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巴布亚新几内亚工程钢管桩阴极保护设计

巴布亚新几内亚瑞木镍钴项目码头工程
钢管桩阴极保护
设计说明
中交第三航务工程勘察设计院有限公司
中国·上海
2007年10月
审 定： 陈洪均
审 核：
校 审：
编 写：
朱忠余 靳如刚 张 弈
目 录
1. 工程概况 ................................................................................... 1
2. 设计内容、设计要求及设计依据 ............................................... 1
2.1 设计内容............................................................................................. 1
2.2 设计要求............................................................................................. 1
2.3 设计依据. 2
3. 设计条件 ................................................................................... 2
3.1 自然条件............................................................................................. 2
3.2 设计高程............................................................................................. 2
4. 牺牲阳极阴极保护系统设计 ...................................................... 3
4.1 保护电流密度取值 ............................................................................ 3
4.2 保护面积计算 .................................................................................... 3
4.3 保护电流量计算 ................................................................................ 3
4.4 阳极材质选用 .................................................................................... 4
4.5 阳极块规格 ........................................................................................ 5
4.6 阳极的实际数量、质量及布置 ........................................................ 7
4.7 电连接设计 ........................................................................................ 8
5. 牺牲阳极的安装和检测要求 ...................................................... 8
5.1 安装 ..................................................................................................... 8
5.2 检测 ..................................................................................................... 9
6. 施工注意事项 .......................................................................... 10
7. 使用期的维护与管理 ............................................................... 11
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巴布亚新几内亚瑞木镍钴项目码头工程钢管桩阴极保护设计说明
1. 工程概况
巴布亚新几内亚瑞木镍钴项目码头工程位于大洋洲巴布亚新几内亚的马当省，拟建于距省会马当市东南55km的Basamuk内凹形海湾西侧的天然深水区。
本工程各码头部分采用的钢管桩规格、数量参见下表所示：
表1 码头各部分钢管桩规格数量表
为确保设计使用年限（25年）对钢管桩采用：涂料+牺牲阳极阴极保护（本设计不包括涂料设计）。
2. 设计内容、设计要求及设计依据
2.1 设计内容
处于水下区和泥下区的钢管桩外表面的牺牲阳极阴极保护的设计、安装、检测、使用维护管理及施工要求。 2.2 设计要求
（1）牺牲阳极阴极保护系统设计使用年限为25年； （2）水位变动区采用：重防腐涂层＋牺牲阳极阴极保护 水下区采用：重防腐涂层＋牺牲阳极阴极保护 泥下区采用：牺牲阳极阴极保护
（3）钢管桩保护电位须达到交通部《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》JTJ230-89的要求（即-1.05V?-0.77V相对于S.C.E）；
