港珠澳大桥防腐蚀监测方案

港珠澳大桥主体工程桥梁工程土建工程施工CB03 合同段青州航道桥复合桩钢管及承台、墩身钢筋腐蚀监控方案中交一航局二公局联合体港珠澳大桥桥梁工程 CB03 标项目经理部二一二年十二月1港珠澳大桥主体工程桥梁工程土建工程施工CB03 合同段青州航道桥复合桩钢管及承台、墩身钢筋腐蚀监控方案编制： 日期： 2012.12.28 复核： 日期： 2012.12.28 审核： 日期： 2012.12.28 审批： 日期： 2012.12.28 2目 录1、编制依据 .32、概述 .33、腐蚀监控设备及材料 .44 监控分包、目标及内容 .44.1 监控分包 44.2 监控的目标 54.3 监测内容 55 监测系统主要组成部分 .65.1 钢管腐蚀监测探头 65.2 监测装置 65.3 远程传输装置 75.4 远程控制终端 76 腐蚀监控系统的安装 .86.1 钢管监测探头的安装 86.2 探头及电缆完整性测试 96.3 混凝土中监测探头的安装 96.4 GPRS 天线的安装 106.5 监测仪器 ECI-1 综合腐蚀监测仪安装 .107 数据终端系统的数据分析 .108 运行管理 .119 ECI1 的埋入式腐蚀监测系统 1110 施工图纸 1431、编制依据（1） 港珠澳大桥主体工程桥梁 DB01 标段施工图设计（2） 公路桥涵施工技术规范 （JTG/T F50-2011）（3） 施工现场考察及调查周边环境所了解的情况和收集的信息（4） 公司现有的技术装备、管理水平和类似工程的施工经验（5） 国家、交通部颁发的现行设计规范、施工规范、技术规程、质量检验评定标准及验收办法2、概述本方案依据港珠澳大桥主体工程桥梁 CB03 标青州航道桥施工图设计中对复合桩钢管和承台钢筋混凝土钢筋的腐蚀监控中的技术要求，为更好地了解监控对象的腐蚀情况，现对施工图纸中的监测技术方案进行细化，提高方案的可实施性，更全面地对监测部位进行评估，确保各监测内容和指标满足设计要求。概述如下：2.1.采用美国原装生产的 ECI 探头,该探头技术先进、性能稳定、具有多种监测功能，已经在青岛海湾大桥、广东南澳大桥等跨海大桥成功应用，在港珠澳大桥的曝晒区域监测系统中使用，综合腐蚀监控仪集各种探头信号收集、转换、发射为一体，系统终端自带数据库和分析软件功能，能够对传输来的信号进行处理和分析，实现监控系统高度集成化。2.2.钢管上安装的粉压型银/卤化银参比电极探头采用专有技术，该技术应用在军用深潜环境，具有良好的抗压性能，降低了银/卤化银参比电极探头在钢桩打设过程中损坏的可能性；探头本体均为银/卤化银压制，大大延长了探头在海泥和海水中的使用寿命。2.3.钢管腐蚀监控探头电缆采用 PVDF/HMPE 耐海水专用电缆，增加了电缆长期在海泥和海水等腐蚀介质中长期工作的可靠性；考虑到信号传输衰减和电缆机械强度的方面，所有探头信号电缆截面积均增加为 2.5mm2。2.4.考虑到工程的可实施性和系统运行可靠性，常用数据发送方式采用无线通讯(GPRS)模式将数据传输至控制终端同时也具备在特殊环境下人工采集数据模式。综合腐蚀监控仪的供电方式采用常规供电方式（380V/220V） 。2.5钢管探头保护壳采用四面流线型钢板罩保护，减少钢管打设过程中对探4头的阻力和压力。钢管探头电缆采用无缝钢管套管保护。