管桩综合接地体综合电气阴极保护技术探讨

摘要:管桩常用于中高层建筑对其抗竖向及水平方向的荷载都要求较高,但管桩采用焊接及其接头的防腐问题是重要的安全问题,一直没找到理论与实际都行得通的办法,经过系统研究认为采用阴极保护是最有效的办法。又由于管桩在建筑中经常用作接地体,是使用中性接地电流进行外加电源保护电法保护技术之一的极好应用,因此将这些综合在一起,有很多需解决的问题。通过对这些问题的研究,不但从原理上解决了管桩本身心腐技术,而且其也进一步为雷电应用技术拓宽了视野。

Abstract: Pipe used in medium and high rising building, which have higher requirements to vertical and horizontal loads, but the pipe welding and corrosion of joints are important security issues, no feasible way on theory and practice, through systematic research, the use of cathodic protection is the most effective way. Because pipe is used as touchdown body in the construction, which is excellent application of additional electrical power protection technology using neutral grounding current, so these are integrated together and there are many problems to be solved. Through these studies, not only solve the heart corrosion problems of pipe itself, but also further broaden the horizon for lighting application technology.

关键词:管桩;防腐;接地;中性;电流;阴极保护;牺牲阳极

Key words: pipe;antisepsis;touchdown;neutral;current;cathodic protection;sacrificial anode

中图分类号:TU74 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0131-03

1管桩现状概述

1.1 管桩现状防护技术的问题管桩作为建筑桩基之一,由于其成桩质量及检测可靠,施工进度快且承载力高被广泛用于中高层建筑中。但由于管桩是工厂预制成形,对于超过成形桩长的地基需在现场驳接,驳接的办法就是焊接或卡接或粘接,并以电焊连接居多。众所周知,碳钢以铁为主要成分,铁在空气中、水中、在泥地中极易生锈。可以想象没有有效的防腐措施时,其桩基接头很难保证在泥土及水中经过若干年不腐烂断裂,对于建筑寿命要求使用期达70年以上的中高层建筑来说,如何能确保在地震或水平风荷载作用下,管桩这样的深基础牢牢嵌固至深层耐力层上而不倒便成了现实而又复杂的问题。

解决管桩的接桩桩头腐蚀与断裂问题,是摆在建筑专家面前头痛的问题:一、没有可借鉴的经验与理论。中国没有,国外也没有。日本在使用管桩方面有丰富的经验,但对于如何解决管桩问题,也显得非常牵强;二、现用一些防腐办法与措施就理论上也难自圆其说,也没有可靠的例证,所采用的办法无非是外涂防腐材料、改焊接为卡接、用硫磺胶泥粘或干脆采用不锈钢接头,更有人提出外加铁皮等办法,其实这些办法从理论上就经不起推敲;三、是管桩是重力打击进入土层的,施工过程中与周边土体有强裂的摩擦,再好的涂料也难保不破,而从理论上来讲,对于受防腐措保护的构件,只要有漏护的地方,其腐蚀会更快。

因此,对于大量使用管桩基础,如何解决防腐问题不但是关系广厦千万间安全使用问题,也是摆在建筑技术上不能不解决的迫切问题,本人从参加工作接触管桩时始就着力探索解决接头防腐问题。至此,我认为最好是采用电法保护,不但理论上是有完整的学科理论,而且在工程中也有大量的成功应用,只可惜没有用到管桩的防腐上来。因此本文就管桩金属接头如何采用电法防腐的原理及综合利用防雷接地体的办法与措施展开讨论,不但解决了管桩防腐问题的本身,籍此理论还可扩展到综合接地、中性电流应用、雷电应用、及节省牺牲阳极方面的研究。

1.2 地质微粒化学成分与金属化学作用分析土体为不稳定的导电体及特殊负荷装置,在不同条件下通电能力及机理不一样,进一步来讲与其地质组分环境三相有关,但从主要机理来言,除了静电传导以外,伴随着电位变化的主要是土体中的电离、电化及化电电相变化的表现形式。对于本文所讨论的阴极保护方面来看、电子与离子之间电荷交换离不开阴极所在的具体地理环境的考量,只有有效的金属阳离子的得电子的还原反应,方能给阴极以覆盖金属层的办法予以保护。

