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摘要：介绍高桩码头钢管桩阴极防腐保护施工工艺。
关键词：高桩码头 钢管桩 防腐 阴极保护施工
1、工程概述
某干散货码头为高桩码头，工程建设规模为新建两个15万吨级进口铁矿石泊位（码头结构按20万吨级设计）；码头岸线长度为668米，承台宽度为30.5米，码头顶面高程为6.0米。工程需要施工材质为Q345的Φ1200钢管桩共计408根，为了防止钢管桩的防腐设计采用环氧粉末全涂加牺牲阳极阴极保护的方法。每根钢管桩上布置1支高效铝阳极，共计安装铝合金牺牲阳极408支；根据珠海港高栏港区南水作业区干散货码头起步工程《水工结构防腐设计要求》要求，设置6个阴极保护电位测试点。 2、牺牲阳极阴极保护原理
牺牲阳极阴极保护原理是用一种电位比所要保护的钢管桩还要低的金属或合金与被保护的金
属电性连接在一起，依靠电位比较低的金属不断地电解所产生的游离电子从低电位向高电位流动，通过钢管桩--大地--海水--阳极块--钢管桩，形成回路电流，来防止钢管桩被腐蚀的方法。
3、牺牲阳极阴极保护特点
3.1特点：
不需要外加直流电源，但牺牲阳极材料具备电位足够负且长期保持该负电位的电化学性能。
3.2优点：
1）一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用；
2）保护电流的利用率较高，不会产生过保护；
3）对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于无电源的钢管桩基以及小规模的分散管道保护；七彩山鸡养殖
4）具有接地和保护兼顾的作用；
5）施工技术简单，平时不需要特殊的专业维护管理。
3．3缺点：
1）驱动电位低，保护电流调节范围窄；
2）适用范围受周围突然电阻率的限制，即土壤电阻率大于50欧姆·米时，一般不宜选用牺牲阳极保护法；
3）在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转；
4）有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换。
4、牺牲阳极技术要求
4.1 牺牲阳极技术指标
（1）阴极保护有效保护年限：t≥30年
（2）在有效保护时间内，被保护钢管桩的保护电位为-0.85V~-1.1V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极)
（3）在有效保护期内，保证钢管桩的腐蚀得到有效的抑制，表面无锈蚀，不产生蚀坑等集中腐蚀现象，桩壁无明显减薄。
（4）在有效保护期内，保护效果稳定可靠，不需要任何维修保养和专人管理。
4.2 牺牲阳极的选择
根据设计要求，本工程牺牲阳极采用高效铝合金阳极，其电化学性能见下表
铝合金阳极电化学性能表
阳极 种类 | 工作电位（-V，SCE） | 实际电容量（A·h/Kg） | 电流效率（%） | 消耗率（Kg/A·h） | 溶解 情况 |
高效铝阳极 | 1.05~1.12 | ≥2600 | ≥90 | 工装管理系统3.34 | 表面溶解均匀，产物自动脱落 |
| | | | | |
4.3 阳极规格型号
阳极的形状和安装方式与阳极发生电流和使用寿命密切相关，根据设计要求，本工程选用长条架式阳极，阳极型号见下表。
铝合金阳极规格型号表
阳极种类 | 型号 | 规格（mm） | 净重（Kg） | 毛重（Kg） |
高效铝阳极 | AI-4 | 900×(150+170) ×160 | 52 | 58 |
