专利名称：海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法及专用仪器的制作方法
技术领域：
本发明属电化学领域，特别是涉及海滨码头钢筋混凝土(简称砼)沉箱的防腐蚀新技术。
海滨码头通常由钢质架管桥和钢筋砼沉箱构成。沉箱是码头的基础，钢筋砼沉箱是表面有砼防护的钢构件。由于砼防护层在建造和使用过程中，难免的一些缺陷(如砼层厚度不足或有裂缝)，海水中氯离子等腐蚀性物质进入并抵达钢筋表面，造成钢筋锈蚀，铁锈的体积为其母体金属的2.2倍，形成的张力(330kg/cm2)大大超过砼层的抗张力极限，导致砼结构的开裂而损坏。虽可灌浆修补，但只能短期有效，治标不治本。如上所述，钢筋的锈蚀是造成大多数钢筋砼结构破坏的主要原因。而钢筋的锈蚀是一个电化学过程，因此，可以根据腐蚀电化学原理，通过对砼中钢筋实施阴极保护，来抑制钢筋的锈蚀，从而有效地保护钢筋砼结构。近二十年来，欧美等一些工业发达国家已经开始对钢筋砼的公路桥，试验和应用外加电流阴极保护(John P.Broomfield，Materials Performance，1992，31(9)38)。国内的南京水科院曾于1991年开发成功导电砂浆，并成功地在海上混凝土结构上部的外加电流阴极保护试验中应用(洪定海等，腐蚀与防护，1990，11(4)197)。海军南海舰队工程设计处和中国科学院福建物质结构研究所二部等曾研究开发导电涂层，并在码头的上部结构进行过试验和应用(邱富荣等，腐蚀科学与防护技术，1992，4(1)59)。然而，目前国内外尚无对钢筋砼沉箱群实现外加电流阴极保护的报道。
本发明的目的在于研究开发适用于10万吨级海滨码头钢筋砼沉箱群的外加电流阴极保护技术及其装置。
发明内容
包括(1)将多只钢筋砼沉箱视为一个群体，实施区域性电化学保护；(2)研制专用阴极保护系统，主要包括海底远程辅助阳极阵和适用的阴极保护电源装置；(3)导线布置和电缆埋设方法；(4)研究既快速又安全的阴极极化方式；(5)研制多路电位监测系统等。
为了实现本发明的目的及其主要内容，采取如下的技术路线和措施(1)选用外加电流法，对多只沉箱组成的群体，进行区域性保护。鉴于海水是导电性良好的电解质，故在连续供电的条件下，位于沉箱的海水全浸区的钢筋，可得到连续的阴极保护，而位于沉箱的海水潮差区的钢筋，则随着海水的涨落而得到断续的阴极保护，从而避免了采用牺牲阳极法阴极保护时，阳极材料用量大、阳极安装施工量大、其水下钻眼和水下作业尤为困难等缺点，既节省了投资费用，又不会干扰码头的正常生产作业，其平面布置图如
图1所示。
(2)研制了适用于放置在海底的高性能铅银合金(其重量比为98％铅，2％银)阳极(阳极亦可用市购的铅银合金制作)，及其便于安装和固定的钢质阳极架(用水下高性能涂料和铝合金牺牲阳极防护)。将阳极架沉放于距离油码头200m以远处的海底(-8m)，构成12支阳极分成3组的远程辅助阳极阵。这样就不会妨碍油码头及其附近航道的畅通，图2为海底阳极架示意图。
(3)研制ZBY-1型专用阴极保护电源装置，图3为它的线路图。其作用主要是将工频交流电整流为直流低压电，作为阴极保护的极化电源，按恒电压控制方式运行。其输出电压和电流大小是基于钢筋的电化学极化以及回路总电阻等而专门设计的。同时，设有输出电流瞬间阻断装置，以便测量钢筋的真实极化电位，消除IR降误差。交流380V输入，直流30V200A连续可调输出。其中正端分6路输出接辅助阳极，负端分10路(每路20A)输出接沉箱钢筋，便于检测各个阳极的工作电流和各个沉箱的极化电流。交流输入及直流输出端均设防雷击装置，直流输出端还加设过电压、过电流报警指示装置，以确保仪器工作安全、可靠，并能用于有防爆要求的场所。
(4)根据敷设导线长度不同和沉箱钢筋表面积的大小而选择不同线径的电缆，即安装长度在500m以内的导线，一般用铜芯截面积10mm2的塑料绝缘/塑料护套电缆；而长度比500m更长的导线和500m以内但沉箱电流需求较大者，则用截面积16mm2电缆。这样，优化选定的结果既可节省部分导线的费用，又便于阴极电流的分配比较均匀。所有电缆(阳极、阴极和参比电极)用具有良好防腐性和耐候性的UPVC管外套，一般沿着架管桥空隙和泊位平台上边缘敷设，部分埋入平台面上锯凿开的混凝土沟槽中，然后用环氧砂浆涂封并抹平，以保持平台上的整洁和畅通。由平台至沉箱钢筋之间的阴极电缆以及至参比电极的监测电缆，则直接埋入锯凿开的构槽中，先用细木条段夹紧固定，然后用环氧水泥砂浆补平。从而避免了使用电缆护套管时，护套管的固定和长久性问题，每个沉箱至少有两个接阴点，导线与钢筋用铜焊焊牢，然后将焊接点绝缘密封。