泥土为 固粒水及空气三相成分组成,水及空气很容易直接造成金属氧化腐蚀载体.固粒成分中,如从其原始成的机理而言是蒙脱石伊利石及高岭石,从微粒成分来讲,存在现有大部分金属成分的盐或离子,显然是构成金属构件生锈腐腐的重要电化腐朽因素。因此,从电化防腐方面着手寻找解决办法时,更应就某一环境条件下具体的金属离子或盐分,这样才能相对设计出采用牺牲阳极的所用阳极金属,这是在探究电法防腐技术时都需要引起注意到的问题。一般地层中,大到处主要存在如下的金属离子:

Al3+、Fe3+、H+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+

上述从左至右也是离子交换能力从强到弱的顺序,在后面的阴极及阳极选区用的金属时是必要参考电化指标。

2原电池与电解池原理

2.1 原电池原电池是化学能转化为电能的化电设备,对应极板上的金属活性决定了其阴阳极性,还原性强.容易得到电子和吸引阳离子,显阴极特性,外电路显正极;相反为阳极,外电路显负极。阴极(Cathode)是电化学反应的一个术语。指的是得电子的极,也就是发生还原反应的极。阴极总是与阳极( Anode )相对应而存在的。在原电池中,阴极是正极;电子由负极流向正极,电流由正极流向负极。溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极。

原电池极板的构成:主要是按金属活性组对:

a.活泼性不同的金属。活泼性强的金属就是负极――锌铜原电池,锌作负极,铜作正极;

b.金属和非金属(非金属必须能导电),金属是负极――锌锰干电池,锌作负极,石墨作正极;

c.金属与化合物,金属是负极――铅蓄电池,铅板作负极,二氧化铅作正极;

d.惰性电极,实质是氢为负极――氢氧燃料电池,电极均为铂。

2.2 电解池负极的构成电解池是电能转化为化学能的电化设备,先有电源决定了其正负极性,及对溶液中的阴阳离子吸附能力的极性,按同性相斥,异性相吸的原则决定吸附阳离子还原的为阴极,相反为阳极。阴极:与电源的负极相连。在阴极上发生还原反应的是溶液中的阳离子。当溶液中存在多种阳离子时,按金属活动性顺序,越不活泼的金属,其阳离子的氧化性越强,越容易被还原。在水溶液中,铝之前的金属的阳离子不可能被还原。

2.3 金属活性比较表(摘录)如表1所示。

2.4 原电池与电解池的共同阴极组成与述语对照如图1。

3工程防腐应用

工程中利用原电池原理对被保护的埋地金属构件作为阴极,选择在排在被保护极金属前面的金属为阳极,这就是牺牲阳极的保护法。

工程中利用电解池原理对被保护的埋地金属构件作为阴极(负),处加直流电源的方法是常用的电法保护另一种有并行措施。

在工程中不泛采取以上两种措施并用的保护办法,主要有外电源阴极保护为主,牺牲阳极保护为辅的电法保护。

但在建筑工程的桩基中仍无人应用这一技术。单从技术角度而言,无论采用外电源阴极保护为主还是牺牲阳极保护办法都是可行的,如果综合采用上述两种办法,不但在技术上更加可靠,而且也可以减少阳极金属的耗费。由于管桩结构构造的特殊性,在传统设计中总是将管桩与基础承台、结构柱及框架紧密相连。在电气设计中、往往将管桩作为建筑电气接地、防雷接地、保护接地的接地体或是电气的综合接地体,由于作为接地体大多数情况下通过的是交流电、雷电时为浪涌形的直流冲击电,无法用于对管桩实施电法保护。

