使用20年岸壁式鋼板樁碼頭的腐蝕與破壞

                      朱錫昶 李巖 葛燕 沈靜

                     (南京水利科學研究院 南京 210029）

摘要：對鋼板樁岸壁式碼頭鋼筋混凝土胸墻破壞情況及水下鋼板樁腐蝕進行了檢測。結果表明，碼頭胸墻多處因船舶撞擊而破損，混凝土保護層嚴重剝落，鋼筋腐蝕嚴重；水下鋼板樁無大的變形和異位現象，鋼板粧平均腐蝕速度為0.039mm/a，錨錠結構無破壞，拉桿、連接件等無腐蝕。

1前言

1986年建于中國海南島的萬噸級泊位，采用岸壁式鋼板樁結構。多年的使用碼頭產生了混凝土破壞，鋼板柱腐蝕。通過對碼頭的破壞和腐蝕狀況調查和檢測進行相應的評價與分析，反映熱帶氣候岸壁式鋼板樁碼頭的腐蝕狀況和特點。

2工程概況

岸壁式鋼板樁碼頭長度為145.1m。港池水深為-9.0m，鋼板樁樁尖標高為-18.8m，碼頭斷面見圖1。

鋼板樁于1986年打入水中，采用日本 Nippon Steel Corporation產的 Mariner型鋼板樁，型號為FSP-ⅥL板樁斷面如圖2所示，鋼板樁的化學成分和機械性能如表1和表2所示。

碼頭地處熱帶海域，海域附近海水含鹽量平均為3.34%，最高為3.5%，最低為3.08%。碼頭附近風浪較大，沒有大型污染源，水質潔凈。

3 碼頭胸墻檢查

碼頭胸墻共分9段，單段長度均為15.97m。胸墻底標高為+1.30m，頂標高為+4.14m，高度為2.84m，寬1.35m 。胸墻主筋采用直徑14mm螺紋鋼，箍筋采用直徑12mm 圓鋼。胸墻混凝土采用原標號250#混凝土，混凝土保護層厚度碼頭正面為5m，其余位置均為4cm 。

檢查碼頭胸墻，沒發現有明顯的前傾和后仰，沒發現胸墻有明顯的不均勻沉降。后方的堆場同樣沒有發現明顯的沉降和塌陷。

胸墻兩處混凝土出現破壞。一處為長度為11.0m 高度為碼頭面向下90cm，見圖3；另一處長度12.6m，高度為碼頭面向下85cm，兩處破壞均是從胸墻上部的護輪坎開始，至胸墻二次現澆縫為止。

此外，胸墻混凝土保護層剝落面積較大的有兩處，保護層剝落儲鋼筋銹蝕嚴重，暴露的主筋和箍筋部分已經銹斷，見圖4。 

造成的碼頭上部結構明顯破壞的主要原因有：

根據碼頭風向玫瑰圖、波浪玫瑰圖和港口平面布置圖，泊位受到南北方向的風速和頻率以及波浪影響均較大，另外泊位正對港池口門，受波浪影響顯著。碼頭泊穩條件差，停靠的船舶在風浪的作用下連續不斷的撞擊碼頭胸墻破壞是碼頭上部結構破壞的主要因素。其次，橡膠護舷過早失落而又沒能及時增補是胸墻及護輪坎破損嚴重的另一重要因素。

4鋼板樁腐蝕檢測

碼頭所處位置，平均低潮位為+0.8m，胸墻底標高+ 1.3m，泥面標高-9.0m，鋼板樁樁尖標高-18.8nm。鋼板樁浪濺區被混凝土胸墻所覆蓋，只處于潮差區、海水全浸區和海泥區。鋼板樁處于潮差區長度0.5m，處于海水全浸區長度9.8m，處于海水海泥區長度9.8m。

4.1鋼板樁腐蝕的外觀狀況

潛水員水下檢查未發現鋼板樁鎖口有拉開或明顯的腐蝕破損現象。鋼板樁表面為海生物所覆蓋，海生物主要有牡蠣、藤壺、管棲蠕蟲、貽貝等。局部鏟除海生物后，在鋼板樁表面有一定厚度的銹蝕產物(圖5和圖6) 。

4.2鋼板樁自腐蝕電位

鋼板樁在不同高程位置的自腐蝕電位分別為：水面在-583mV--638mV(相對于海水Ag/AgCl電極，下同）之間，平均值為一602mV；水中在一589mV-634mV之間，平均值為-606mV；泥面在-590mV-648mV之間），平均值為-609mV。鋼板樁自腐蝕電位分布較均勻，鋼板樁處于未受任何保護的自然腐蝕狀態。

4.3鋼板樁垂直狀況

潛水員水下觀察、探摸鋼板樁在水下的變形狀況，未發現鋼板柱有前傾或后仰的狀況，也沒有發現鋼板樁在水中的中間位置有明顯的鼓肚現象。

在距泊位起始點95m、105mn和110m三個位置，抽樣測量鋼板樁的凸面在水面、水中和泥面置的變形情況，結果表明碼頭鋼板樁與海平面基本垂直，碼頭鋼板樁無明顯變形和異位現象。

44鋼板樁蝕余厚度

從泊位起始點開始，每間隔5m左右，分別在潮差區，全浸區和泥面以上區三個高程位置，采用水下超聲波測厚儀在鋼板樁的凸面、凹面和側面上測定鋼板樁的蝕余厚度。

表3為鋼板樁蝕不同區域腐蝕剩余厚度的測量結果和計算出的減薄量。

鋼板樁凸面和面原始厚度為27.6mm。不同高程位置蝕余厚度的平均值分別為：潮差區26.56mm，全浸區26.93mn ，泥面以上26.85mm。鋼板樁在不同高程位置蝕余厚度的平均值為26.78mm。

