杭州湾跨海大桥钢桩腐蚀防护

杭州湾跨海大桥钢桩腐蚀防护目录•1概述•2海洋环境对金属的影响因素•3海洋腐蚀破坏的主要形式•4海洋环境下钢结构腐蚀防护方法发展过程•5杭州湾跨海大桥钢管桩防腐蚀设计的主要思路•6关于熔结环氧复合涂层材料结构和性能的研究和讨论•7阴极保护设计与施工的特点•8关键技术需要注意•9结论1.概述杭州湾大桥北起嘉兴，横跨杭州湾止于宁波慈溪，全长36公里，可将宁波到上海间的陆路程缩短120余公里，成为目前世界上最长的跨海大桥。设计杭州湾跨海大桥时，根据杭州湾海域复杂的海况，特别是为了降低成本，缩短施工周期，希望尽可能采用预制构件，变海上施工为陆上施工，提出了“集桩式桥墩”设计概念。作为基础结构的每个桥墩由10~12个的钢管桩组成。杭州湾大桥所采用的钢管桩长88m，管径1.6m，壁厚22mm是很难维修不可更换的水下构件，要求服役期超过100年。因此，基础结构钢管桩在海水中的长效耐腐蚀性和全面腐蚀控制方案实际上成为实现这种建桥设计构想的先决条件。在世界建桥史上如何解决这类桥桩的腐蚀问题尚无先例。2.海洋环境对金属的影响因素2.1盐度盐度是指100克海水中溶解的固体盐类物质的总克数。一般在相通的海洋中总盐度和各种盐的相对比例并无明显改变，在公海的表层海水中，其盐度范围为3.20％～3.75％，这对一般金属的腐蚀无明显的差异。但海水的盐度波动却直接影响到海水的比电导率，比电导率又是影响金属腐蚀速度的一个重要因素，同时因海水中含有大量的氯离子，破坏金属的钝化，所以很多金属在海洋环境中遭到严重腐蚀。2.2含氧量海洋环境对金属腐蚀是以阴极氧去极化控制为主的腐蚀过程。海水中的含氧量是影响海洋环境对金属腐蚀性的重要因素。氧在海水中的溶解度主要取决于海水的盐度和温度，随海水盐度增加或温度升高，氧的溶解度降低。如果完全除去海水中的氧，金属是不会腐蚀的。对碳钢、低合金钢和铸铁等，含氧量增加，则阴极过程加速，使金属腐蚀速度增加。但对依靠表面钝化膜提高耐蚀性的金属，如铝和不锈钢等，含氧量增加有利于钝化膜的形成和修补，使钝化膜的稳定性提高，点蚀和缝隙腐浊的倾向减小。2.3CO2、碳酸盐的影响海水中的CO2主要以碳酸盐和碳酸氢盐的形式存在，并以碳酸氢盐为主。CO2气体在海水中的溶解度随温度、盐度的升高而降低，随大气中CO2气体分压的升高而升高。海水中的碳酸盐对金属腐蚀过程有重要影响，碳酸盐通过pH值的增大，在金属表面沉积形成不溶的保护层，从而对腐蚀过程起抑制作用。2.4温度的影响海洋环境中温度随着时间、空间上的差异会在一个比较大的范围变化。表层海水温度还随季节而呈周期性变化。温度对海水腐蚀的影响是复杂的。温度升高，会加速金属的腐蚀。另一方面，海水温度升高，海水中氧的溶解度降低，同时促进保护性碳酸盐的生成，这又会减缓钢在海水中的腐蚀。但在正常海水含氧量下，温度是影响腐蚀的主要因素。这是因为含氧量足够高时，控制阴极反应速度的是氧的扩散速度，而不是含氧量。对于在海洋环境中对金属钝化的研究，温度升高，钝化膜稳定性下降，点蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀的敏感性增加。2.5海水流速的影响海水腐蚀是借助氧去极化而进行的阴极控制过程，并且主要受氧的扩散速度的控制。另一方面，在海环境中水海对金属表面有冲蚀作用，当流速超过某一临界流速时，金属表面的腐蚀产物膜被冲刷掉，金属表面同时受到磨损，这种腐蚀与磨损联合作用，使钢的腐蚀速度急剧增加。对于在海水中能钝化的金属，如不锈钢、铝合金、钛合金等，海水流速增加会促进其钝化，可提高耐蚀性。2.6海生物对海洋环境中金属腐蚀研究的影响海生物在大多数情况下是加大腐蚀的，尤其是局部腐蚀。海水中叶绿素植物可使海水中含氧量增加，海生物放出的CO2使周围海水酸性加大，海生物死亡、腐烂可产生酸性物质和H2S，这些都可使腐蚀加速。此外，有些海生物会破坏金属表面的油漆或镀层，有些微生物本身对金属就有腐蚀作用。2.7光照条件例如铜铁在光照下会促进铜及铁金属表面的光敏腐蚀反应及真菌类生物的生物活性，这就为湿气和尘埃在金属表面贮存并腐蚀提供更大的可能性。