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（4）铝合金阳极技术性能应符合国家标准《铝—锌—铟系合金牺牲阳极》GB/T4948-2002各项技术要求；
（5）设计、施工、质检应符合部标、国标及企标有关技术规定；
（6）《巴布亚新几内亚瑞木镍钴项目码头工程码头水工结构防腐蚀涂层及钢管桩阴极保护技术要求》。
2.3 设计依据
（1）本工程相关桩位图、断面图、钢管桩结构图等有关设计图纸及其说明；
（2）《巴布亚新几内亚瑞木镍钴项目码头工程码头水工结构防腐蚀涂层及钢管桩阴极保护技术要求》；
（3）环境条件（包括潮汐、水质情况、土壤情况等）；
（4）交通部《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》JTJ230-89；
（5）中华人民共和国国家标准《铝—锌—铟系合金牺牲阳极》GB/T4948-2002。
3. 设计条件
3.1 自然条件
（1）潮位
设计高水位：+0.50m
设计低水位：+-0.40m
（2）水质
水质电阻率：30Ω?cm
3.2 设计高程
（1）5万吨级码头前沿设计泥面标高：-15.00m（现有泥面-15~-22m）。
（2）工作船码头前沿设计泥面标高：-4.90m(现有泥面-5～-9m)。 2
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（3）引桥设计泥面标高：-1.00m～-1.50m。
4. 牺牲阳极阴极保护系统设计
4.1 保护电流密度取值
保护电流密度参考交通部《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》JTJ230-89表6.1.4，并结合我们多年的设计经验进行取值，具体数据见下表：
表4.1 各区段保护电流密度取值表
4.2 保护面积计算
根据本工程设计图纸中设计泥面标高、桩长等相关条件及《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》JTJ230-89之规定，分别计算每个结构段的保护面积，结果见下表：
表4.2 钢管桩各结构段保护面积计算结果表
本工程总保护面积约为：4.255万㎡。 4.3 保护电流量计算
本工程按水位变动区、水下区及泥下区分别计算每个结构段的初期保护电流量，跟据《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》之要求，保护电流计算公式如下：
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I??Sj?ij
j?1
n
其中：I—保护电流量，A S—各区段保护面积，㎡ i—各区段保护电流密度，A/㎡。
根据上述公式计算单根钢管桩初期平均保护电流量如下表所示： 表4.3 钢管桩各结构段初期保护电流量计算结果表
即单桩初期平均理论保护电流量约为3.12A（最小为：0.64A；最大为：3.49A）；本工程初期总保护电流量约为726.64A。 4.4 阳极材质选用
按国家标准《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》GB/T4948-2002，本设计采用Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极(其化学成份种类A21、电化学性能阳极材料2型)。其化学成份及电化学性能见下表：
表4.4 牺牲阳极材料、成份及电化学性能表
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注：S.C.E指参比电极为饱和甘汞电极。
4.5 阳极块规格
（1）本工程阳极规格设定：900×（190+200）×170mm，阳极结构示意图如下：
阳极结构示意图 图4.5
（2）单块阳极净重：81.75㎏/只
单块阳极毛重：89.57㎏/只
注：每只阳极出厂实际质量允许有±1.5%的偏差。
（3）单只阳极输出电流计算：
单块阳极发生电流按下式计算：
Ia = △E / Ra
式中：Ia －单块阳极发生电流量，A/块；
△E－阳极驱动电位，V；铝合金阳极作为长寿命阳极使用，取△E＝0.25V；
Ra－阳极接水电阻，Ω。
阳极采用旁离式安装方法，阳极接水电阻按下式计算：
Ra???4L??1? ?ln2?L?r?
式中：ρ—海水电阻率，Ω·cm，取电阻率ρ＝30Ω·cm；
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L—牺牲阳极长度，cm；
r—阳极当量半径，cm，r=C/2π，C为阳极截面周长。 将有关数据代入上述公式求得该规格牺牲阳极的理论输出电流约为：Ia=1.94A。为满足每根钢管桩初期最大3.49A保护电流量的需要，每根钢管桩需要安装2只该类型牺牲阳极。则该类型阳极实际最大输出电流量约为：1.745A(<Ia=1.94A，满足实际要求且已经考虑了10%的安全系数)。
（4）阳极使用年限的校核计算
根据《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》按下式计算阳极使用年限：
t?W1f
Eg?Ia
t?81.75?0.9 337?(1.745/2)
=25.02年
其中：W1—每个阳极的净重（㎏）；
f—利用系数；
Eg—阳极的消耗率（㎏/A·a）；
Ia—设计使用年限内每个阳极的平均发生电流量（A），按
单只阳极实际发射电流量的一半计。
计算结果表明该规格阳极满足使用年限要求（≥25年）。
（5）单桩牺牲阳极最大理论用量计算
根据钢管桩所需的最大平均保护电流量和25年的设计使用寿命，按下式计算所需要的阳极重量：
W?I平均?t?8760
q?k
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?
