马悦，张文锋，陈韬，刘凯，马化雄，李云飞
（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津300222）
摘要：为应对严酷的海洋腐蚀环境，海港码头钢管桩会采取相应的防腐措施。然而，受防腐措施自身的耐久性限制及海洋环境的影响，钢管桩防腐蚀系统在运行过程中常会发生不同程度和类型的失效，影响钢管桩的安全性、使用性和耐久性，因此有必要对钢管桩防腐蚀系统进行维护。文章介绍了海港码头防腐蚀维护的基本流程，包括基础资料收集、定期检测评估、发现异常后的详细检测评估、防腐蚀修复或更新等，并结合典型防腐蚀工程案例，详细描述了海港码头钢管桩防腐蚀维护的基本过程和实际效果。
关键词：海港码头；钢管桩；防腐蚀；检测；评估；维护技术
由于严酷的海洋腐蚀环境，处于其中的钢管桩往往存在较大的腐蚀风险。随着人们对腐蚀严重性的日益重视和可持续发展理念的深化，各种防腐措施在钢管桩防腐中得到广泛应用，并取得了显著效果。按钢管桩在海洋中的腐蚀特点，可划分为大气区、浪贱区、水位变动区、水下区、泥下区5个腐蚀部位[1]。针对不同腐蚀部位，会采用不同防腐措施。大气区常采用涂层保护；浪溅区和水位变动区常采用重防蚀涂层或包覆防腐技术保护；水下区和泥下区常采用涂层和阴极保护联合保护或单独采用阴极保护。然而，上述防腐措施并非是一劳永逸的，由于其自身耐久性限制或环境变化，钢管桩防腐系统在服役过程中常会出现不满足使用要求的情况。其中，钢管桩涂层破损是最常见的问题。针对涂层破损可采用重新涂覆涂料[2]或包覆防腐[3]等方式修复，在一定条件下，均能达到良好的效果。本文将详细阐述海港码头钢管桩防腐蚀维护技术，并结合典型案例介绍防腐系统维护的基本过程和实际效果。
海港码头钢管桩防腐蚀维护的基本流程见图1。在日常管理中，根据钢管桩防腐系统的设计、施工、维护等资料明确基础数据，提出检测评估方案。然后，根据常规检测结果，判断钢管桩及防腐涂层、阴极保护系统等防腐措施是否处于正常状态。当未发现异常时，将检测记录作为钢管桩管理档案的一部分保存，作为基础数据。当发现异常时，若异常原因明确，则根据异常程度进行局部修复或整体更新。当异常原因不明时，应通过详细检测确定防腐状况及异常原因，并根据异常程度进行局部修复或整体更新。最后，将局部修复或整体更新后防腐系统相关数据作为基础资料保存，并重复上述维护流程。
图1 海港码头钢管桩防腐蚀维护的基本流程
Fig.1Basic procedure for anticorrosive maintenance of steel pipe piles of seaport wharf
海港码头钢管桩防腐系统检测评估项目主要包括钢管桩耐久性和涂层、阴极保护、包覆防腐系统等防腐措施。按照检测项目频次和内容，码头钢管桩定期检测分为常规检测和详细检测。常规检测主要包括钢管桩外观、涂层外观和厚度、阳极使用环境、阴极保护电位、包覆防腐系统外观等。详细检测主要包括钢管桩剩余壁厚、钢管桩及涂层水下外观、阳极外观检查、阳极消耗量、外加电流系统电源及电缆使用状态、包覆防腐系统安装状况等。
2.1 钢管桩耐久性
钢管桩外观直观反映钢管桩腐蚀状况，据此可定位腐蚀较严重部位。壁厚是确保钢管桩承载力的关键，剩余厚度可用于评估承载力、腐蚀速率和使用年限。外观检查采取目测、尺量、锤击、摄像等方法。外观检查针对不同腐蚀部位开展，内容包括：1）腐蚀位置、面积和分布情况；2）集中锈蚀、点蚀情况；3）外力引起的损伤情况[4]。剩余壁厚采用超声波测厚法检测，选择腐蚀较严重或应力集中的部位进行。根据剩余壁厚，计算不同腐蚀区带的腐蚀速率和使用年限，结合承载能力评估结果，对钢管桩耐久性状况评估和分级，并明确处理要求。
2.2 防腐涂层
涂层外观直观反映涂层劣化状况和程度，据此可定位涂层缺陷部位，结合施工工艺、环境特点等还可分析涂层缺陷出现原因，为采取处理措施提供参考。涂层厚度与防腐效果密切相关，厚度过薄达不到相应保护效果，厚度过厚可能出现内聚破坏。涂层附着力表征涂层与钢管桩基体结合作用的强弱。因此，涂层检测评估项目主要有涂层外观、涂层厚度和附着力。涂层外观采用目视法检查劣化外观，即检查是否存在粉化、变色、起泡、裂纹、脱落等缺陷。涂层厚度采用磁性测厚法。涂层附着力常采用拉开法。基于上述检测结果，按照相关规定对涂层劣化程度进行评估分级，并明确处理要求。
