[原创] 某码头吊机墩钢桩阴极保护设计仿真应用案例分析

港工码头钢结构通常使用牺牲阳极阴极保护技术来作为一项主要的防腐手段，该技术在设计中传统上缺乏有效的评估手段，在遵循保守设计思想前提下，牺牲阳极的设计量往往会过大，这样会增加钢桩承重，增多焊接应力腐蚀风险，增大工程材料成本。仿真技术可以对设计方案准确评估，指导合理减少牺牲阳极设计量，在保证阴极保护效果的同时，避免不必要的浪费和风险。
仿真技术在阴极保护中的应用
阴极保护技术是一种行之有效的电化学防腐蚀手段，传统上在阴极保护设 计中通过确定一定数量的某规格阳极来提供阴极保护电流，以达到阴极极化的 目的，最后根据经验来确定阳极分布位置，但缺乏有效的设计效果评估手段。

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仿真技术通过计算机数值计算，并将计算结果以等势图形的方式输出到  3D模型上面展示，准确形象地表现阴极保护设计效果，从而让设计人员对现 方案有效评估，对改进方案有效验证，最终形成较优方案。

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案例应用背景简介
某码头由引桥、工装塔筒墩、超起配重墩、 环梁墩、人行桥墩、吊机墩等组成，其中吊 机墩承重采用21根直径为1200毫米钢管桩支 撑，桩长80米，阴保设计水平面基本在吊机 墩承台下沿，设计高度15米。防腐手段采用 重防腐涂料+牺牲阳极阴极保护。

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阴极保护设计
依据标准：

• JTS153-3-2007
• GB/T4948-2002  
• DNV-RP-B401-2011

采用的公式：

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设计方案：

1. 阴保设计高度为15米，10米海水+5米海泥。 采用铝-锌-铟-镁-钛高性能牺牲阳极。
2. 涂层：改性环氧玻璃鳞片底漆+丙烯酸聚氨酯面漆。 每桩间采用铜导线和螺纹钢双电连接。
3. 设计寿命20年。
4. 采用某规格港工和海洋工程设施阴极保护用牺牲阳极105块。
5. 牺牲阳极平均分布，布设高程范围：设计低水位1.2米以下 至天然泥面1米以上区域。

实际上：该设计方案根据仿真模拟的结果，采用相同规格港工和海洋工程设施阴极保护用牺牲阳极  84块即可满足工程需要。
阴极保护设计中的保守设计思想：

由于缺乏验证手段，为确保设计无误，在牺牲阳极数量 上一般采取保守思想，计算参数尽量取大，本方案原设 计牺牲阳极数量取105块，就是过度保守的数量。那么， 能不能在可靠的情况下减少保守设计量呢？

仿真方法可以将设计方案形象地展示在计算机上，并预测设 计寿命之内的阴极保护效果变化情况。以此作为验证手段， 可以减少保守设计量，得到较优设计方案，为桩体减重，为 建设方减少成本。

设计方案模型建立

介质环境的电阻率是影响电流密度的重要因素，塔桩会经过海 水区到黏土区等不同电阻率的区域，介质电阻率变大，仿真计 算可以将这种变化考虑在内。但受制于环境，该方案阴极保护 评价范围是海水区+部分海泥区（15米）。

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原设计阴极保护初期仿真评价

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原设计阴极保护末期仿真评价

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新设计阴极保护初期仿真评价

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新设计阴极保护末期仿真评价

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图表分析

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由以上两图表可以看出：

• 新设计在设计寿命的全周期内都能对保护评价区域内钢桩形成有效的阴极保护。
• 原设计并没有因为阳极数量多而起到更好地效果，反而会使钢桩表面电位梯度变大。
• 新设计是较优设计方案。

对比-结论

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HSE分析

1. 牺牲阳极属于非环境友好型材料，过量使用会对环境造成污染，降低使用量，是顺应保护环境趋势 的必要举措，同时也是配合愈发严厉环保政策的积极行动。
2. 牺牲阳极的安装基本采用焊接的方式，每一道焊缝都会在钢结构中形成内应力，增加安全风险，裁 撤不必要的牺牲阳极使用量，是增加钢桩结构的安全性的必要之举。
3. 牺牲阳极数量的减少能节省一大笔开支，尤其是当钢桩数量达到数百根时，能节省几十万~几百万 的建设成本。

因此，在增加了阴极保护仿真技术评估手段后，可以大幅降低设计阶段内保守量，形成较优的设计方案。达到保护环境、降低风险、节省成本的目的。