專利名稱：海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法及專用儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學領(lǐng)域，特別是涉及海濱碼頭鋼筋混凝土(簡稱砼)沉箱的防腐蝕新技術(shù)。
海濱碼頭通常由鋼質(zhì)架管橋和鋼筋砼沉箱構(gòu)成。沉箱是碼頭的基礎，鋼筋砼沉箱是表面有砼防護的鋼構(gòu)件。由于砼防護層在建造和使用過程中，難免的一些缺陷(如砼層厚度不足或有裂縫)，海水中氯離子等腐蝕性物質(zhì)進入并抵達鋼筋表面，造成鋼筋銹蝕，鐵銹的體積為其母體金屬的2.2倍，形成的張力(330kg/cm2)大大超過砼層的抗張力極限，導致砼結(jié)構(gòu)的開裂而損壞。雖可灌漿修補，但只能短期有效，治標不治本。如上所述，鋼筋的銹蝕是造成大多數(shù)鋼筋砼結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。而鋼筋的銹蝕是一個電化學過程，因此，可以根據(jù)腐蝕電化學原理，通過對砼中鋼筋實施陰極保護，來抑制鋼筋的銹蝕，從而有效地保護鋼筋砼結(jié)構(gòu)。近二十年來，歐美等一些工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開始對鋼筋砼的公路橋，試驗和應用外加電流陰極保護(John P.Broomfield，Materials Performance，1992，31(9)38)。國內(nèi)的南京水科院曾于1991年開發(fā)成功導電砂漿，并成功地在海上混凝土結(jié)構(gòu)上部的外加電流陰極保護試驗中應用(洪定海等，腐蝕與防護，1990，11(4)197)。海軍南海艦隊工程設計處和中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所二部等曾研究開發(fā)導電涂層，并在碼頭的上部結(jié)構(gòu)進行過試驗和應用(邱富榮等，腐蝕科學與防護技術(shù)，1992，4(1)59)。然而，目前國內(nèi)外尚無對鋼筋砼沉箱群實現(xiàn)外加電流陰極保護的報道。
本發(fā)明的目的在于研究開發(fā)適用于10萬噸級海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的外加電流陰極保護技術(shù)及其裝置。

發(fā)明內(nèi)容
包括(1)將多只鋼筋砼沉箱視為一個群體，實施區(qū)域性電化學保護；(2)研制專用陰極保護系統(tǒng)，主要包括海底遠程輔助陽極陣和適用的陰極保護電源裝置；(3)導線布置和電纜埋設方法；(4)研究既快速又安全的陰極極化方式；(5)研制多路電位監(jiān)測系統(tǒng)等。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的及其主要內(nèi)容，采取如下的技術(shù)路線和措施(1)選用外加電流法，對多只沉箱組成的群體，進行區(qū)域性保護。鑒于海水是導電性良好的電解質(zhì)，故在連續(xù)供電的條件下，位于沉箱的海水全浸區(qū)的鋼筋，可得到連續(xù)的陰極保護，而位于沉箱的海水潮差區(qū)的鋼筋，則隨著海水的漲落而得到斷續(xù)的陰極保護，從而避免了采用犧牲陽極法陰極保護時，陽極材料用量大、陽極安裝施工量大、其水下鉆眼和水下作業(yè)尤為困難等缺點，既節(jié)省了投資費用，又不會干擾碼頭的正常生產(chǎn)作業(yè)，其平面布置圖如

圖1所示。
(2)研制了適用于放置在海底的高性能鉛銀合金(其重量比為98％鉛，2％銀)陽極(陽極亦可用市購的鉛銀合金制作)，及其便于安裝和固定的鋼質(zhì)陽極架(用水下高性能涂料和鋁合金犧牲陽極防護)。將陽極架沉放于距離油碼頭200m以遠處的海底(-8m)，構(gòu)成12支陽極分成3組的遠程輔助陽極陣。這樣就不會妨礙油碼頭及其附近航道的暢通，圖2為海底陽極架示意圖。