3、腐蚀监控设备及材料编号 名称 数量 总套数 总量1 高纯锌参比电极探头（钢管） 12 个 2 24 个2粉压固态银/卤化银高纯锌参比电极探头（钢管） 12 个 2 24 个3 四电极电阻率探头（钢管） 6 个 2 12 个4ECI-1 埋入式腐蚀监测探头（钢筋混凝土） 8 个 2 16 个5 ECI-1 综合腐蚀监测仪组件 1 台 2 2 台6 电阻测试仪 1 台 1 1 台7 钢制护线套管 62 米 2 124 米8 探头保护盒 6 个 2 12 个9 临时接线盒 1 个 2 2 个10 导向头 1 个 2 2 个11 钢桩探头电缆 PVDF/HMPE4X2.5mm2 550 米 2 1100 米12 馈电电缆 VV-1KV/ 1X10mm2 150 米 2 300 米13 探头电缆 VV-1KV/4X2.5mm2 950 米 2 1900 米14 探头电缆 VV-1KV/3X2.5mm2 600 米 7 4200 米15 电源电缆 VV-1KV/3X4+1X2.5 mm2 20 米 2 40 米16 远程控制终端 1 台 1 1 台17 环氧树脂 50 公斤 2 350 公斤18 30PVC 套管 160 米 2 1400 米19 100PVC 套管 70 米 2 140 米20 30 热缩套 3 米 2 6 米4 监控分包、目标及内容4.1 监控分包根据港珠澳大桥主体工程桥梁工程合同文件（CB03 合同段）相关要求，钢管桩及混凝土钢筋腐蚀监测采用专业分包形式完成。经过对相关单位的考察，综合考虑专业分包人的资质条件、业绩、财务能力、设备等实际情况，并从经济性角5度出发，本合同段青州航道桥腐蚀监控拟分包给青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，并按照管理制度相关要求将分包合同报管理局备案。4.2 监控的目标根据目前国内外大桥钢管桩的腐蚀防护方法和近年来有关钢管桩的腐蚀防护研究工作及实施经验，对钢管复合桩的钢管（以下简称“钢管” ）采用涂层+阴极保护的联合防护方法：使用前对钢管进行工厂化内外壁高性能环氧涂层涂敷，使用后实施牺牲阳极方式的阴极保护。前 70 年以高性能涂层为主、牺牲阳极阴极保护为辅的联合防护进行复式控制，后 50 年以牺牲阳极保护为主、高性能涂层为辅的方式保证其耐久性。为了有效地获取钢管保护状况，需要采用监/检测探头来获取钢管材料的腐蚀状态。对钢管的阴极保护，也需要检测保护参数及时了解钢管保护状态和牺牲阳极消耗和电流输出情况。数据的采集将通过智能化数据采集系统和无线通讯模式将数据传输至控制终端和现场采集的方式。对于混凝土中钢筋的腐蚀状况，主要通过监测混凝土的腐蚀环境参数和钢筋的腐蚀速率，计算和评估钢筋腐蚀状态，为混凝土的耐久性提供依据。4.3 监测内容本项目的监测系统包括对阴极保护系统的监测和腐蚀监测两部分，腐蚀监测包括对材料本身腐蚀状况的监测和对材料周围环境的监测，监测内容如下：4.3.1 阴极保护参数保护电位，用以全面评价阴极保护效果和钢桩的使用寿命。阳极发射电流，用以判定阳极消耗情况和推算阳极寿命：在有效保护时间内，被保护钢管桩的保护电位为-0.75-1.00V（相对于银/氯化银参比电极） 。牺牲阳极消耗量满足阴极保护有效保护年限要求。通过监测牺牲阳极发射电流估算阳极消耗情况。阴极保护电位测量应沿钢管桩测量（从桩尖到桩顶分别测量） 。阴极保护监测和相应的承台与墩身中钢结构的腐蚀监测在同一支撑平台进行，监测系统采集速率为 1 组/12h。