钢管桩外加电流阴极保护设计与效果评价

陈志强，李海洪

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.水工构造物耐久性技术交通运输行业重点实验室，广东 广州 510230）

0 引言

湛江港30 万吨级散货码头（结构按40 万t 设计）为离岸式高桩梁板结构。码头泊位长450 m，宽37 m。码头基桩全部为钢管桩，基桩排架间距为8.6 m，每排架设8 根钢管桩。前轨道梁下为114 根φ1300mm 钢管桩，其余为397 根φ1200 mm钢管桩，共511 根钢管桩。钢管桩采用涂层和外加电流阴极保护联合防护，设计使用年限50 a。

码头钢管桩外加电流阴极保护系统从2011 年开始随主体结构同时施工，期间历经2014 年台风“海鸥”和2015 年台风“彩虹”正面袭击，最终于2016 年正式调试运行，迄今已逾5 a。本文着重于该阴极保护系统设计过程中关键因素的决策，结合施工与运行过程中各设计参数的运营反馈，总结分析得失经验，为类似工程的开展提供设计借鉴。

1 设计参数与检测

阴极保护电流根据保护面积乘以保护电流密度计算得出，计算时初始涂层破损率按2%，水下区裸钢保护电流密度取值为80 mA/m2[1]。为了直观显示涂层破损率对保护电流的影响，水下区保护电流密度表示为裸钢保护电流密度乘以涂层破损率。泥下区为无涂层裸钢。保护面积计算时，水下区和泥下区按照图纸设计泥面线划分。

阴极保护电源输出电流、输出电压和参比电极电位由显示屏直读，通过欧姆定律计算得出系统回路电阻。阳极电缆和阴极电缆的输出电流采用优利德UT204+型钳形电流表测量。钢管桩电位测量采用便携式Ag/AgCl 参比电极和高阻抗万用电流，万用电表测量时采用局部破坏涂层与钢管桩直接电连接接触。

2 阴极保护系统设计

2.1 保护电流的设计计算

对于有涂层保护的钢管桩的阴极保护设计，涂层破损率的取值直接影响保护电流的大小和阴极保护电源的功率。现行行业标准规定涂层破损率可按每年1%～3%取值[1]。为此，采用不同的涂层破损率对标准排架8 根钢管桩30 a 后的保护电流末期值计算结果见表1。

表1 标准钢管桩排架30 a 后的保护电流计算值Table 1 Calculated value of required protection current of standard steel pipe pile bent after 30 years

根据表1 计算结果，码头511 根钢管桩按64个标准钢管桩排架简化计算的总保护电流见表2。

表2 30 a 后的总保护电流计算值Table 2 Calculated value of required total protection current after 30 years

从表2 中可以看出，涂层破损率的取值对保护电流的大小影响较大。破损率增加1%，大约增大50%的保护电流。即使按1%的最小值，总保护电流也达2 000 A 以上。

目前，有关钢管桩涂层实际使用中的破损率，特别是水下区涂层的破损率，文献几乎没有报道。考虑到本工程水下涂层设计厚度达1 000 μm，设计采用每年1%的涂层破损率比较合理。这与国际通行的阴极保护设计规范取值基本一致[2]，尽管有文献报道在海底管道阴极保护中采用此规范取值仍然太过于保守[3]。

2.2 阴极保护电源的设计选型与布置

目前，外加电流阴极保护电源一般采用恒电位仪[4]，按整流原理有晶闸管或高频逆变开关式可供选择。本工程保护电流高达2 000 A，若采用开关式电源发热太大，加之码头业主缺少阴极保护专业维护人员，因此采用技术成熟可靠的晶闸管恒电位仪。

阴极保护电源布置可以分为集中式和分散式，取决于系统管理方式与成本的权衡。经设计对比测算，仅电缆材料成本一项，集中式较分散式就有成倍增加。为此，系统设计采用4 台24 V600 A恒电位仪分散布置，每台恒电位仪的保护区域大致相等。

根据IP 防护等级的不同，阴极保护电源可设计成室内型或户外型。本工程属于离岸式码头，处于严苛的海洋大气腐蚀环境中，特别考虑台风等极端天气侵袭，设计采用室内型空冷晶闸管恒电位仪。

2.3 外加电流阴极保护电路设计

图1 所示为1 台典型的恒电位仪电路结构图。系统由A1～A19 其19 支MMO 钛管辅助阳极，R1～R4 其4 支高纯锌参比电极、3 个阴极汇流点组成。每2～3 支阳极接入阳极接线盒，JB1～JB7共7 个接线盒，接线盒通过阳极汇流电缆连接至恒电位仪。

图1 典型的恒电位仪电路图Fig.1 Typical circuit layout of constant potential rectifier

外加电流阴极保护电路设计决定了整个系统的成败[5]。电路设计的目的是确保保护电流尽可能均匀地输出到每1 根钢管桩。为此，电路设计中采用了2 种方法。一是A1～A19 每支阳极接入接线盒的电缆长度相等，其电阻值基本相同；二是采用不同导体截面积的阳极汇流电缆。相同导体截面积的电缆长度相同，并通过适当调整不同导体截面积的电缆长度使其电阻值基本相等。如JB1～JB3 由于距离恒电位仪距离相对JB5～JB7 较长，因此采用导体截面积为50 mm2替代25 mm2的电缆，其电缆长度相应也较长。