(3)研制ZBY-1型專用陰極保護電源裝置，圖3為它的線路圖。其作用主要是將工頻交流電整流為直流低壓電，作為陰極保護的極化電源，按恒電壓控制方式運行。其輸出電壓和電流大小是基于鋼筋的電化學極化以及回路總電阻等而專門設計的。同時，設有輸出電流瞬間阻斷裝置，以便測量鋼筋的真實極化電位，消除IR降誤差。交流380V輸入，直流30V200A連續(xù)可調(diào)輸出。其中正端分6路輸出接輔助陽極，負端分10路(每路20A)輸出接沉箱鋼筋，便于檢測各個陽極的工作電流和各個沉箱的極化電流。交流輸入及直流輸出端均設防雷擊裝置，直流輸出端還加設過電壓、過電流報警指示裝置，以確保儀器工作安全、可靠，并能用于有防爆要求的場所。
(4)根據(jù)敷設導線長度不同和沉箱鋼筋表面積的大小而選擇不同線徑的電纜，即安裝長度在500m以內(nèi)的導線，一般用銅芯截面積10mm2的塑料絕緣/塑料護套電纜；而長度比500m更長的導線和500m以內(nèi)但沉箱電流需求較大者，則用截面積16mm2電纜。這樣，優(yōu)化選定的結(jié)果既可節(jié)省部分導線的費用，又便于陰極電流的分配比較均勻。所有電纜(陽極、陰極和參比電極)用具有良好防腐性和耐候性的UPVC管外套，一般沿著架管橋空隙和泊位平臺上邊緣敷設，部分埋入平臺面上鋸鑿開的混凝土溝槽中，然后用環(huán)氧砂漿涂封并抹平，以保持平臺上的整潔和暢通。由平臺至沉箱鋼筋之間的陰極電纜以及至參比電極的監(jiān)測電纜，則直接埋入鋸鑿開的構(gòu)槽中，先用細木條段夾緊固定，然后用環(huán)氧水泥砂漿補平。從而避免了使用電纜護套管時，護套管的固定和長久性問題，每個沉箱至少有兩個接陰點，導線與鋼筋用銅焊焊牢，然后將焊接點絕緣密封。
(5)陰極保護時，一般的極化程序是先強極化，后弱極化。為了防止初始極化(強極化)時，在陽極附近的輔碼頭靠船時，可能發(fā)生的打火現(xiàn)象，而又能使沉箱中鋼筋的電位盡快進入規(guī)范中所要求的電位數(shù)值范圍，我們試驗并成功地采用強弱交叉極化(在該碼頭無船停靠時，按強極化運行；而有船?？繒r，改用弱極化運行，即強弱極化相互交叉)的方式，從而較好地解決了上述問題。
(6)為了較全面而又重點地監(jiān)測陰極保護運行狀態(tài)，在沉箱上海水全浸區(qū)、潮差區(qū)、向陽極、背陽極、近陰極匯流點和遠陰極匯流點等代表性部位，設置電位監(jiān)測點，在砼中鑲嵌式埋入長效Ag/AgCl參比電極作為電位檢測探頭，并研制了CPM-3型數(shù)字式電位監(jiān)測儀，共有30路輸入，每路輸入阻抗為500MΩ。其主要作用是通過測量參比電極傳送的電位數(shù)值大小，從而判斷鋼筋的電位是否進入了規(guī)范的保護電位區(qū)間，原理線路如圖4所示。需要測量某一路的電位數(shù)值時，只須將該路所對應的扭子開關(guān)扳向“通”即可，而電位數(shù)值的準確性，可用儀器內(nèi)附的標準電池(BC2)標定。CPM-3的另一特點是設有極化電流阻斷的控制裝置。即當按鈕(AN)壓下時，繼電器J由常閉狀態(tài)改變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，從而使分別串接于3臺ZBY-1型陰極保護儀直流輸出端的A1-B1、A2-B2、A3-B3同時也由常閉狀態(tài)改變?yōu)樽钄酄顟B(tài)。這時，CPM-3所測出的電位為通常所稱的瞬時關(guān)斷電位，即不含IR降誤差的鋼筋極化電位。
(7)油碼頭整個外加電流陰極保護系統(tǒng)的設計，包括控制裝置和監(jiān)測裝置，符合有關(guān)爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范，如用防爆充油型調(diào)壓器代替普通調(diào)壓器，電纜全長度內(nèi)無接頭，焊接點絕緣密封、防靜電和避雷等。
本發(fā)明適用于海水中的鋼筋砼沉箱群，海濱和海上大型鋼筋砼構(gòu)筑物，如油碼頭、海堤、跨海大橋、人工島、海洋石油平臺、海底隧道等。
本發(fā)明的特點是(1)將海濱碼頭鋼筋砼沉箱作為一個群體，實施區(qū)域性外加電流陰極保護，是一種較為方便、靈活的方案。海底遠程陽極陣的設置，其結(jié)果是沉箱群的電位分布比較均勻，向陽極與背陽極、靠近陰極匯流點和遠離陰極匯流點的電位差異不大。