(5)阴极保护时，一般的极化程序是先强极化，后弱极化。为了防止初始极化(强极化)时，在阳极附近的辅码头靠船时，可能发生的打火现象，而又能使沉箱中钢筋的电位尽快进入规范中所要求的电位数值范围，我们试验并成功地采用强弱交叉极化(在该码头无船停靠时，按强极化运行；而有船停靠时，改用弱极化运行，即强弱极化相互交叉)的方式，从而较好地解决了上述问题。
(6)为了较全面而又重点地监测阴极保护运行状态，在沉箱上海水全浸区、潮差区、向阳极、背阳极、近阴极汇流点和远阴极汇流点等代表性部位，设置电位监测点，在砼中镶嵌式埋入长效Ag/AgCl参比电极作为电位检测探头，并研制了CPM-3型数字式电位监测仪，共有30路输入，每路输入阻抗为500MΩ。其主要作用是通过测量参比电极传送的电位数值大小，从而判断钢筋的电位是否进入了规范的保护电位区间，原理线路如图4所示。需要测量某一路的电位数值时，只须将该路所对应的扭子开关扳向“通”即可，而电位数值的准确性，可用仪器内附的标准电池(BC2)标定。CPM-3的另一特点是设有极化电流阻断的控制装置。即当按钮(AN)压下时，继电器J由常闭状态改变为阻断状态，从而使分别串接于3台ZBY-1型阴极保护仪直流输出端的A1-B1、A2-B2、A3-B3同时也由常闭状态改变为阻断状态。这时，CPM-3所测出的电位为通常所称的瞬时关断电位，即不含IR降误差的钢筋极化电位。
(7)油码头整个外加电流阴极保护系统的设计，包括控制装置和监测装置，符合有关爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范，如用防爆充油型调压器代替普通调压器，电缆全长度内无接头，焊接点绝缘密封、防静电和避雷等。
本发明适用于海水中的钢筋砼沉箱群，海滨和海上大型钢筋砼构筑物，如油码头、海堤、跨海大桥、人工岛、海洋石油平台、海底隧道等。
本发明的特点是(1)将海滨码头钢筋砼沉箱作为一个群体，实施区域性外加电流阴极保护，是一种较为方便、灵活的方案。海底远程阳极阵的设置，其结果是沉箱群的电位分布比较均匀，向阳极与背阳极、靠近阴极汇流点和远离阴极汇流点的电位差异不大。
(2)以10万吨级油码头的实际工程应用作为本发明的客体，被保护构筑物的面积(沉箱外表面)达12,250m2，钢筋总面积约为40,000m2。
(3)整个外加电流阴极保护控制和监测系统符合爆炸和火灾危险环境电力装置的设计规范要求。
以下对附图作图面说明图1是海滨码头钢筋砼沉箱群区域性阴极保护平面布置示意图。其中1是钢筋砼沉箱(虚线表示砼中钢筋)，2是阴极保护站，3是ZBY-1型阴极保护仪，4是海底阳极，5是阳极电缆，6是阴极电缆，7是电位监测点，8是监测电缆，9是CPM-3电位监测仪，10是海域，11是海岸。
图2是海底阳极及其钢架示意图(正视图、侧视图和俯视图)。其中11’是钢架，12是铅银合金阳极，5是阳极电缆。
图3是ZBY-1型专用阴极保护仪线路图。其中TS是油浸调压器，ZB是变压器，ZP是硅整流元件，V是电压表，A是电流表，FL是分流器，FS是避雷器，其余为接触器、继电器、熔断器和指示灯等。其中支路I是交流启动停止、II是直流启动停止、III是故障信号解除、IV是交流启动指示、V是交流停止指示、VI是直流启动指示、VII是直流停止指示、VIII是过流过压指示。
图4是CPM-3型多路电位监测仪电路图。其中PZ88是数字电压表，I’是测量位置，II’是校对位置，BC2是标准电池，C1～C31是0.1μF的涤纶电容器，R1～R31是100KΩ的炭膜电阻，而A1-B1、A2-B2、A3-B3分别串接在1号、2号、3号阴极保护仪的直流+或-输出端，J是继电器，CJ是接触器。
最后举出本发明的典型实施例福建炼油化工有限公司10万吨级油码头长约415米，位于湄洲湾南岸肖厝鲤鱼尾。油码头桥墩由19只圆柱形钢筋砼沉箱构成，沉箱高度16.5～20m，直径10～15m。主码头(10万吨级)水域水深-16.5米，辅码头(1千吨级)水域水深-8米。将阳极连同阳极架沉放于辅码头附近的海底，阳极电缆与ZBY-1专用保护仪的正端输出连接，而其负端输出通过阴极电缆连接至各个沉箱的钢筋。经过海水介质，形成电化学阴极保护回路，借助镶嵌入沉箱砼层内的Ag/AgCl参比电极，监测钢筋的极化电位，使其极化达到规范的保护电位区间，如表1所示。对于处在海水全浸区及潮差区的钢筋混凝土结构物，一般要求通电后的保护电位应比通电前的自然电位至少负移300mV。阴极保护运行一年后，经钢筋砼试块检测，获得表1所列的保护效果，达到设计要求。