在热带地区金属受到日光的强烈照射，另外，海洋环境中的材料背阳面比朝阳面腐蚀更快。这是因为与朝向太阳的一面相比，背向太阳面的金属材料尽管避开太阳光直射、温度较低，但其表面尘埃和空气中的海盐及污染物未被及时冲洗掉，湿润程度更高使腐蚀更为严重。3.海洋腐蚀破坏的主要形式3.1全面腐蚀全面腐蚀可视为均匀腐蚀，它是一种常见的腐蚀形态，其特征是与腐蚀环境接触的整个金属表面上几乎以相同的速度进行的腐蚀。所谓均匀腐蚀活比较均匀腐蚀，都是相对于局部腐蚀而言的，而且这种腐蚀形态只有少数的碳钢﹑低合金钢在全浸腐蚀条件下出现。从腐蚀电化学观点来看，如果在腐蚀过程中金属表面“处处”可以进行金属的阳极溶解反应和去极化剂的阴极还原反应，且其概率大致相同，其间腐蚀电池的局部阴极和局部阳极的位置瞬间可变，分布不定，金属表面各部分的阳极溶解速度大致一样，其结果则呈现为均匀性腐蚀。3.2局部腐蚀钢铁材料在海洋环境中的局部腐蚀，特别是小孔腐蚀，是影响钢铁材料强度及使用寿命的一个重要因素。介质中的金属材料绝大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，但表面上个别的点或微小区域出现蚀孔或麻点，并不断纵深发展，形成小孔状腐蚀坑的现象。在氯离子的溶液中，只要腐蚀电位达到或超过点蚀电位，就能产生点蚀。微生物腐蚀的一个重要特征是导致小孔腐蚀的发生。3.3电偶腐蚀由于电位电位不同，造成同一介质中一种金属接触处的局部腐蚀，就是电偶腐蚀，亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。两种金属构成宏电池，使电位较负的金属溶解速度增加，电位较正的金属溶解速度减小。海洋环境中，海水电阻率很小，是强电解质溶液，当两种不同金属如碳钢和不锈钢，不锈钢和钛金属等共同使用时，要特别注意避免电偶腐蚀。3.4应力腐蚀钢铁在应力和特定环境的联合作用下，将出现低于材料强度极限的脆性开裂现象，致使其失去功能，这种现象称为应力腐蚀开裂。在应力腐蚀开裂中存在因氢的渗入而脆化的现象，也存在裂纹尖端处溶液高度酸化的问题。3.5腐蚀疲劳波浪载荷下的腐蚀疲劳破环是钢桩式结构的主要破坏形式之一。另外，由于海水腐蚀与疲劳载荷共同作用的结果，疲劳载荷加速度腐蚀破坏的过程，而海水腐蚀进一步加速钢结构的疲劳破坏，从而使其寿命缩短。4.海洋环境下钢结构腐蚀防护方法发展过程4.1预留腐蚀余量早期工业发达国家大桥钢管桩主要依靠钢材自身的腐蚀余量达到设计寿命，如选用大VI径(直径4~6m)厚壁(40~80m)钢管结构。这种方法浪费大量钢铁，制造和安装费用高，施工周期长，在海洋腐蚀环境下由于局部腐蚀等不可预见性的破坏导致桥梁过早地损坏。我国也不具备生产超长厚壁钢管桩的冶金装备和产品。因此，采用小El径(直径1.5~1.6m)薄壁(20~25mm)群桩的结构是经济可行的办法，但必须解决长效腐蚀控制问题。4.2耐海水低合金钢近50年来研制了多种耐海水用合金钢，包括10CrMoAl、316L和蒙纳尔合金等，虽然其腐蚀速率较普通碳钢低很多，但价格昂贵，且在焊接和应力集中处容易产生局部腐蚀，严重降低了使用的安全性。4.3阴极保护在桥梁的腐蚀和防护中应用得相当普遍，例如海上采油平台。但由于海水中裸钢所需的阴极保护电流密度较高，阳极消耗较大，而由于裸钢系统的电绝缘性差，阳极的保护电位差较大，有效的保护范围小，需要安装的阳极块数较多，长期安全运行的可靠性和整体维护的经济性较差。设计寿命通常控制在20~30年以下。4.4涂层防护采用环氧煤沥青、玻璃钢、金属喷涂层加有机涂层封闭体系、普通多层有机涂层、水泥聚合物砂浆和环氧涂层等保护，但保护涂层还只是用在大气区、飞溅区和潮差区的范围。而在海水全浸区和泥下区还是另外采用阴极保护单独进行防护。涂层和阴极保护分别在不同的区域起作用。4.5涂层加牺牲阳极联合保护涂料同阴报谋护匹配，可互相补充．使保护效果更佳。固有涂料的钢表面，所需保护电流密度小，保护电位易趋于均匀，可减少阴极保护措施于始建时一时跟不上所带来的腐蚀。