(3.49/2)?25?8760
?1.11
2600
=163.15㎏<81.75㎏/只×2只=163.50㎏
（满足设计要求）
式中：I平均：钢管桩的最大平均保护电流量，按初期的一半计（A）；
t：保护系统设计使用年限，t=25年； q：阳极的实际电容量，q=2600 A·h/Kg； k：安全系数，一般取1.1～1.2； W：所需阳极的净重量（㎏）。 4.6 阳极的实际数量、质量及布置
4.6.1 阳极安装设计
根据钢管桩所需要的理论保护电流量及阳极发射电流量，确定钢管桩所需要阳极数量，并考虑码头分段及单个承台的独立电连接作用，即均匀分布保护电流的原则。每根钢管桩安装2只阳极。
4.6.2 阳极数量设置表
表4.6.2 阳极数量设置表
4.6.3 阳极总重量计算 阳极总数量：466只
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阳极总净重：81.75㎏/只×466只=38095.5㎏
阳极总毛重：89.57㎏/只×466只=41739.6㎏
4.7 电连接设计
电连接的目的是消除钢管桩之间电位的不均衡性，采用阴极保护的钢结构应短路连接，其连接方式可采用钢筋连接（焊接）或电缆连接，其连接电阻不大于0.01Ω。根据本工程特点，由于在进行阴极保护设计时即已考虑为单桩保护单桩的效果，因此电连接的设计将对引桥采用钢管桩的排架的阴极保护效果起到辅助作用。
引桥部分：将每个排架中的钢管桩采用Ф22mm钢筋（或同等截面积的电缆）电焊成一个通电网络，使每个墩台的钢管桩均电连接在一起。
码头部分：将每个结构段的钢管桩采用Ф22mm钢筋（或同等截面积的电缆）电焊成一个通电网络，使每个结构段的全部钢管桩均电连接在一起。
电连接钢筋既可借用引桥排架或码头结构段的纵、横梁钢筋也可单独设计施工。所有焊接均要求搭接双面焊，单边焊接长度不小于80mm，必须满焊，不允许点焊、虚焊、漏焊。该项工作应在建造水工构筑物时同时完成。
5. 牺牲阳极的安装和检测要求
5.1 安装
本工程阳极的安装采用水下电焊。
（1）铝合金阳极按设计规定的标高与钢管桩焊成一体，阳极安装示意图如下：
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牺牲阳极安转示意图 图5.1
（2）铝合金阳极直接焊于设定的钢管桩上，每只阳极为6条焊缝，每只阳极脚有三条焊缝（三面施焊），每条焊缝长度大于50mm，焊缝应饱满，严禁点焊、漏焊、假焊。
（3）水下电焊应由有经验的电焊工操作，并具有水下电焊上岗证书。
（4）水下电焊施工操作前由操作者进行水下电焊试焊。可按商定的检验标准对焊样进行检查。
（5）由于现场的实际泥面标高可能与理论泥面标高有较大的出入，因此施工单位可以根据现场的实际泥面标高情况，在不改变该钢管桩阳极数量的情况下，对阳极的安装标高做适当的调整。调整原则如下：
①最上面一只阳极，上阳极脚控制在设计低水位以下；
②最下面一只阳极，下阳极脚控制在实际泥面1米以上；
③在由设计低水位与实际泥面标高确定的安装范围内，平均分布该钢管桩所需要安装的阳极数量。
5.2 检测
（1）成品的检测
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①阳极安装前应对阳极规格、质量、表面状况进行检查，阳极表面不得沾有油漆、油污。
②生产厂家应提供阳极成品出厂合格证书和有关成品化学成份、电化学性能（包括工作电位、开路电位、溶解性能）、电流效率以及阳极体与铁芯的接触电阻等的检测报告，检测方法和标准应符合《铝－锌－铟合金牺牲阳极》GB/ T4948－2002的要求。
（2）牺牲阳极水下电焊的检测
①进行水下电焊阳极前应测定钢管桩的自然电位。
②水下电焊阳极后需测定钢管桩的保护电位。
③为确保施工质量，对水下焊缝采用水下摄影或水下电视进行抽查，抽查焊缝的阳极不少于总数的5%。当发现有不符合要求的焊缝时，应进行检查并及时修补。
④铝合金阳极水下电焊后，在一星期后对钢管桩保护电位进行检测，其保护电位应100%达到设计要求，达不到要求时应及时采取重焊、更换或增补阳极等补救措施。
6. 施工注意事项
（1）铝合金阳极必须牢固地安装在被保护的钢桩上，与钢管桩短路焊接。
（2）铝合金阳极必须严格按设计图纸规定的数量、标高及方向焊接于钢管桩上。
（3）铝合金阳极水下电焊技术要求参见阳极安装说明。
（4）施工单位应作好详细的施工记录，包括施工时的水文气象情况和施工措施，并在牺牲阳极安装完毕后提交阴极保护的相关资料，标明实际安装的阳极数量、位置以及实测钢管桩表面电位。 10
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7. 使用期的维护与管理
（1）牺牲阳极阴极保护系统竣工验收后，投入正常运转，其阴极保护电位均应达到-1.05～-0.77V（相对于S·C·E）。
（2）阴极保护投入正常使用后，使用单位每六个月通过便携式海水Ag/AgCl电极及钢管桩接地测定部分钢管桩电位，并记录有关数据备查。
（3）阴极保护系统使用单位于前15年每5年普查一次钢管桩电位，后10年每3年普查一次钢管桩电位。
（4）钢管桩保护电位测量时采用便携式海水Ag/AgCl电极及数字式万用表或电位表进行测量。
（5）当普查钢管桩电位发现其电位达不到设计要求时，应检查牺牲阳极状况并采取重焊，更换或补焊铝合金阳极。
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