2.3 阴极保护系统
牺牲阳极系统检测评估主要包括使用环境、保护电位、安装状况、输出电流、残余尺寸及消耗量等。外加电流系统检测评估主要包括使用环境、保护电位、直流电源状况、辅助阳极输出电流、参比电极及辅助阳极安装状况，以及电缆连接和使用状况等。保护电位表征阴极保护效果，建议每年检测，其他项目根据保护电位检测结果或系统运行状况确定检测计划。
2.4 包覆防腐系统
包覆防腐技术在老码头钢管桩涂层修复发挥了显著作用[3]。与其他防腐措施一样，包覆系统在服役过程中也会出现劣化或破损等现象，也需要定期检测评估。包覆防腐系统检测评估项目主要包括表观破损情况、紧固件安装状态、与桩帽的衔接状况、腐蚀挂片状况等。
3.1 钢管桩基体
钢管桩不同腐蚀部位的腐蚀程度不尽相同，以浪溅区和水位变动区腐蚀最为严重。海洋环境下，钢管桩局部腐蚀速度远大于均匀腐蚀，可达均匀腐蚀的5~10倍[1]，严重局部腐蚀时甚至会发生腐蚀穿孔或应力集中[5]。在钢管桩设计时，一般会考虑腐蚀裕量，但由于局部腐蚀风险的存在，仅依靠腐蚀裕量是完全不够的。目前，新建海港码头的钢管桩都会采用防腐措施，因此钢管桩腐蚀主要是防腐系统失效造成的。针对该问题，应及时采取防腐修复或更新措施，以免造成更严重的腐蚀破坏。针对严重减薄、腐蚀穿孔等极严重的腐蚀现象，除防腐修复或更新外，还应对结构补强[6]，以满足耐久性和安全性要求。
3.2 防腐涂层
局部涂层破损是海港码头钢管桩普遍存在的问题。局部破损一旦发生，破损区域在海洋腐蚀作用下还将逐步扩大，造成更大面积的涂层破坏，引起局部腐蚀。局部破损通常是由于打桩、运输或服役过程中外力碰撞或冲击等造成的。由于自身耐久性限制，涂层使用过程中也会逐步劣化，出现粉化、起泡、裂纹、变色、脱落生锈、涂层减薄或附着力不足等问题。涂层劣化等级为B时，应及时局部修复；劣化等级为C时，应立即修复，必要时全面更新；劣化等级为D时，应清除劣化涂层，全面更新涂层[4]。
大气区的涂层破损，可采用重新涂覆涂料方式修复[2]。一般而言，只要涂料选择合理、质量合格、施工控制严格，基本能达到良好的效果。水下区的涂层破损，可用阴极保护弥补，腐蚀可得到相应程度的抑制，但需关注阴极保护状况。浪溅区和水位变动区长期处于潮湿状况且伴有海浪，普通涂料很难使用。近些年，新开发的水下涂料，受施工条件限制，质量控制困难，效果不尽理想。包覆防腐系统具有施工简便、绿色环保、可带水施工、长效防腐等优点，可有效解决浪溅区和水位变动区的涂层修复问题。
3.3 阴极保护系统
阴极保护系统结构和组成复杂，故出现的问题也更多。牺牲阳极系统常出现保护电位不足、发生电流异常、剩余寿命不足、局部不均匀溶解、阳极脱落缺失、连接件松动、被海泥掩埋、被海生物覆盖等问题。外加电流系统常出现保护电位不足、过保护、电源故障、电缆短路或断路、线路绝缘不足、参比电极及辅助阳极脱落或失效、回路及接地电阻异常等问题。
保护电位不足是根本问题，需首先检测确认。保护电位不足说明阴极保护系统异常，应及时详细检测，查找原因，此时会发现其他问题。当查明原因后，应立即采取处理措施，及早恢复阴极保护功能。例如：牺牲阳极脱落时，应及时补充阳极；当电源故障时，应及时修复排除故障或更换等。此外，对外加电流系统而言，过保护危害性大，需严格控制。
3.4 复层矿脂包覆防腐系统
复层矿脂包覆防腐系统在服役过程中的常见问题有紧固件脱落、表观破损、下部褶皱、矿脂带外露、系统整体下滑、与桩帽密封不良、接缝处密封不良、护甲老化等。针对上述不同问题，需要及时采取相应的措施（如修补、更换等），尽早使系统恢复最佳状态，以免出现更严重的后果。另外，针对服役过程中因人为因素造成的破损，应当加强管理尽量避免。
4.1 工程概况
某海港码头为桩基墩台式结构，总长938 m，基础桩采用直径为1 000 mm钢管桩，材质Q345，数量380根。钢管桩采用改性聚氨酯涂层保护，水位变动区设计厚度1 000 μm，水下区设计厚度600 μm，设计保护年限为30 a，该码头于2004年竣工投入使用。