该恒电位仪调试运行后的各电气输出参数见表3。从表中可以看出，阳极汇流电缆和阴极电缆的电流分布比较均匀，但与理想值仍有一定偏差，可能源自阴极回路。阴极回路电阻涉及钢管桩和混凝土上部结构钢筋网，结构非常复杂，设计计算时假定其电阻可以忽略，但实际上与各阳极直接连接的阴极回路电阻肯定有所差异，从而产生此结果。

表3 电气参数测量结果Table 3 Measured results of electrical parameters

2.4 布线系统设计

外加电流阴极保护布线系统设计主要考虑其在严苛海洋腐蚀环境中的长期耐久性，优先采用高耐蚀材料。初始设计时全部采用316L 不锈钢材料，但由于成本较高，最终采用了防腐涂装的预制混凝土支架和钢制电缆桥架的妥协设计。汇入电缆桥架前的单条电缆采用PVC 软管保护。

3 阴极保护系统效果评价

3.1 整体运行效果评价

阴极保护系统采用恒电流控制模式。2021 年系统维护过程中，表3 所示恒电位仪维持输出电流为32 A，其参比电极电位仍均在250 mV 左右。采用便携式Ag/AgCl 海水参比电极对所有钢管桩进行了一次全面的电位检测。典型排架8 根钢管桩的电位测量结果见表4。

表4 典型钢管桩排架阴极保护电位测量结果Table 4 Measured cathodic protection potential of typical steel pipe pile bent

从表4 可以看出，大部分测点满足阴极保护电位规范要求。值得注意的是，系统实际输出电流远小于设计计算保护电流。工程实际输出电流受多重因素制约，除了涂层破损变化外，潮汐和波浪、水流、回淤、海生物附着以及钙镁沉积层等均会引起保护电流的变化，有待于后续进一步研究。

3.2 电路运行效果评价

为了验证系统运行5 a 后阴极保护电路设计是否满足额定输出电压和电流，在不破坏涂层的前提下，对恒电位仪的输出电流采取每秒短暂增大的方法测试，结果见图2。

图2 整流器输出电流和回路电阻随电压变化曲线Fig.2 Relationship of current output and circuit resistance of rectifier versus voltage change

从图中可以看出，随着电流的不断增大，回路电阻逐步减小。输出电流为300 A 时的输出电压为10.6 V，满足24 V 600 A 的额定输出要求，整个电路设计是成功的。回路电阻减小这一表面现象，其本质是电极的极化。一般而言，阴极保护布线系统中电缆等电子导体电阻随电流的变化可以忽略不计，但是阴极和辅助阳极与海水接触界面会产生极化。根据电极极化原理，极化电位与电流为对数关系。换句话说，在极化电流增大到进入强极化区，电流的大幅变化只会引起电位的相对较小改变，从而在电路中显示出回路电阻减小的表象。

3.3 阴极保护电源运行效果评价

系统运行5 a 来，恒电位仪运行状态良好。码头中部区域的1 台恒电位仪偶有电极极性反接故障报警，重启后系统恢复正常。这是因为系统判断电位正移超过某一幅度后，为了防止发生阳极极化，会触发此保护停机。判断应为码头中部靠船作业、门机作业或者附近的焊接作业对系统有偶然杂散电流冲击，由于无法再现未能有效排除。2021 年调整此恒电位仪为恒电位自动控制，迄今未再有类似情形发生。

3.4 布线系统运行效果评价

布线系统损坏是外加电流阴极保护系统运营中的突出问题。2021 年系统维护过程中发现约有一半的参比电极已经损坏，主要表现在水位变动区的电缆断裂。为此，对所有参比电极进行了更换，将原有2×2.5 mm2RVVP 电缆加粗为16 mm2VV电缆，并且重新设计增强了水位变动区的电缆布线装置，有效解决了此问题。

布线系统的损坏同样发生在电缆桥架和支架装置上。经检查发现，钢制电缆桥架大部分涂层已经失效，预制混凝土支架也有部分因钢筋锈蚀而开裂甚至断裂，后续将采用316L 不锈钢予以更换。

系统维护过程中还发现，布线系统各组件都有破损痕迹，部分残留有绳索和渔网，考虑是渔民作业船只所为，这进一步加剧了布线系统的损坏。

3.5 阴极保护系统设计经验总结

码头外加电流阴极保护由于系统复杂，运营管理要求高，因此国内外均发展缓慢。然而，相较于牺牲阳极阴极保护系统，特别是在节能减排和环境保护日益严格的趋势下，外加电流阴极保护的优势将愈发明显[6-8]。随着自动控制系统日益完善，特别是远程监控系统及物联网的不断发展，外加电流阴极保护的运营维护要求和成本已经非常低。本系统仅需每周一次巡查阴极保护电源的各项输出。

工程实践表明，设计良好的外加电流阴极保护系统完全能满足严苛的码头使用环境。但布线系统的损坏同样不容忽视，且维护成本高昂。因此，设计时应坚持采用耐久性能良好的材料和工艺，避免在使用寿命期内损坏。此外，布线系统施工时采用紧贴混凝土面并尽量靠近面板高度，应能有效减少船只作业破坏的几率，有待后续工程检验。

4 结语

1）钢管桩外加电流阴极保护应采用并联电路，并通过改变电缆截面积和长度调整回路电阻，保证电流均匀输出。

2）钢管桩外加电流阴极保护中，随着电流增大回路电阻减少，这是由电极极化原理所决定的。

3）5 a 的运营结果表明，布线系统损坏仍然是外加电流阴极保护设计和运行中亟待解决的问题。