营口辽河特大桥主塔阴极保护施工技术
2017-03-20
1 概述
辽宁省滨海公路辽河特大桥起于营口市新兴大街以北，与营口市滨海公路对接，终点连接盘锦市滨海公路。路线全长4440米，其中桥梁全长3326米，主桥长866米，宽33米，主跨为436米，采用双塔双索面钢箱梁斜拉方案。
该桥梁混凝土防腐工程，主要为营口侧主塔塔座及高程+17.85米以下塔身钢筋混凝土结构表面，外加电流阴极防护施工。
2 阴极保护基本原理
阴极保护技术的基本原理是，对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化。当金属的单位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效的抑制。
3 阴极保护施工主要设备
阴极保护施工的主要设备有：变压整流器一台、远程监控系统一套，参比电极十个、电缆（6mm2）1942.259m、接线盒290套、遥测遥控系统3套、钛网阳极4608.27 m、钛导电条251.95 m、数字万用表2个、塑料卡子28750.92 m、PVC管Φ32：47.88 m、厚壁PVC管Φ50：606.5 m、PVC管Φ70：124 m、接线铜管290个。
4 混凝土阴极保护施工工艺
混凝土外加电流阴极保护工程主要施工工艺，包括被保护结构物钢筋的电性连接测量；网状阳极、钛导电条、负极连接、阳极电缆、负极电缆等工作回路的安装连接工作；参比电极、参比电极负极连接、参比电极电缆等检测回路的安装工作；两个电路的电路电连续性和电路是否短路进行测量；接线盒安装、电缆接线、变压整流器安装接线；系统调试验收等。
5 施工方案
5.1 系统构成
本项目阴极保护系统包括：钛网辅助阳极、钛导电条、塑料夹、参比电极、导电连接装置、变压整流器柜和电缆。
（1）MMO钛网阳极
采用MMO钛网阳极即混合金属氧化物（MMO）涂敷的带状钛基阳极，其性能符合《混凝土中钢筋的阴极保护》EN12696的规定，10mm宽，扩张厚度1.3mm，每卷76米，网孔尺寸2.5mm×4.6mm×0.6mm，每平方米额定输出电流110mA，使用寿命100年。使用用塑料夹来固定阳极，防止阳极和钢筋接触，将阳极和钢筋隔开，其安装间隔为30cm，保证阳极与钢筋最小距离2cm，能得到更大的电流分布面积。钛网阳极安装在表层钢筋和混凝土表面之间。
（2）钛导电条
钛导电条为工业纯钛制作，满足标准ASTM B265，本工程使用的钛导电条尺寸为12.7×0.9mm。导电条也安装在塑料夹上。
（3）参比电极
本工程选用永久性银/氯化银参比电极作为检测、监控用参比电极之一。实际工作寿命能达到20年。整个工程共需Ag/AgCl参比电极10个，每个分区2个。
同时，本工程还将采用钛参比电极，其尺寸为直径25毫米，长100毫米，并与电缆尾线自成一体。工作寿命为100年，由特殊的钛棒、碳化铁体产品、PVC、不锈钢连接物构成。
（4）导电连接装置
导电连接装置分两种，钢筋导电连接装置和阳极导电连接装置。钢筋导电连接装置是用来连接电缆和钢筋的装置。阳极导电连接装置及电缆和钛导电条的装置，电接头的一端伸出的软钢带与钢筋电焊在一起；另一端与电缆固定，同时外层使用环氧浇封。施工时防止在浇注混凝土时接头被破坏，过程中注意保护。安装过程中应用万用表检查钢筋和负极连接电缆间的电连续性。
（5）阴极保护电缆包括电源电缆、阳极电缆、阴极电缆和参比电极电缆。
电源电缆：为阴极保护系统供电的电缆，由大桥主体设计方提供供电回路接口，及电源电缆型号。
阳极电缆和阴极电缆：采用单股铜芯电缆，电缆护套应具有连好的绝缘、抗老化、耐腐蚀性能。
参比电极电缆应选用耐腐蚀和耐老化的屏蔽电缆，参比电极电缆应尽量远离动力电缆，其屏蔽层必须接地。
电缆设计时考虑25%的系统最大载流的富裕量，和125%最大系统输出电流的电压降。