(2)以10萬噸級油碼頭的實際工程應用作為本發(fā)明的客體，被保護構(gòu)筑物的面積(沉箱外表面)達12,250m2，鋼筋總面積約為40,000m2。
(3)整個外加電流陰極保護控制和監(jiān)測系統(tǒng)符合爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置的設計規(guī)范要求。
以下對附圖作圖面說明圖1是海濱碼頭鋼筋砼沉箱群區(qū)域性陰極保護平面布置示意圖。其中1是鋼筋砼沉箱(虛線表示砼中鋼筋)，2是陰極保護站，3是ZBY-1型陰極保護儀，4是海底陽極，5是陽極電纜，6是陰極電纜，7是電位監(jiān)測點，8是監(jiān)測電纜，9是CPM-3電位監(jiān)測儀，10是海域，11是海岸。
圖2是海底陽極及其鋼架示意圖(正視圖、側(cè)視圖和俯視圖)。其中11’是鋼架，12是鉛銀合金陽極，5是陽極電纜。
圖3是ZBY-1型專用陰極保護儀線路圖。其中TS是油浸調(diào)壓器，ZB是變壓器，ZP是硅整流元件，V是電壓表，A是電流表，F(xiàn)L是分流器，F(xiàn)S是避雷器，其余為接觸器、繼電器、熔斷器和指示燈等。其中支路I是交流啟動停止、II是直流啟動停止、III是故障信號解除、IV是交流啟動指示、V是交流停止指示、VI是直流啟動指示、VII是直流停止指示、VIII是過流過壓指示。
圖4是CPM-3型多路電位監(jiān)測儀電路圖。其中PZ88是數(shù)字電壓表，I’是測量位置，II’是校對位置，BC2是標準電池，C1～C31是0.1μF的滌綸電容器，R1～R31是100KΩ的炭膜電阻，而A1-B1、A2-B2、A3-B3分別串接在1號、2號、3號陰極保護儀的直流+或-輸出端，J是繼電器，CJ是接觸器。
最后舉出本發(fā)明的典型實施例福建煉油化工有限公司10萬噸級油碼頭長約415米，位于湄洲灣南岸肖厝鯉魚尾。油碼頭橋墩由19只圓柱形鋼筋砼沉箱構(gòu)成，沉箱高度16.5～20m，直徑10～15m。主碼頭(10萬噸級)水域水深-16.5米，輔碼頭(1千噸級)水域水深-8米。將陽極連同陽極架沉放于輔碼頭附近的海底，陽極電纜與ZBY-1專用保護儀的正端輸出連接，而其負端輸出通過陰極電纜連接至各個沉箱的鋼筋。經(jīng)過海水介質(zhì)，形成電化學陰極保護回路，借助鑲嵌入沉箱砼層內(nèi)的Ag/AgCl參比電極，監(jiān)測鋼筋的極化電位，使其極化達到規(guī)范的保護電位區(qū)間，如表1所示。對于處在海水全浸區(qū)及潮差區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，一般要求通電后的保護電位應比通電前的自然電位至少負移300mV。陰極保護運行一年后，經(jīng)鋼筋砼試塊檢測，獲得表1所列的保護效果，達到設計要求。
表1.極化前后鋼筋電位表<

>整個陰極保護系統(tǒng)的工作可靠，保護效果好。該系統(tǒng)已連續(xù)無故障地運行達3年之久。一年期的檢測結(jié)果表明，有保護的鋼樣比未保護(自然腐蝕)的耐均勻腐蝕和耐局部腐蝕的能力均提高約5倍，而銹積率降低至1/14，鋼筋砼結(jié)構(gòu)的使用壽命可以大大延長，具體數(shù)據(jù)參見表2。
權(quán)利要求
1.海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法，是根據(jù)腐蝕電化學原理，通過對砼中鋼筋實施陰極保護，來抑制鋼筋的銹蝕，從而有效地保護鋼筋砼結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于將多只鋼筋砼沉箱視為一個群體，實施區(qū)域性外加電流陰極保護，即對沉箱的海水全浸區(qū)的鋼筋實行連續(xù)的陰極保護，對沉箱的潮差區(qū)實行斷續(xù)的陰極保護。
2.如權(quán)利要求1所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法，其特征在于陽極布置為海底遠程輔助陽極陣。
