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一種用于海洋鋼管樁防腐修復的新型解決方案

2017-10-13 13:13:11 作者：陳誠,張溪寧,王睿來源：南京雙威生物醫(yī)學科技有限公司分享至：

導語

介紹一種與傳統(tǒng)鋼管防腐技術（3PE、陰極保護等）相容的防腐層修復的方案。在該方案中，鋼管的表面僅需做簡單清潔處理，繞包自融式的粘彈體防腐帶以形成防腐層，然后再繞包自粘合的水固化高強包覆帶以形成堅硬的玻璃鋼致密網(wǎng)狀外殼。該方案的特點是不需要使用特殊的工具，水上和水下均可進行操作，對環(huán)境無污染。由于高強包覆帶在固化前具有柔軟可塑形的特征，尤其適用于異形管件處的防腐層修復。

正文

我國自20世紀70年代開始，興建海洋鋼結(jié)構(gòu)設施，21世紀初進入了海洋開發(fā)的全新時代。緊隨著海洋開發(fā)的步伐，港口碼頭、海洋平臺、跨海大橋等大量使用鋼管樁的設施面臨著嚴重的海洋腐蝕問題。[1]由于海洋腐蝕的特殊性、海洋鋼結(jié)構(gòu)地域的復雜性以及工程的設計、施工方案的多樣性，海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐措施逐漸成為海洋鋼結(jié)構(gòu)設施的研究重點。市場上已有的一些防腐方案各自具有一些優(yōu)點和不足，本文提出一種新型防腐修復方案，以解決當前海洋鋼管樁防腐應用中的一些短板和問題。

海洋鋼管樁防腐蝕技術簡介

目前，海洋鋼管樁主要防腐措施如表一所示：

表一海洋鋼管樁主要防腐措施及應用方式

防腐措施	主要應用方式
3PE	鋼管樁出廠時預涂覆層
陰極保護	與海洋鋼結(jié)構(gòu)同時設計，常與防腐涂料共同使用，需要外加電流及電流檢測
防腐涂料	預涂刷，常與陰極保護共同使用，每年需做檢查修復
包覆式防腐	可預先包覆，亦可現(xiàn)場進行施工

3PE防腐層的底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末，中間層為聚合物膠粘劑，用于連接底層和外防腐層，外層為聚乙烯。3PE具有一定的機械性能和電絕緣性，但涂覆工藝復雜，若工藝控制不當，易產(chǎn)生分層，且較難與陰極保護協(xié)調(diào)工作，如果聚乙烯層脫離，不管是從環(huán)氧粉末層或者鋼表面上分離，防護層的腐蝕防護作用都將喪失，如果聚乙烯剝離層深處與破損位置存在一定距離，陰極保護電流將不能夠到達剝離層下的鋼體表面，當周圍環(huán)境具備腐蝕條件時，鋼體將產(chǎn)生腐蝕。[2]3PE防腐主要原理為物理隔絕，在陸地石油管道的防腐應用中尤為廣泛，但是由于海洋領域的特殊性，其應用效果卻差強人意。3PE防腐的施工需要專用的設備，一般用于鋼管出廠前的預涂覆。

陰極保護是電化學保護技術的一種，主要為外加電流和犧牲陽極方式。海洋鋼結(jié)構(gòu)中主要以鋅、鋁合金為犧牲陽極材料。基本與涂料防腐同時使用，目前在海水全浸區(qū)及海底泥土區(qū)通常都采用陰極保護的方法。[3]但在海洋鋼管樁防腐中應用時，被保護鋼管樁必須在海水液位以下，對于海水液位以上區(qū)域無保護效果。檢查修復時需要檢測電流的大小進行判定，通過改變加持電流或者根據(jù)犧牲陽極設計壽命定期更換犧牲陽極材料。犧牲陽極塊通常在海水較深區(qū)域，更換不易。

防腐涂料通常分為常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料，根據(jù)防腐原理又分為化學、物理和電化學防腐涂料。根據(jù)海水不同環(huán)境和工程有不同的需求，涂料涂裝施工的操作步驟是鋼材表面底層處理、底涂、中涂、面涂，需要對鋼材表面進行機械噴砂處理，表面處理級別要求較高，需達到Sa2.5以上。基本上鋼管樁出廠時就已經(jīng)根據(jù)設計方案進行預噴涂，且基本與陰極保護同時使用。如杭州灣大橋承臺下的鋼管樁，防腐涂層需要每年定期巡檢，并對破損區(qū)域進行修復，由于涂層本身強度較弱，因此防腐涂層很容易受到外界的物理型損壞、脫落、失效。修復時，對鋼管表面處理要求很高，且在海水液位以下操作不便，很難附著在鋼管表面。