| | | | |
5、牺牲阳极施工
根据钢管桩的沉桩工艺，打桩前，钢管桩表面不能焊接较大构件，以免影响打桩施工同时也避免了因为沉桩施工过程中桩身的振动影响焊接在桩身的牺牲阳极的焊接质量。因此，牺牲阳极只能在钢管桩完成打桩工程后进行水下安装。
5.1.2牺牲阳极的水下安装方法主要有以下几种：螺栓固定法、捆扎法和水下焊接法。
1）螺栓固定法是将牺牲阳极通过固定在焊在钢管桩上的钢制固定架上，达到阳极安装固定的目的。螺栓固定法的缺点是工艺复杂、安装困难，尤其是牺牲阳极在长期使用中受海水冲击、海流推动，螺帽容易产生松动，造成牺牲阳极与钢管桩之间接触电阻增大，降低阳极发生电流量和工作性能，影响钢管桩的保护效果。
2）捆扎法是采用钢制卡环或钢带将牺牲阳极捆扎在钢管桩上，达到牺牲阳极安装固定的目的。捆扎法的缺点是由于海浪冲击，海流扭动，牺牲阳极的不断溶解，造成牺牲阳极与捆扎带之间产生松动，使阳极与钢管桩之间接触电阻增大，影响牺牲阳极发生电流和使用效果，严重者阳极脱落，造成保护工程失败。
3）水下焊接安装法是采用水下焊接设备和水下焊条通过电焊方法把牺牲阳极安装固定在钢管桩上。水下电焊方法具有技术成熟、牢固可靠，牺牲阳极与钢管桩接触电阻小、导电性能好、使用寿命长等特点。
根据本工程设计年限（50年）要求，通过对以上三种方法可行性比较，选择采用水下焊接安装法进行牺牲阳极的水下安装。
5.1.3水下焊接法
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水下焊接法又分自动CO2气体局部排水干法焊和焊两种。半自动CO2气体局部排水干法焊技术难度大、造价高，主要用于水下高强钢结构材料的焊接。本工程钢管状材质为Q345型钢，宜采用普通湿法，利用水下SRE TS 208湿法焊条焊接工艺完全满足工程技术要求。
5.2牺牲阳极水下焊接设备
5．2.1 焊接安装设备
牺牲阳极水下焊接安装设备采用ZX-500直流弧焊机，ZX-500焊机的特点是电压调节范围大，工作电流稳定，起弧电压稳定，水下操作不易断弧，连续性强，焊缝质量好。
5.2.2空压机
施工用空压机型号为V-0.67/14-1型。该机排气量0.67/min，工作压力1.4MPa,配以活性碳为主要的空气过滤器。符合国家GB18985-2003《潜水员供气量》规定。该机可用于90m以下潜水作业。 5.2.3高压充气机
施工用高压充气机的型号为VF-206型。该机为V型二级风冷式，排气量6m3/h，额定排气压力为200kg/cm2。该机工作性能稳定，使用效果良好。
5.2.4潜水装置
该工程使用的潜水装具为美国KMB-18型管供式轻装潜水装具。其特点是集轻潜装具与重潜装具的优点于一身。水下潜水员活动灵活，水下作业时间长，为保证施工工期打下良好的基础。
5.2.5潜水双通电话
用于地面人员和潜水员及潜水员与潜水员之间的联系，确保焊接工作正常进行和水下施工人员的安全。
5.2.6监测仪器
水下录像系统为美国产COBRA-52006ROV型。水下照相机为日本产NIKONSO-V型，适用水深120m，水中能见度2m以上时，可清晰录下和拍摄水下物体状况，对牺牲阳极安装质量可随时检查了解。
5.2.7工作船只
采用甲板装有吊车的小型工作船，用于牺牲阳极的运输和吊装。
6、牺牲阳极水下焊接安装质量要求
6.1牺牲阳极的结构见图1
图1 牺牲阳极结构图
图 2 牺牲阳极安装图
6、2牺牲阳极焊接安装质量
根据牺牲阳极结构和牺牲阳极安装图，牺牲阳极有2个槽钢焊脚、4道焊缝。安装时阳极焊脚与钢管桩完全吻合，每道焊缝长度≥80mm，焊缝高度≥8mm。要求焊缝连续平整，牢固可靠，不能有虚焊，严禁漏焊、点焊或短焊，确保阳极体在30年内不会因焊接质量问题而脱落。