4.2 钢管桩防腐蚀系统的检测评估
2009年检测发现，部分钢管桩水位变动区和水下区涂层出现严重脱落生锈。脱落生锈总面积远大于钢管桩总涂层面积的1%，少量钢管桩的涂层脱落面积甚至达到了70%以上，涂层脱落面积大于整桩涂层面积10%的钢管桩超过了总桩数的30%。图2为钢管桩涂层的脱落情况。某些涂层呈现鼓泡、裂纹等形式，虽未脱落但已完全丧失附着力。图3为钢管桩涂层附着力失效的情况。
钢管桩涂层平均厚度为890 μm，不足设计厚度的90%。水下探查显示，水下涂层同样也存在破损现象。根据检测结果可知，涂层劣化评估等级为D级，应当立即进行全面修补。涂层使用5 a已全面失效，从表面处理、涂料选型和质量、涂装质量、使用环境条件等方面分析如下。
图2 钢管桩涂层的脱落情况
Fig.2Coating shedding of the steel pipe pile
图3 钢管桩涂层附着力失效的情况
Fig.3Adhesive failure of the coating for the steel pipe pile
1）表面处理：清除部分涂层时发现表面有银灰色金属光泽，可见表面处理不合格的可能性较小。2）涂料选型和质量：改性聚氨酯涂料防腐性能良好，且完好部分的附着力满足规范要求，可见产品选型和质量有保证。3）施工质量：温度、湿度、风尘或涂料配置、搅拌、熟化、涂装间隔等对涂层质量影响大。本码头钢管桩涂装在野外作业，温度和湿度不可控，对施工队伍要求较高。但无记录和资料证明施工队伍严格按照涂料技术说明书或规范要求施工，分析认为施工出现问题的可能性较大。4）使用环境条件：同港口其他码头涂层未出现大面积失效情况，可见与码头使用环境条件无直接关系。综上，涂层全面失效可能与施工质量有关。
4.3 钢管桩防腐蚀系统的新建
水位变动区采用重新涂覆涂料方式时，施工质量控制困难，因此采用包覆防腐技术对水位变动区的失效涂层进行修复。该码头前期未采用阴极保护，而水下区涂层又出现了破损，因此对水下区及海泥区采用更为有效的阴极保护技术保护。综上所述，钢管桩涂层修复采用包覆防腐+阴极保护的方式，包覆防腐采用复层矿脂包覆防腐系统，阴极保护采用牺牲阳极系统。复层矿脂包覆防腐系统由防蚀膏、防蚀带、高密度聚乙烯护甲和紧固件组成。防蚀膏厚度通常在180~250 μm，防蚀带及防蚀护甲的厚度都不小于2 000 μm。包覆防腐系统的设计保护年限为30 a。包覆防腐系统的施工工艺为：前期准备→表面处理→涂抹防蚀膏→缠绕防蚀带→安装防蚀护甲。钢管桩新建防腐系统于2010年竣工验收通过，并投入使用。
4.4 钢管桩新建防腐蚀系统的维护
码头维护管理部门对新建防腐蚀系统制定了详细的维护方案，会定期对防腐蚀系统进行检测评估，并据此及时采取处理措施。2011—2016年，每年进行1次检测，结果表明，牺牲阳极阴极保护电位处在-0.80~-1.05 V之间，说明牺牲阳极运行正常，对钢管桩起到了良好保护。水下超声测厚结果显示，钢管桩剩余壁厚与2010年检测的基础数据基本相当，说明钢管桩水下区未发生腐蚀减薄，从侧面证明了阴极保护的效果。检测还发现，包覆防腐系统出现了局部破损现象，见图4。分析认为，局部破损是由于外力作用所致，可能与码头下方渔船作业有关。针对上述问题，码头管理部门及时对破损的包覆系统进行了更换，并加强了管理，严禁非必要船只在码头下方出现。如确有作业需要，应对船只进行处理，尽量避免外力造成包覆防腐系统的破坏。后续检测发现，通过严格的维护管理，码头钢管桩防腐蚀系统运行状态良好，钢管桩壁厚和外观始终处于较好的状态。
图4 复层矿脂包覆防腐系统的局部破损
Fig.4Local breakage for the covering anticorrosive system of multilayer petrolatum
钢管桩防腐蚀系统在海洋环境中服役时，受众多因素的影响，会发生劣化或失效现象，影响结构耐久性和安全性，因此有必要进行防腐蚀维护。钢管桩的防腐蚀维护是一个复杂的系统工程，包括基础资料收集、定期检测评估、发现异常后的详细检测评估、防腐蚀修复或更新等过程。科学有效的防腐蚀维护不仅可延长钢管桩防腐蚀系统的使用寿命，节约后期维护成本，而且对于保障海港码头的安全性、使用性和耐久性有着重要意义。