4.3.2 材料腐蚀情况钢筋在混凝土中腐蚀速率。64.3.3 周围环境的腐蚀参数包括：钢管处于不同深度的海泥和海水电阻率，钢筋混凝土中钢筋位于海泥、海水潮差、大气等不同环境中的电阻率。5 监测系统主要组成部分监测系统主要组成部分工艺图图 5-1 参数监测系统工艺图5.1 钢管腐蚀监测探头 高纯锌参比电极探头、银/卤化银（军品固态）参比电极探头（在钢管中使用 PVDF/HMPE4X2.5mm2电缆、在混凝土中使用 VV 1KV/4X2.5mm2电缆）、四电极电阻率探头（在钢管中使用 PVDF/HMPE4X2.5mm2电缆、在混凝土中使用 VV 1KV/4X2.5mm2电缆） ；钢筋混凝土监测探头：ECI-1 埋入式腐蚀监测探头（VV 1KV/3X2.5mm2电缆）（ECI-1 腐蚀监测系统详见附件功能介绍） 。5.2 监测装置对各种探头传输的阴极保护和腐蚀数据进行采集和监测信号的数字化转换，监测装置组件由下列几部分组成：电阻率测试仪、ECI-1 综合腐蚀监测仪（图 5-2） 、接线箱（图 5-3） 、标准电阻和断路器、发射器等。钢管监测探头 ECI 探头电源 数据采集系统GPRS 远程传输调制解调器终端机测试系统控制软件腐蚀评估软件7图 5-2 ECI-1 综合腐蚀监测仪图 5-3 接线箱5.2.1 ECI-1 综合腐蚀监测仪包括高性能电位传感器、多通道数据采集器、供电模块、GPRS 数据通讯设备和水密防护壳等。采用的 Campbell CR1000 数据采集器可以在恶劣环境条件下进行精确测量，一般由测量、控制模块和一个可分离配线板组成。CR1000 数据采集器标准操作温度范围为-25+50，安装在内置干燥剂的防护机箱内，以防止湿气或者其它污染物。CR1000 数据采集器拥有最大 4M 的内存，并以表格形式存储数据，其自身的 BASIC-like 程序语言可以支持数据处理和分析程序。数据的程序定时采集（可预定数据采集的时间间隔）和实时监控（随时监测）等功能都是由配套专门软件 LoggerNet 软件来实现的。5.3 远程传输装置由于 ECI 输出数据前，就已经是数字信号了，所以它可以采用所有数字信号远程传输的手段来进行通讯。远程传输采用 GPRS（通用无线分组业务）方式，是一种采用分组交换技术传输高速、低速数据及信令的高效率数据传输方式，利用8中国移动公网资源，适用于间断的、突发性的和频繁的数据传输，具有双向传输、传输时延小，系统响应快、安全可靠性高等特点。在特殊情况下可以采用人工方式对现场采集仪内存储的数据进行采集。5.4 远程控制终端发出控制指令，接受远程传输数据，存储处理数据，对数据进行分析和评判。6 腐蚀监控系统的安装6.1 钢管监测探头的安装考虑到钢管复合桩在打桩完成后钻头将由钢管内深入下钻，将可能对安装在钢管内壁的探头组合电缆线管造成损坏,因此采用探头和电缆线管在钢管外表面安装的方式。为了避免安装在钢管上的探头在打桩过程中受到冲击、海泥的挤压等造成机械损伤，探头电缆采用无缝钢管钢套管进行保护，套管表面涂环氧富锌底漆二道、环氧云铁漆一道、聚氨酯面漆二道，总干膜厚度不小于 120um。钢制探头保护盒长 500mm，宽度为 270mm,高度为 111mm,板厚 1016mm。保护盒前后两端安装有 U 型管，方便与钢制套管的连接，在保护盒四面增设斜板方便在下桩过程中减少海泥的阻力，防止保护盒破损。