焊缝边缘与母材应圆滑过渡，焊缝宽度均匀连续，且不得小于8mm；焊缝表面凹陷度不得低于母材表面0.8mm；
焊缝表面不准有裂纹、气孔、夹渣，在任何选定为30mm长的连续焊缝上，咬边深度不得大于0.8mm，深度超过0.4mm的咬边累计不得大于50mm。
6.3 牺牲阳极焊脚焊缝强度核算
阳极尺寸900×(150+170) ×160mm，设计使用寿命为30年，每块牺牲阳极的重量为58kg（含焊脚），阳极钢芯为60×8mm镀锌扁钢，铁脚两端各焊有80mm长的槽钢，共二个焊脚，四道焊缝，每道焊缝长度≥80mm，焊缝高度≥8mm。要保证焊缝具有要求的尺寸和外形，保证焊透、无夹渣。
⑴焊缝允许剪切强度
经计算，焊缝允许抗剪切强度：τ=1.26t/cm2
焊缝允许抗剪切应力：T=Aτ=60×4×0.8×1.26=24.2t
⑵水流对牺牲阳极的侧压力
接地变水流对牺牲阳极的侧压力计算为：
R = KAγ2
γ ---- 水的流速，设γ=1节，即0.5m/s
A ---- 受力面积，A≈0.28m2
R = 0.006×0.28×0.52 = 0.00042t
⑶波浪对牺牲阳极的冲击力
P = 3.2WHA
W ---- 海水的比重，W≈1.025m3
H ---- 浪高，H ≈2m
A ---- 受力面积，A≈0.21m2
P = 3.2×1.025×2×0.21 = 1.38t
水流和波浪对阳极块的总压力为：
F = R+P = 0.00042 + 1.38≈1.38t
⑷阳极块焊缝所受剪应力为：
I = F/A =1.38/21 ≈0.066t
由此可见，牺牲阳极的四道焊缝所受的剪应力I远小于焊缝允许的抗剪切力T。牺牲阳极焊接焊缝的道数、长度和高度的设计完全满足工程要求。
6.4 牺牲阳极水下焊接安装工艺流程
施工方向----在码头平台，由左向右或由右向左地进行。
安装方式----分两步进行，先安装定位，后焊接加固。
7、阳极位置的布置和确定
7.1 阳极位置的布置
根据《钢管桩牺牲阳极位置及结构图》的要求，每根钢桩安装1支牺牲阳极，为确保在任何水位时，牺牲阳极均位于水位以下，要求上部槽钢顶面安装高程不高于-3.5m。相邻钢桩阳极位置应高低交错（相差1m左右为宜），相邻钢桩阳极方向应转动90度，以保证对钢桩的保护均匀。
7.2 阳极位置的确定
根据《钢管桩牺牲阳极位置及结构图》的要求，在需焊接的钢管桩上，潜水员在水下拉好标记绳；根据每个阳极块在钢管桩上的位置而在绳上相应的地方做好标记，便于阳极块安装时方便。
8、阳极块的安装
挂包钩
利用桩帽上安装简易移动式吊架，将运输船上的阳极块一个一个吊到钢管桩上相应位置；潜水员在水下对照阳极块的位置进行定位、点焊临时加固。在靠(系)船墩底部的钢管桩安装时潜水员用牵引绳将阳极块牵引到指定地点。牺牲阳极安装质量直接影响到阳极的发生
电流量、溶解性能、使用寿命和防腐效果。因此安装必须牢固可靠，保证30年不脱落，与钢管桩电性导通好。
9、 阳极块的焊接
当一条钢管桩的阳极块临时安装完毕以后，第二个潜水员进行水下焊接工作：
由于在湿法焊时，熔渣和金属都受到水的冷却，凝固很快，如果焊接电流选择得当，操作得法，一般不会造成熔渣和熔化金属下淌。因此，本工程焊接方式采用湿式水下立式焊接为主，焊条运行的方向由上到下，由于本工程施工海域有一定的能见度，采用此方法时，焊接产生的气泡对水下焊工的视线干扰较少，浅水时潜水焊工可以看到焊接容池的反应情况，以保证焊接质量。
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