表1.极化前后钢筋电位表<
>整个阴极保护系统的工作可靠，保护效果好。该系统已连续无故障地运行达3年之久。一年期的检测结果表明，有保护的钢样比未保护(自然腐蚀)的耐均匀腐蚀和耐局部腐蚀的能力均提高约5倍，而锈积率降低至1/14，钢筋砼结构的使用寿命可以大大延长，具体数据参见表2。
权利要求
1.海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法，是根据腐蚀电化学原理，通过对砼中钢筋实施阴极保护，来抑制钢筋的锈蚀，从而有效地保护钢筋砼结构的方法，其特征在于将多只钢筋砼沉箱视为一个群体，实施区域性外加电流阴极保护，即对沉箱的海水全浸区的钢筋实行连续的阴极保护，对沉箱的潮差区实行断续的阴极保护。
2.如权利要求1所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法，其特征在于阳极布置为海底远程辅助阳极阵。
3.如权利要求1所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法，其特征在于阴极电缆的铜芯截面积根据沉箱所需的极化电流和导线电阻大小两个因素优化来选定。
4.如权利要求1所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法，其特征在于采用了强弱交叉极化的阴极保护初始极化方式。
5.如权利要求1所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法，其特征在于电缆和探头在沉箱外壁采用镶嵌式埋入法。
6.如权利要求1所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法，其特征在于钢筋与导线的连接采取铜焊焊牢，然后将焊接点绝缘并密封。
7.海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法的专用阴极保护仪，由油浸式三相调压器TS、变压器ZB、桥式硅整流元件ZP和逻辑电路等组成，其特征在于按恒压方式运行，其正负输出端接受多路电位监测仪的控制。
8.如权利要求7所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法的专用阴极保护仪，其特征在于其额定输出电压和电流大小是基于钢筋的电化学极化电流大小以及回路总电阻数值等计算后而设计的，具体的输出电压数值用调压器连续调定。
9.海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法的多路电位监测仪，由数字电压表、监测开关和饱和标准电池等部分组成，其特征在于30路输入，其输入阻抗高达500MΩ以上，并由继电器J和接触器CJ组成瞬时关断阴极保护仪的输出控制电路，测量无IR降的钢筋极化电位和电位衰退。
10.如权利要求9所述的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法的多路电位监测仪，其特征在于与其配套的参比电极为长效Ag/AgCl电极，埋入沉箱外壁砼中。
11.权利要求1或7或9的海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法及专用仪器的应用，其特征在于该保护法及专用仪器适用于海水中的钢筋砼沉箱群，海滨和海上大型钢筋砼构筑物，如油码头、海堤、跨海大桥、人工岛、海洋石油平台、海底隧道等。
全文摘要
海滨码头钢筋砼沉箱群的阴极保护法及专用仪器属电化学领域,其目的是根据腐蚀电化学原理,开发新颖防腐蚀技术,抑制砼中钢筋的腐蚀,从而延长钢筋砼沉箱和码头的使用寿命,保证生产安全。本发明的区域性外加电流阴极保护系统,对沉箱海水全浸区的钢筋实行连续的阴极保护,而对沉箱潮差区的钢筋实行断续的阴极保护,其特点是安装调试较为简便、保护效果好,适用于海水中钢筋砼沉箱或沉箱群,海滨或海上大型钢筋砼构筑物,是一项低投入、高效益的重要技术措施。
文档编号C23F13/00GK1250824SQ9812151
公开日2000年4月19日 申请日期1998年10月8日 优先权日1998年10月8日
发明者邱富荣, 康飚, 许世力, 刘申生, 郑忠立, 刘文伍, 石小燕, 杨呜皋, 余兴增, 陈友增, 辜志俊, 张春兰, 张琦, 张神法 申请人:中国科学院福建物质结构研究所二部, 福建炼油化工有限公司