國內(nèi)大部分海洋結(jié)構(gòu)都是采用的陰極保護與防腐涂料結(jié)合的方式進行防腐，但是對海洋鋼結(jié)構(gòu)中腐蝕最為嚴重的潮差飛濺區(qū)卻沒有很好的防護作用，隨著PTC等一些新型復層包覆的產(chǎn)品出現(xiàn)，包覆式防腐逐漸受到人們的重視。包覆式防腐主要分為：

1、有機包覆--PE、環(huán)氧；

2、無機包覆--水泥砂漿，金屬噴涂，電沉積；

3、復層包覆--礦脂油帶包覆等。

其中以Denso公司首創(chuàng)的礦脂油帶防腐系列在實際應用中最為廣泛，其原理主要為物理隔絕防腐。該方案在實施時，需要搭建施工平臺，礦脂帶包覆方案中的外護殼需要與礦脂帶層緊密結(jié)合，且需具有隔水作用，以防止礦脂帶中的憎水材料被沖散到海水中，造成防腐失效以及對海洋環(huán)境的污染。其外殼需要事先經(jīng)過精密計算與設計，進行預制，再運送至現(xiàn)場進行安裝施工，固定件為金屬螺栓，容易受到海水腐蝕，若采用合金防腐螺栓，則價格高昂。

粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術

本文提出的新型防腐技術為粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術，也是物理包覆式防腐方案的一種，通過內(nèi)層粘彈體防腐帶自身優(yōu)秀的阻水性能以及外層高強包覆帶優(yōu)異的耐候性及高機械強度對鋼管樁進行防腐保護。

結(jié)構(gòu)組成

粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術其內(nèi)層為粘彈體防腐帶，是以丁基類具有粘彈性的防腐材料與無機添加劑共混擠出的復合帶材。外層為FRP增強材料，是以高強度玻璃纖維織物為基材預涂覆水固化樹脂的復合帶材。如圖一所示：

圖一粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術結(jié)構(gòu)組成示意圖

粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術實現(xiàn)--蛇口港SCT碼頭的應用

圖二蛇口港SCT碼頭結(jié)構(gòu)及應用區(qū)示意圖

深圳蛇口港SCT碼頭采用犧牲陽極與涂層的方式進行防腐，使用本文介紹技術前原鋼管樁表面防腐涂層已被破壞，鋼管樁潮差區(qū)已經(jīng)能夠看見有明顯腐蝕，此次粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術的應用主要是針對碼頭平臺下方鋼管樁潮差區(qū)進行防腐修復，采用潛水員在水下進行施工作業(yè)，配合原有的犧牲陽極措施繼續(xù)對鋼管進行防腐保護的方案，具體應用位置見圖二所示。

1、預處理

由潛水員攜帶鋼鏟在水下進行鋼管樁表面處理，達到ST2級，無需精細處理。圖三為鋼管清理后表面情況。

圖三深圳蛇口港鋼管樁預處理后（水下拍攝）

2、粘彈體防腐帶施工

檢查是否有過度不平整區(qū)域，若有可事先采用適量粘彈體防腐膏填平，無需整面底涂。潛水員繞包粘彈體防腐帶，層與層搭接1-5cm，形成完整封閉層。如圖四：

圖四粘彈體防腐帶在水下進行搭接繞包

3、高強包覆帶施工

由潛水員繞包高強包覆帶，采用1/2搭接，需將粘彈體層全部包裹在內(nèi)，2小時后固化成一種僵硬的結(jié)構(gòu)，將粘彈體防腐層有效固定在鋼管表面，并提供外護。如圖五：

圖五高強包覆帶在水下進行1/2搭接繞包

4、包覆PE薄膜

考慮到需要提供足夠的施工時間，高強包覆帶所設計的固化時間為2小時左右，在此期間，為防止被水面浪涌沖散，可繞包一層普通PE薄膜進行臨時固定，待高強包覆帶固化定型后即可移除。如圖六：

