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專題 | 魏英華：做好跨海工程的“保健” 為其延年益壽

2017-07-27 16:30:23 作者：王妮來源：《腐蝕防護之友》分享至：

魏英華博士中國科學院金屬研究所副研究員

我國近 20 年建設(shè)了一大批結(jié)構(gòu)新穎、現(xiàn)代化程度和科技含量高的斜拉橋、懸索橋、拱橋等特大型海洋橋梁，積累了豐富的橋梁設(shè)計和施工經(jīng)驗，橋梁建設(shè)水平已躋身于國際先進行列。其中，橋梁的設(shè)計壽命也從過去的30-50年增加到80-120年，100-120年，壽命指標的提高，這對橋梁腐蝕防護技術(shù)、腐蝕防護管理均提出了更高要求。研究橋梁防腐新技術(shù)是時代的要求，是保障橋梁耐久性的重要前提，也是緊迫任務。為了解大型的海洋橋梁的腐蝕防護的發(fā)展情況，本刊記者采訪了中國科學院金屬研究所副研究員魏英華博士，請他給我們做相關(guān)方面的精彩解讀。

魏英華，博士，中國科學院金屬研究所副研究員，材料耐久性防護與工程化項目組專項負責人，遼寧省腐蝕與防護學會理事，研究生導師。主要研究領(lǐng)域為國家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程結(jié)構(gòu)材料的耐久性防護，重點解決鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的腐蝕防護問題。完成了杭州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、港珠澳大橋、上海青草沙原水工程等多項大型工程的耐久性課題研究、設(shè)計及現(xiàn)場實施。

記者 : 隨著我國跨海大橋的發(fā)展，對于橋梁的腐蝕防護技術(shù)、腐蝕防護管理提出了更高的要求。您多年從事國家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程耐久性課題的研究，請您談一下海洋環(huán)境橋梁腐蝕現(xiàn)狀如何？橋梁防護科學研究的意義是什么？

魏研究員：海洋環(huán)境中橋梁承受著交變載荷、海浪沖蝕、汽車尾氣污染等多種腐蝕因素的交互作用，甚至還要承受臺風雷暴等極端天氣的考驗。腐蝕也會在容易被人忽略的地方發(fā)生，對橋梁結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性造成損傷。這種結(jié)構(gòu)完整性損傷會在颶風載荷和車輛的交變載荷下加劇，在一定的外界條件下會對橋梁產(chǎn)生嚴重破壞，甚至導致橋梁坍塌。美國舊金山 San Mateo-Hayward跨海大橋，處于浪濺區(qū)的預制橫梁因鋼筋銹蝕產(chǎn)生破壞，使用不到 20 年就必須耗巨資進行修補。我國在役的許多海洋橋梁、碼頭在建設(shè)初期未能進行腐蝕全面控制，投運 3-15 年之后，一般都會發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土沿筋開裂，有的甚至會提前進入劣化期，導致計算簡圖徹底改變，結(jié)構(gòu)的承載力喪失。對于嚴重腐蝕的結(jié)構(gòu)，目前尚無成熟的康復技術(shù)，即使投入大量資金，其結(jié)果也只是阻止加速腐蝕，但橋梁必須降級使用。（海洋橋梁的各類腐蝕形式參見圖1）。

記者：海洋橋梁主要結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，請您談一下，在海洋環(huán)境下橋梁主要結(jié)構(gòu)面臨哪些類型的腐蝕？目前國內(nèi)外針對這些腐蝕問題有哪些防護技術(shù)，您對這些防護技術(shù)有什么見解。

魏研究員：海洋橋梁上使用的鋼結(jié)構(gòu)有鋼管樁、鋼箱梁和鋼制拉索等主要承重結(jié)構(gòu)，以及鋼圍堰、承臺底板以及螺栓緊固件、焊接結(jié)構(gòu)等附加物。鋼箱梁、鋼制拉索所處的腐蝕環(huán)境主要是海洋大氣區(qū)，腐蝕因素主要是汽車尾氣和海水蒸汽，在這一環(huán)境中鋼箱梁和鋼制拉索的腐蝕形式以均勻腐蝕和點蝕為主。由于海洋大氣環(huán)境非常潮濕、鋼結(jié)構(gòu)表面的電解質(zhì)溶液充足，當異種金屬結(jié)構(gòu)相連時鋼結(jié)構(gòu)還較容易發(fā)生電偶腐蝕。鋼箱梁和鋼制拉索處于大氣環(huán)境中，防護措施一般是涂覆防護涂層，不能采用電化學防護。鋼管樁需要涂覆防腐涂層，但海水以及紫外線等會嚴重影響涂層的耐久性，必須配合電化學保護、外包其他防護材料等方法才能獲得良好的防護效果。

海洋環(huán)境下鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)腐蝕主要體現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)性能退化和其中鋼筋腐蝕兩方面。混凝土本身腐蝕破壞機理包括混凝土碳化以及混凝土凍融循環(huán)等破壞等。由于混凝土本身性能退化以及氯離子的侵蝕，破壞了鋼筋表面的保護性環(huán)境使鋼筋所處環(huán)境滿足腐蝕發(fā)生的條件，從而導致鋼筋發(fā)生腐蝕。因此鋼筋混凝土的防腐蝕原理主要是通過物理或化學手段提高混凝土的防護性能，具體措施主要有使用高質(zhì)量混凝土、適當提高混凝土保護層厚度、在混凝土或鋼筋表面涂覆防腐涂層、向混凝土中添加緩蝕劑以及采用電化學保護等。