经过综合考虑。本工程选用的阳极主电缆、阳极分电缆、阴极电缆、参比电极测量电缆、参比电极接地电缆。
（6）变压整流器
系统整体设计使用寿命为100年，变压整流器中有部分元件无法一次达到设计使用寿命，运行期对部分易损部件必然要进行更换。本工程将采用先进可靠的带无线遥测的变压整流器设备。
（7）远程控制单元
远程控制单元通过安装于变压整流器中的信号采集单元，收集钢筋保护电位数据以及变压整流器的工作参数，由控制电缆将收集到的信息传输到集中发射装置，通过终端计算机接收模块收集并处理各发射装置输出的数据，控制人员可以通过监控软件，监测系统工作情况，并可根据情况，发出相应的调整指令，构成了远程控制系统。
5.2验收标准
混凝土外加电流阴极预防保护系统参照《混凝土中钢筋的阴极保护》（欧洲标准EN12696-2000）进行验收；
对于任何暴露于大气中的结构，任何代表性的点应当满足下述其中任何一个标准。
（1）对于Ag/AgCI/0.5MKCI参比电极，瞬时关闭电压（在把直流电回路的开关开启后，在0.1秒和1秒之间测量），低于-720mV。
（2）24小时后，电压衰减大于100mV。
（3）在超过24小时或者更长时间的连续衰减以及使用参比电极（不是电压衰减感应器）条件下，电压衰减大于150mV。
在系统调试和运行期间，评估这个系统是否为钢筋提供设计寿命100年的保护环境，将依照欧洲规范中的标准定期进行性能评估。 在系统安装完成后，对系统进行调试和检测，直至符合验收标准。在工程完成后3个月提交评估报告。
6 施工方法
6.1被保护结构物钢筋的电性连接测量
被保护结构物钢筋的电性连接测量，若测量结果不符合规范规定，应该对不合格点所处位置进行补焊或增加绑扎点数。若是因为钢筋锈蚀造成，应进行除锈处理。
6.2工作回路安装
工作回路包括分离式阳极网状阳极、钛导电条、导电连接装置、电缆等安装。
网状阳极：网状阳极用于保护承台顶面、墩身、塔身，使用塑料卡及塑料扎带固定在钢筋上，并将塑料扎带尾部齐根剪断。剪断的塑料扎带尾部由施工人员收集集中处理，不得随意丢弃。
阳极网布置间距为30cm，实际现场施工时应该根据这一原则、分析现场钢筋分布规则进行合理安排，不可出现网状阳极带间距过大的情况。网状阳极带安装之前应该按照分区的长度合理下料，长度不够时使用点焊机连接网状阳极带。点焊机的使用要注意调整好电流和时间，保证焊接的强度和质量。可以在正式施工前使用网状阳极带料头进行几次试验找好规律，并在施工过程中不断调整。每个连接处需要有3个以上的有效焊接点。
阳极绑扎是要注意使网状阳极带本身受一定的拉力避免网状阳极带在两个塑料卡支撑点中央出现下垂而导致与钢筋距离较近造成近短路，更要避免图中的与钢筋间距小于2cm的情况。绑扎钢筋用的铅丝也要注意将扎丝头剪掉避免搭到阳极造成死短路。
钛导电条：钛导电条应使用工业纯钛制作，满足标准ASTM B265，钛导电条主要作用是将各阳极网带连接成导电整体，使电流分布更加均匀，其布置位置见施工图。导电条与网状阳极使用点焊机进行焊接连接，保证每个连接处至少有2个焊接点。
导电电连接装置：导电连接装置分两种，钢筋导电连接装置和阳极导电连接装置。钢筋导电连接装置是用来连接电缆和钢筋的装置，通常施工时使用铝热焊配合防火胶泥将电缆铜芯与钢筋焊接，焊接后用快干环氧将其密封。
阳极导电连接装置及电缆和钛导电条的装置，电接头的一端伸出的软钢带与钢筋电焊在一起，另一端与电缆固定。同时，外层使用环氧浇封。施工时防止在浇注混凝土时接头被破坏，过程中注意保护。安装过程中应用万用表检查钢筋和负极连接电缆间的电连续性。
6.3 监测回路安装
参比电极：将钛参比电极和银/氯化银型参比电极用混凝土浇注成一个整体，在将它们固定在测量位置的钢筋上。参比电极的电缆沿钢筋布置，延伸到混凝土结构外面。参比电极的外壁应完全被水泥材料封装，特别是参比电极的侧面和顶面。