参考文献：
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Anticorrosion maintenance technology and its application for steel pipe piles of seaport wharf
MA Yue,ZHANG Wen-feng,CHEN Tao,LIU Kai,MA Hua-xiong,LI Yun-fei
（CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin Port Engineering Quality Testing Center,Tianjin 300222,China）
Abstract：To deal with harsh marine environment,appropriate anticorrosive measures for steel pipe piles of seaport wharf must be taken.However,during the service process,different levels and types of failures in the anticorrosion system for steel pipe piles of seaport wharf are inevitable due to the limitation of durability for the anticorrosion system and influence of the marine environment.The failures are in relation to security,applicability and durability of the seaport wharf.As a result,the regular maintenance for the anticorrosion system is highly required.In this paper,we introduced the basic steps for the anticorrosion maintenance,which includes basic data collection,regular inspection and evaluation,particular inspection and evaluation after discovering abnormality,anticorrosive repair and renewal,etc.And then,a typical case for anticorrosion maintenance is put forward to elaborate the basic process and actual effect of the anticorrosion maintenance.
Key words：seaport wharf;steel pipe piles;anticorrosion;detection;evaluation;maintenance technology 0引言
中图分类号：U656.114
文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2017）08-0005-05
doi：10.7640/zggwjs201708002
收稿日期：2017-04-14
修回日期：2017-05-28
作者简介：马悦（1983—），女，天津市人，工程师，主要从事港口腐蚀研究与防护工作。E-mail：215784044@qq.com
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