中的应用[J]. 金属学报， 2002, 38(9):620-622.

表 2.钢管桩自然电位

表 3钢管桩保护电位分布测量值

       说明：1.表中“1”为钢管桩顶端与承台交接点位; 2.表中“3”为上支辅助阳极点位;

　　3.表中“5”为锌合金参比电极点位; 4.表中“7”为下支辅助阳极点位;

　　5.表中“9”为钢管桩泥面点位;

　　6.表中控制电位为将相对锌合金参比电极电位核准成相对铜-饱和硫酸铜参比电极电位。