但若是外加电流阴极保护，则存有因仪器一时失控或其它原因所引起的局部过保护，导致钢表面析H：十而使涂层鼓泡的现象。该鼓泡涂层会在海浪的冲刷下破损而使钢表面外露，形成一小阳极点(即锈点)5.杭州湾跨海大桥钢管桩防腐蚀设计的主要思路杭州湾大桥地处钱塘江强潮河口、潮差大、水流急、泥砂含量高。为确保大桥设计寿命达到100年，根据钢桩不同部位的腐蚀环境，即泥下区、水中区和浪溅区分别采用单层、双层和复合三层高性能熔结环氧涂层。目前环氧涂层只有埋地管线30年使用寿命的现场数据，新型优质环氧涂层体系预期在海水中的寿命至少可达50年以上。经熔结环氧涂装的钢材所需阴极保护电流密度最小，比其它涂层要小1~2个数量级。以埋地管道为例，一般金属裸管保护电流密度在10~300mA/m2，现行常见涂层在10~103A/m2左右，而熔结环氧涂装时仅为5A/m2，而且已有经验证明使用十余年后仍保持这个水平。为了在施工中不破坏高性能涂层，阳极安装避免水下焊接，主要采用悬挂铝合金阳极“承台连防、水下安装、水上馈电焊接”的全新技术。结果表明，这种方案是经济、有效和可行的，已经初步取得了成功。考虑到涂层可能会发生的局部破损和脱落，大桥采用动态牺牲阳极保护设计和可更换阳极，更换周期为35年。当桥梁达到无限寿命时相当于过渡到全裸钢桩的阴极保护状态。为了避免意外，在典型桥位采用了腐蚀监控系统可以对钢桩的腐蚀状况进行在线监测。钢管桩预留了相当于可支持运行15年寿命的一定厚度的腐蚀余量。6.关于熔结环氧复合涂层材料结构和性能的研究和讨论6.1抗阴极剥离性能评价如果我们将涂层的主要性能指标：抗阴极剥离性能、涂层的抗渗透性、附着力、抗Cl一渗透特性进行比较，从上世纪60年代到上世纪末，熔结环氧粉末涂料的研究逐步深入，涂料的组成不断改进，性能也不断提高，其发展大体上经历了三个阶段，即A体系一上世纪60年代产品，B体系一上世纪80年代产品，C体系一上世纪末新产品。从图l可以看到1965年前后，涂层对阴极剥离的抵抗力低下，剥离量达30rator，第二阶段八十年代该性能在提高，剥离量降至l0mmr，到上世纪末第三阶段，剥离量继续下降至约3mmr。图1熔融结合环氧涂层抗阴极剥离性能的改善6.2涂层的抗渗透性评价杭州湾大桥所用涂料(SEBF一6一X)属于C体系。在60℃蒸馏水，涂层3.5％的NaCl浸45天后其增重率分别为1.19％和0.55％。远远优于其它同类商品，较性能良好的B系列又有了很大提高。6.3涂层的附着力评价A系列涂层附着力测试采用常温划格法测试，要求技术指标达到1—4级。B系列涂层的附着力在国内外以往标准中规定为95°±3°浸泡l天，要求达到1—2级。C系列90℃浸泡25天，要求达到1—2级附着力。A、B、C系列涂层体系附着力测试结果(90℃蒸馏水连续浸泡，涂层厚度在300—400μm)见表1。表lA、B、C系列涂层附着力分析结果6.4抗C1一离子渗透特性本实验的水样是依据“IS014655—1999预应力混凝土用环氧涂装的钢绞线”标准“氯离子渗透率”试验方法制取的。涂层对氯离子的阻隔性能用45天的试验来评价，见表2。表2A、B、C系列涂层抗Cl一渗透分析结果6.5综合性能评价现场工程实践已经证明，A系列涂层防腐年限可达10年左右，B系列涂层可达30年，C系列涂层各方面性能较A、B系列涂层提高了很多，可以期望达到50年以上的寿命。7.阴极保护设计与施工的特点与传统方法不同，阴极保护系统设计要充分考虑涂层对阴极保护系统的影响7.1针对全寿命的动态设计为了确保阴极保护系统在寿命期内始终有效地发挥作用，必须动态地考虑钢管桩上高性能熔融结合环氧粉末防腐涂层破损率的变化。为此，分别利用初期阴极保护电流密度、平均阴极保护电流密度和末期阴极保护电流密度计算海水中钢管桩阴极保护所需要的阳极数量。为了降低建桥初期投入的成本，我们按35年运行周期来估算可更换阳极的重量。从实际计算结果来看，利用末期阴极保护电流密度计算出的阳极数量确实高于利用初期和平均阴极保护电流密度计算出的结果，如果不采用针对全寿命的