每个保护盒内安装 2 套高纯锌探头、2 套银/氯化银参比探头、1 套四电极电阻率探头。在钢管涂装完成后在钢管加工厂内进行探头安装，监测探头沿钢管自下而上分别安装，测量点间隔 10 米左右（具体尺寸以图纸标注为准） ，每根钢管安装 6组探头对桩底到桩顶的监测，安装位置满足设计要求。按照 6 个保护盒和 1 个接线盒分别为-58.6 米、-47.6 米、-36.6 米、-25.6 米、-14.6 米、 -4.6 米、2.5 米位置在钢管上预留保护盒长度的距离，钢套管按照图纸要求摆放焊接，每隔 0.5 米套管与钢管焊接一段，每段焊缝不小于 10cm，套管两面均焊接。在套管焊接完成后，由钢管底部第一组探头保护盒开始安装，将电缆由套管穿入到第二个保护盒位置穿出，保护盒 U 型口压在套管端口后焊接在钢管表面，底座四面满焊，焊角高度 6mm。由已穿电缆套管口部灌注环氧树脂密封。其余保护盒依以上方式安装。在钢管顶+2.5 米处安装临时储线盒，储线盒于穿线管通过护套相连接，监测9探头内的电缆线头临时放置在储线盒内，对应不同位置的探头电缆末端进行逐一标识，并保证标识浸泡后不脱落。在第一个探头保护盒朝向钢管底部方向 5cm 位置安装导向头，导向头四面满焊，焊角高度 6mm。在整个安装工作完成后，采用环氧树脂对焊缝和涂料破损位置进行补涂。钢管内探头电缆采用耐海水型 PVDF/HMPE 电缆，为了保证电缆机械强度和降低电阻电缆铜芯截面采用 2.5mm2。在馈电电缆电连接后，临时储线盒可去除，取出监控探头 PVDF/HMPE 电缆与在混凝土中使用的 VV 电缆连接，电缆连接采用铜管压接后，测量接头处电缆和承台顶部预制探头电缆的阻值，在 VV 电缆端头依照 PVDF/HMPE 电缆作永久性标示后外套100PVC 套管。6.2 探头及电缆完整性测试（1）钢管上探头安装完成后，可用数字万用表分别测试各个探头与相应连接电缆的阻值，应处于导通状态。（2）钢管在打桩完成后，可通过钢管顶部位置的探头电缆测试完整性，测试方法如下：高纯锌和银/卤化银探头电位测试应显示钢管自然腐蚀状态。四电极和三电极探头完整性可使用上述探头测试该探头电极的自然电位。如以上数值能够顺利检测，证明探头及电缆处于完好状态。6.3 混凝土中监测探头的安装按照钢筋在混凝土中的分布位置，选择处于海水、潮差、空气中的混凝土区域，分别测量其中的钢构件的腐蚀状态,采用 ECI-1 埋入式腐蚀监测探头实现对钢筋混凝土各种参数的提取，在海水、潮差区域各埋设 3 套探头，在空气区域埋设2 套探头。外侧探头安装在钢筋层外侧，依次向内侧安装，探头距离 7cm，探头根据每根钢管标高采用不锈钢丝固定在承台、墩身钢筋上，探头电缆外套30PVC 套管沿钢筋与钢管电缆套管汇合，电缆套管每隔 1 米用不锈钢丝与钢筋捆扎固定，各种探头电缆沿套管到达墩身顶部与腐蚀监控仪连接。10图 6-1 ECI-1 埋入式腐蚀监测探头安装图6.4 GPRS 天线的安装GPRS 发射天线安装在墩顶外边缘支架上， ECI-1 综合腐蚀监测仪数据发射电缆由墩顶预埋套管伸出到墩顶外边缘与天线电缆连接。6.5 监测仪器 ECI-1 综合腐蚀监测仪安装接线箱为铝合金材质，防护等级 IP45，接线箱安装在索塔顶部。各种探头测试电缆由箱体底部锁头进入接线箱与各接线排连接，ECI-1 综合腐蚀监测仪安装在接线箱内部，不仅能够防止腐蚀介质的腐蚀也方便接线。