参比电极回路连接头应该焊接到钢筋上，每一个参比电极应在50cm距离内安装一个参比电极负极回路接头。
参比电极负极回路接头施工形式同阳极的导电装置形式。
另外参比电极安装后带有尾线。因此，安装后需要将电缆按照施工图纸制定的位置进行敷设，同时做好电缆的保护工作。
6.5 混凝土浇注
混凝土浇注过程是决定系统能否成功的关键程序，应提前与混凝土浇注施工人员进行充分沟通，讲明注意事项，将浇筑过程中有可能出现的情况及处理的措施对施工人员进行交底。首先要避免施工人员活动对已安装完毕构件的损坏。混凝土浇注时避免混凝土直接冲击到构件。当使用振捣棒振捣时振捣棒远离安装构件，该过程配专人监控。
在专人现场目测控制的同时，视浇筑面积的大小分若干组使用12V直流电源和万用表，采用断电电位衰减的方法不断观测是否有短路情况发生。若有短路情况立即通知混凝土浇注人员停止浇筑，迅速找出问题出现位置迅速解决，不应由于该原因而长时间停止浇筑混凝土。
6.6 电缆头的保护
由于桥梁结构施工的工序特点，在承台或墩身、塔身施工结束后从结构中引出的电缆不能立刻接入接线箱或变压整流器，而是要经过一段时间。为防止在这段时间内电缆被有意或无意的破坏，应该对外露电缆进行临时的保护。具体保护措施可以根据现场的条件进行但必须做到电缆头的密封防水处理，避免电缆直接暴露于室外环境避免雨淋暴晒，避免受力拖曳。
6.7 接线盒安装电缆敷设等
当大桥上部结构施工结束后，将外露的各种电缆或预留接头汇集至各自的接线盒内进行连接，连接后使用环氧树脂进行密封。本工程的接线盒采用IP65，PVC或其它更好材质。接线盒固定在图纸规定位置。
电缆采用电缆套管和电缆桥架铺设两种形式，在不能使用大桥提供的电缆桥架的位置使用316L不锈钢材质的碰撞螺栓或预埋螺栓配合U型卡具固定PVC电缆套管进行穿线施工。在有电缆桥架位置则利用电缆桥架布置。两种布置形式都要注意电缆保留一定的松弛度，参比电极控制电缆尽量与动力电缆分开布置避免对信号产生干扰。
6.8 变压整流器安装
大桥主体结构完成后可以安装变压整流器。本工程共需1台整流器其施工应满足GB50254-96《电器装置安装工程 低压电器施工及验收规范》的有关规定。直流电源的交流输入端应安装外部切断开关，其金属外壳应妥善接地，接地电阻应小于4Ω。本工程直流电源设置有防腐蚀、防水、防累的钢外壳。另外，无线遥测系统集成在变压整流器内。
6.9 系统调试
系统调试依照欧洲标准EN 12696-2000第8节的规定。
初期调试时，一般施加一个相对较低的电流，一般为额定电流的10%～20%，使系统慢慢极化.记录下有关数据：
1）永久性参比电极和便携式参比电极测出的钢筋电位；
2）变压整流器的输出电压和输出电流。
经过7～28天的低电流密度初期极化后，进行全极化。
系统的保护电位一般不超过-1100mv（预应力钢筋不超过-900mv） 系统测试应满足下面的条件之一：
瞬间断开电位负于-720mv；
24小时电位衰减大于100 mv；
更长时间（超过24小时）电位衰减不小于150 mv。
7 结束语
大量的工程实践证明，对于腐蚀造成破坏的已建钢筋混凝土结构物，阴极保护是唯一有效的长期抚是控制的措施。本技术在辽河特大桥得到了成功运用，对同类型桥梁的斜拉索挂设施工有一定的参考价值。
参考文献：
（1）《辽宁省滨海公路辽河特大桥工程第1合同段施工图设计》
（2）《公路工程竣（交）工验收办法》（交通部2004年第3号令）
（3）《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）
（4）《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）
（5）《混凝土中钢筋的阴极保护》（EN 12696-2000）