3.如權(quán)利要求1所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法，其特征在于陰極電纜的銅芯截面積根據(jù)沉箱所需的極化電流和導線電阻大小兩個因素優(yōu)化來選定。
4.如權(quán)利要求1所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法，其特征在于采用了強弱交叉極化的陰極保護初始極化方式。
5.如權(quán)利要求1所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法，其特征在于電纜和探頭在沉箱外壁采用鑲嵌式埋入法。
6.如權(quán)利要求1所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法，其特征在于鋼筋與導線的連接采取銅焊焊牢，然后將焊接點絕緣并密封。
7.海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法的專用陰極保護儀，由油浸式三相調(diào)壓器TS、變壓器ZB、橋式硅整流元件ZP和邏輯電路等組成，其特征在于按恒壓方式運行，其正負輸出端接受多路電位監(jiān)測儀的控制。
8.如權(quán)利要求7所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法的專用陰極保護儀，其特征在于其額定輸出電壓和電流大小是基于鋼筋的電化學極化電流大小以及回路總電阻數(shù)值等計算后而設計的，具體的輸出電壓數(shù)值用調(diào)壓器連續(xù)調(diào)定。
9.海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法的多路電位監(jiān)測儀，由數(shù)字電壓表、監(jiān)測開關(guān)和飽和標準電池等部分組成，其特征在于30路輸入，其輸入阻抗高達500MΩ以上，并由繼電器J和接觸器CJ組成瞬時關(guān)斷陰極保護儀的輸出控制電路，測量無IR降的鋼筋極化電位和電位衰退。
10.如權(quán)利要求9所述的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法的多路電位監(jiān)測儀，其特征在于與其配套的參比電極為長效Ag/AgCl電極，埋入沉箱外壁砼中。
11.權(quán)利要求1或7或9的海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法及專用儀器的應用，其特征在于該保護法及專用儀器適用于海水中的鋼筋砼沉箱群，海濱和海上大型鋼筋砼構(gòu)筑物，如油碼頭、海堤、跨海大橋、人工島、海洋石油平臺、海底隧道等。
全文摘要
海濱碼頭鋼筋砼沉箱群的陰極保護法及專用儀器屬電化學領(lǐng)域,其目的是根據(jù)腐蝕電化學原理,開發(fā)新穎防腐蝕技術(shù),抑制砼中鋼筋的腐蝕,從而延長鋼筋砼沉箱和碼頭的使用壽命,保證生產(chǎn)安全。本發(fā)明的區(qū)域性外加電流陰極保護系統(tǒng),對沉箱海水全浸區(qū)的鋼筋實行連續(xù)的陰極保護,而對沉箱潮差區(qū)的鋼筋實行斷續(xù)的陰極保護,其特點是安裝調(diào)試較為簡便、保護效果好,適用于海水中鋼筋砼沉箱或沉箱群,海濱或海上大型鋼筋砼構(gòu)筑物,是一項低投入、高效益的重要技術(shù)措施。
文檔編號C23F13/00GK1250824SQ9812151
公開日2000年4月19日 申請日期1998年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月8日
發(fā)明者邱富榮, 康飚, 許世力, 劉申生, 鄭忠立, 劉文伍, 石小燕, 楊嗚皋, 余興增, 陳友增, 辜志俊, 張春蘭, 張琦, 張神法 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所二部, 福建煉油化工有限公司