4.5 鋼板樁腐蝕速度

鋼板樁1986年入海，腐蝕時間按21年計十算。鋼板樁背水面埋在回填的沙土中，腐蝕輕微，腐蝕速度按單面計算。表4為不同位置鋼板樁的腐蝕速度。

  對海洋環境中同時處于海洋大氣區、浪濺區、潮差區、海水全浸區和海泥區的近海固定式鋼結構而言，浪濺區是腐蝕性最強的區域，下面依次是淺水區(潮差區)、泥面以上區和全浸區，檢測結果符合海洋鋼結構的腐蝕規律。

一般認為在海水環境中普通碳素鋼用失重法計算出的腐蝕速度為0.13mm/a，根據表4計算出的鋼板樁腐蝕速度小于該數值，其原因主要有：

(1) 熱帶海生物污損抑制了鋼板樁的腐蝕。水下潛水員檢查和水下照片都能充分說明，水下鋼板樁表面被厚厚的海生物所覆蓋。碳素結構鋼在海水自然環境中長期和短期暴露試驗數據表明，在污損覆蓋層發展之前的初始暴露時間，鋼腐蝕速度高達0.406mm/a，與污損期的長短、污損的類型和數量以及第一年暴露期間的腐蝕損失隨海區位置的不同有相當大的變化。暴露1a- 1.5a后，大部分試樣已被一層污損生物覆蓋，鋼的腐蝕減輕。這是由于它降低了含氧海水的流速并阻止氧向陰極部位擴散。當這層天然的保護層發展到很厚而足以排除金屬表面的氧時，其有益的保護作用會趨向平衡，得最終的穩態腐蝕速度。在正常的溫帶和熱帶海水中，在暴露一年后的穩態腐蝕速度一般為0.051mm/a~ 0.076mm/a，隨著時間延長和海生物的生長，腐蝕速度還會降低。檢測結果表明鋼板樁的腐蝕速度接近熱帶海水中穩態的腐蝕速度.

(2)碼頭鋼板樁采用日本產 Mariner低合金耐海水腐蝕鋼，該鋼種為美國1951年研制成功,1967年由日本引進生產。 Mariner鋼為半鎮靜鋼，低溫沖擊韌性不好，主要用于制作鋼板樁和鋼管樁。因含有Ni、Cu、P等元素，對浪濺區的耐蝕性能較好，具有點蝕少、銹層致密與基體結合牢固、靠近基體的銹層中有銅的富集、外層有鎳的富集等特點，耐腐蝕性能比普碳鋼提高2-3倍。在海水全浸區抗腐蝕作用不是十分明顯，但起到了一定降低腐蝕速度的作用。

(3)采用超聲波測厚法得到的蝕余厚度一般會大于取樣稱重法，因此采用超聲波測厚法得到的腐蝕速度會小于取樣稱重法得出的腐蝕速度。鋼板樁經多年的海水腐蝕，表面已不平整，超聲波測厚儀的測量探頭直徑達1cm，在遇到較大坑蝕或鋼板樁表面極不平整時，測出的數值是最高點的位置，測得的數值偏大，遇到腐蝕嚴重，在極不平整的地方需要更換測點位置，因而測得的數值也偏大。

5錨錠結構檢查

開挖了后方堆場下的錨錠結構，檢查混凝土錨錠墻和鋼拉桿及連接件。錨錠墻無變位情況，未受拉桿拉力出現破壞，因長期埋在沙土中，未發現混凝土保護層層裂、鋼筋銹蝕等情況。鋼拉桿及連接件表面采用熱瀝青和玻璃纖維布包覆，瀝青層已老化變脆，但包覆層仍基本完好，鋼拉桿及連接件表面無銹蝕。

6結語和建議

(1)泊位正對港池口門，受到風浪影響較大，泊穩條件差造成碼頭胸墻多處因船舶撞擊而破損，混凝土保護層嚴重剝落，暴露的鋼筋腐蝕嚴重，應采取有效的防撞措施，保證結構的安全運行。

(2)水下檢查鋼板樁未發現鎖口拉開和明顯的破壞現象。鋼板樁表面為海生物所覆蓋，去除海生物后板樁表面有一定厚度的銹蝕產物。

(3)鋼板樁在海水中裸露腐蝕21年，潮差區腐蝕速度的平均值0.050mm/a，全浸區0.032mm/a，泥面以上0.036mm/a，平均腐蝕速度為0.039mm/a。應對鋼板樁采取陰極保護措施，抑制鋼板樁腐蝕，延長其使用壽命。鋼板樁潮差區的腐蝕速度大于海水全浸區的腐蝕速度，陰極保護對該區的保護效果較差，為保證同壽命使用，碼頭設計時應將胸墻底標高盡量降至平均低潮位附近。

(4)錨錠結構基本完好，鋼拉桿、連接件等無腐蝕。

參考文獻

1] 海水中近60年鋼板樁的腐蝕狀況，朱錫昶、葛燕、朱雅仙，海洋工程,2003.2

2] HH Uhlig, Corrosion and Corrosion Control, 2nd Edition, 1971 p13

3] M Schumacher, Seawater corrosion handbook, noyes data corporation Park Ridge, New Jersey, u.s.a. 1979

4] 低合金耐蝕鋼一開發、發展及研究，(日)松島巖著，靳裕康譯，冶金工業出版社,2004，p242