要想有效利用中性点电源或雷电,重要的技术措施:一、必须是直流电;二、固定极性或经整流后方向性选择电流极性。

由于其构筑了良好的电气通路,显然对采用电法保护是十分方便的。实际上既可以单独的牺牲阳极也可以采用外加电源。但管桩作为建地基又是良好的接地体,更重要的的是在实际应用中经常被设计为综合接地体,这样至少与中性点交流电、雷电相关。为了利用管桩这一电气特性及对管桩的全面保护,经过长期研究,完全可以采用“外加电源阴极保护为主,牺牲阳极保护为辅的电法保护。”----“综合电气阴极保护技术”。

3.1 管桩结构与接头

3.1.1 管桩结构如图2所示。

3.1.2 电气与化学特性从管桩结构可以看出,管桩桩端均是由钢环盘组成,用于管桩受力筋的锚板作用,另一方面又可以通过焊接驳长所需的管桩,为了锚入承台,桩芯按设计植入桩芯锚筋锚入承台,在承台中,又经常成与用作引下线的柱筋相连,因此在部分情况下,管桩很自然地被用作接地体。但,我们也注意到,按过往的设计接地时并没与桩受力主筋接通,另外作为普通接地极,由于其通过的电流是交流电,对于原电池或电解池所界定的阴阳极性方面,总是交错周期变化,因此没可用的定性极,致使其电化方面没有变化的效果,只是起到了导线体的作用。

相反,我们采取与管桩主筋后,则从上部结构及接地系统至桩尖到大地将成了良好的接地系统,又假如,我们晶闸管单向通性的整流桥的部分功能时,是完全可以将所接桩体的在通过脉动直流时,将其极性予以设定,使其直流通过时总是流入或流出,这就相于原电池及电解池的直流极性,如果将被保护的管桩恒设置为电流阴极端时就实现了我们所要的阴极保护的功能装置。

3.2 接地与管桩阴极保护原理

3.2.1 外加电源的极性分析与设定因为不管原电池还是电解池,阴极总是在接受导线中的电子及池中的阳离子结合产生还原反应,使金属离子子析出覆盖在原金属表面而免遭腐蚀破坏,因此从外电线路来看阴极总是在低电位下流入电子的极端.,与电流方向相反,是负荷端。所以其整流方向应设为自低电位至高电位反向导通。以上是对(电子相反向流出)整流极性设置与判定,显接地中性点交流电整流后高电位点作为电流入方向。显然另一半的正弦反相交流电时,整流后低位刚好应显阳极,其整流通向也应相反。如果,我们将这一直流另设一接地端,就是相当于电解池的阳极,上面的阴极因电流不能反向导通仍保持第一相的阴极极性,这样就可以将接地线及电流一分为二,外加电源的特殊的阴极保护装置。

3.2.2 牺牲阳极的阴极保护――原电池原理从上面的分析中,我们已很清晰地界定了阴阳极,作为被牺牲的阳极材料必然接在与上面的阳极相对应的一端。这然仍然通过中间导线构成了完整原电池联结即牺阳极的阴极保护法。这一直是较为成熟的技术,并大量用于工程保护设施上。

3.2.3 牺牲阳极(原电池原理)外加电源阴极保护及综合接地极的综合保护从上面分析中可以看出,两个保护原理共用一对阴阳极,彻底解决了两套电法保护的统一的接线方法问题。重要的是通过整流装置,将变压器等接地中性点交流整流为一分为二反相电流分别流向阴阳两极。构三极一体的完整接地保护系统。

意义:一、保证了接地系统中性点原有工作性;二、充分利用了无效接地电流的功效;三、两种保护原理并用于同一套系统工程中,接线简单节约成本;四、使受保护体处于双重保护之中质量最好,运行经济可靠。五、将使一直没用得到解决的管桩防护问题第一次得到了实质性的解决,这是本文主要目的。

4接地与管桩阴极保护原理图

本图中主要提出了关键的理论及设计思路,如电容装置,如FS避雷器,引下线的接向,整流设施,阴极是钢铁材料、阳极材料应是排在上表中第7位以前的金属。具体还应考虑到地质环境及地层离子及各种参数问题,因此应有进一步的针对性具体设计。

以上的理论分析中,本文提出如图3的构图。