供电电源采用在监控仪附近预留 220V/380V 电源供电。7 数据终端系统的数据分析数据采集器采集、存储各种数据后，采用 GPRS 无线传输或有线传输方式通过配套 LoggerNet 软件来实现的。LoggerNet 软件操作界面见下图：图 7-1 LoggerNet 软件操作界面通过 ECI-1 综合腐蚀监测仪的电位、阳极电流监测功能，可以实时和程序定11时得到不同标高泥下腐蚀环境中钢管的自然腐蚀电位、阴极极化电位和极化幅度，从而及时地评估钢管阴极保护的效果。监测数据可以通过表格或做出如下类似曲线图供直观的比较、评估，如图 7-2 所示。80160240320404805606407208080-120-10-80-60-40-200CP onpotenial ofrebar /mV vs. Ag/Cl t /h 12 34 56 78 9图 7-2 不同潮位高度钢桩的自然腐蚀电位可以测得多种与混凝土中钢筋腐蚀相关的电化学信息参数值（自腐蚀电位、极化电阻、混凝土电导率、氯离子浓度和温度，软件界面如图 7-3 所示）,通过分析这些参数的变化来综合地评价钢筋锈蚀的情况，相对于使用极化电阻或某个单独的参数来表征钢筋腐蚀的监测技术而言，能够更加全面地反映混凝土中钢筋的腐蚀环境和腐蚀状态，图 7-3 钢筋混凝土腐蚀评估软件主菜单8 运行管理在腐蚀监控系统和牺牲阳极组安装完成后，对腐蚀监控系统进行运行调试并对业主管理人员进行操作培训。在缺陷保修期结束前，每年一次对采集到的数据进行分析并制作腐蚀监控报告，详细分析评估腐蚀状况和保护效果，对需要采取的维护方法提出建议。129 ECI1 的埋入式腐蚀监测系统ECI1 的埋入式腐蚀监测系统，利用埋入混凝土内的微型传感器来监测钢结构和钢筋锈蚀,它可以测得多种与钢筋腐蚀相关的电化学信息参数值（自腐蚀电位、极化电阻、混凝土电导率、氯离子浓度和温度，软件界面）,通过分析这些参数的变化来综合地评价钢筋锈蚀的情况，相对于使用极化电阻或某个单独的参数来表征钢筋腐蚀的监测技术而言，能够更加全面地反映混凝土中钢筋的腐蚀环境和腐蚀状态，因此其结果具有更高的可信度。该装置通过外接的数据采集器进行数字信号通讯，存储在数据采集器内的监测信息可以用便携式电脑在现场直接下载或通过无线网络技术（GSM 或 GPRS）远程回收或浏览数据，并且可以远程控制检测，能够大大减少现场的工作量，是一种自动化程度很高的腐蚀监测技术。该项技术已经在美国、中国（ZL018 17859.6）等多个国家和地区申请了专利保护。非常重要的一点是：该项技术已经获得了美国加利福尼亚交通管理局的检测（Evaluation of the VTI ECI-1 embedded corrosion instrument. FHWA / CA / TL-2003 /07/ECI-1, 2006. 1） ，获准在美国高速公路系统使用。在中国，先后在沈阳大伙房 PCCP（钢筋预应力混凝土管）输水工程和青岛海湾大桥主通航孔混凝土桥墩项目中率先采用埋入式 ECI-1 腐蚀监测系统，进行全天候、自动化的腐蚀监测。概括起来，ECI1 系统相对于传统的钢筋腐蚀监测方法，具有以下优点：系统免维护，是基于无损的检测/监测技术；多参数综合监测，对钢筋的腐蚀评判更加准确，可信度更高；获得的是数字信号，对电磁信号有极好的抗干扰能力；供电方式灵活，可以选用太阳能电池和可充电电池或交流电供电；有线/无线数据通讯方式任由