圖六粘彈體海洋鋼管樁管包覆防腐修復完成后

粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術特點

粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術主要依靠以下幾點，來達到長期防腐效果：

1、粘彈體防腐帶粘彈性

粘彈體防腐帶所用的丁基橡膠類材料是其具有粘彈性的主要來源，粘彈性是指粘彈體防腐帶在常溫下就具有一定流動性能，并且是永久性的，對鋼剝離強度大于0.2N/mm，即使在水中也可以牢固附著在鋼管樁表面，與此同時，該特性賦予了粘彈體防腐帶具有優(yōu)異的塑型性，可以對任意形狀進行塑型，且可對自身表面的凹陷實現(xiàn)自我修復，亦或是可以填平鋼管表面凹凸不平，因此，在鋼管樁前處理時，只需要達到ST2級即可，且無須底漆即可直接粘接于3PE、PP、環(huán)氧、FBE、瀝青等各種涂層，與陰極保護也可完全兼容，不僅可以用作整根鋼管樁的防腐，還可以對已經(jīng)產(chǎn)生部分銹蝕的鋼管樁進行修補。粘彈體材料的密度為1.5g/cm3，大于水的密度，因此，當在水中包覆施工時，即使將水分包裹在粘彈體材料與鋼管之間，由于重力因素，粘彈體會通過緩慢地流動將水分擠出去。在實際的水中包覆實驗中，我們發(fā)現(xiàn)剛剛包覆在鋼管上的粘彈體是很容易取下，但如果放置24小時后，粘彈體就很難從鋼管表面分離了。

2、內(nèi)層粘彈體防腐帶阻隔水與空氣

粘彈體防腐帶還具有優(yōu)秀的隔離水與空氣的性能，與其他常用帶材相比透水率很低，本身是高分子材料，自身具備防酸堿能力，為鋼管樁腐蝕提供有力保障。表二是不同材料的透水率對比。

表二不同材料的透水率對比

材料	P(H₂O)×10⁻¹³Pa·cm²/s
瀝青	840
三元乙丙	157
低密度聚乙烯	68
聚丙烯（95%全同立構(gòu)）	51
防腐帶	35.5

3、高強包覆帶

高強外護海洋環(huán)境較為復雜，鋼管樁除海水侵蝕外，還存在海生物附著的生物侵蝕以及外力沖擊損傷。同樣，作為防腐材料也會遇到這些腐蝕問題。高強包覆帶為玻璃纖維復合材料，可任意塑形后濕固化成型，具有優(yōu)秀的耐酸堿腐蝕能力，機械強度高，能夠在給粘彈體防腐帶提供防護的同時，也給鋼管樁增加一定加固防護作用。高強包覆帶機械性能參數(shù)如表三所示：

檢測項目	數(shù)值	檢測標準
拉伸強度	335MPa	GB/T 1447-2005
沖擊韌性	153kJ/m²	GB/T 1451-2005
彎曲強度	245 MPa	GB/T 1449-2005
紫外老化7200h沖擊韌性保留率	＞90%	—
鹽水浸泡7200h沖擊韌性保留率	＞90%	—

耐久性實驗用φ45×200mm，Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼為實驗材料，采用粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術進行包覆防腐，進行5項耐久性實驗60d，剝開防腐層后鋼管表面均未出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。如圖七：

圖七耐久性實驗鋼管銹蝕情況

結(jié)束語

本文介紹的粘彈體海洋鋼管樁包覆防腐技術是由潛水在水下完成所有施工工作，實際應用中也可以搭建平臺進行施工，不需要額外大型輔助工具，根據(jù)現(xiàn)場不同情況，施工靈活多變，包覆成型簡單易行，且經(jīng)理論及實驗數(shù)據(jù)證明其具有優(yōu)秀防腐蝕耐沖擊效果，與傳統(tǒng)的涂料、PTC、陰極保護等防腐方案相容，可用于海洋、陸地等復雜環(huán)境中鋼管防護及修補，尤其在海洋潮差飛濺區(qū)、異形件的防腐修復上具有獨特的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]侯保榮等。海洋鋼結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕控制技術[M].北京：科學出版社，2011:1.

[2]廖宇平。管道3PE防護層的結(jié)構(gòu)特點與缺陷分析及防范[J].腐蝕與防護，2006,27（6）：311-314[3]肖治國等。海洋平臺飛濺區(qū)腐蝕與防腐修復技術[J].全面腐蝕與控制，2012,26（12）：23-28

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