在選擇防護技術(shù)、制定防腐方案時，要按照不同的環(huán)境區(qū)域、不同材料有針對性的選擇腐蝕防護方法。不同區(qū)域海洋大橋腐蝕環(huán)境多有不同，選擇的防護方法存在較大區(qū)別，如杭州灣海域的泥沙含量、水流速較大，而港珠澳大橋海域則存在較多微生物，這些環(huán)境特點在防腐設(shè)計時必須予以考慮。對于某一特定橋梁，可將劃分成不同區(qū)域，對各區(qū)域進行有針對性地設(shè)計。劃分各區(qū)域時要考慮環(huán)境特點、材料特點以及防腐方法的經(jīng)濟性等。這是分區(qū)防護原則。其次，在橋梁設(shè)計階段應貫徹“全面腐蝕控制”的理念，應用壽命技術(shù)經(jīng)濟分析（LCCA）的原理，在橋梁建設(shè)初期就采取周密的防腐蝕措施，初期投資雖然多了一些，但按照全壽命經(jīng)濟分析法核算定能取得可觀的回報。這種主動防護的概念在執(zhí)行方面我國與國外發(fā)達國家目前差距較大。此外，也要防止“過保護”，在腐蝕方法選擇上注意存在“過猶不及”的可能性，比如金屬表面處理，國際標準普遍采用噴砂除銹等施工工藝，但也存在誤區(qū)，例如：凡是表面處理，一律是機械噴砂（丸），都是 Sa 2.5 級，而未根據(jù)實際需要情況進行具體選擇。事實上，對于欄桿等異型構(gòu)件采用化學除銹即可，且該技術(shù)無公害。

記者：您完成過杭州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、港珠澳大橋等國家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程的耐久性課題研究，請您詳細地介紹對您印象深刻的研究項目，并談談您的感受。

魏研究員：那就談談港珠澳大橋，它的主體剛剛完工。港珠澳大橋的設(shè)計壽命打破了國內(nèi)通常的“百年慣例”，制定了 120 年的設(shè)計標準，這對跨海大橋的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼管樁的耐久性提出了更高的要求。耐久性工作實際上是建橋的前提條件，此前原有的跨海大橋耐久性設(shè)計方案已不能滿足港珠澳大橋耐久性需求，這為國內(nèi)外海洋工程防護提出了新的挑戰(zhàn)。

先談一下它的鋼管復合樁，港珠澳大橋的大部分鋼管復合樁位于泥下區(qū)，其涂層破壞方式主要來源于打樁過程中的機械損傷、泥砂碎石的磨劃傷和泥下腐蝕因素的長期侵蝕、降解等。因為港珠澳大橋設(shè)計壽命更長，所以需要在以往大橋鋼管樁涂層技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出性能更加優(yōu)越的涂層以滿足要求。針對港珠澳大橋特定的海泥環(huán)境，我們科研人員在大橋論證時起開展了相關(guān)涂層的研發(fā)工作，先后從涂層的抗?jié)B透性、耐陰極剝離性等關(guān)鍵性能指標著手解決涂層的耐久性問題，最終保證了涂層的120 年耐久性設(shè)計要求。

如果說涂層系統(tǒng)的研究可以預測而提前進行研究的話，而陰極保護系統(tǒng)的研發(fā)可以說是遭遇戰(zhàn)，因為在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計確定之前陰極保護是無法進行的。而港珠澳大橋的鋼管復合樁的陰極保護給耐久性設(shè)計提出了很大難題，這是因為其結(jié)構(gòu)、安裝方式與以往的大橋鋼樁不同。以往跨海大橋的陰極保護重點均為浸在海水中鋼管樁的陰極保護，而港珠澳大橋的多數(shù)鋼管復合樁位于混凝土承臺下的海泥中，對于以往大橋鋼管樁泥下區(qū)的陰極保護，僅認為會消耗部分陰極保護電流而對于這部分的陰極保護效果不做深入探討。如何實施陰極保護，沒有先例可以借鑒。科研人員針對該腐蝕環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點，摒棄陰極保護傳統(tǒng)做法，大膽采用海水中安裝保護泥下區(qū)的新方法，通過海水中的犧牲陽極發(fā)射陰極保護電流通過界面流向海泥中的鋼管，以此解決海泥中更換犧牲陽極難度過大的問題。

實踐是檢驗真理的標準，在完成計算驗證后，科研人員按照 1 : 20 的比例進行模擬試驗，驗證港珠澳跨海大橋鋼管復合樁陰極保護設(shè)計的可行性。在模擬實驗后，如果要真正應用到港珠澳大橋上，還要通過足尺實驗驗證，以此驗證大橋基礎(chǔ)實施的可行性。為讓用戶相信陰極保護確實能保護海泥下的基礎(chǔ)鋼管復合樁，則必須進行原位陰極保護電位監(jiān)測。而在當時的海洋工程界，這一點還做不到，這是由于海泥下安裝探測設(shè)備太困難。為解決這個難題，我們采取了鋼管內(nèi)壁安裝保護設(shè)施保護探頭的方法，將探頭伴隨著打樁深入近百米的海泥下，實施了原位監(jiān)測，這是在海洋工程界首次實現(xiàn)的。

記者：請您談談在長耐久性需求下海洋橋梁腐蝕防護的思考。

魏研究員：隨著社會的進步，人們對基礎(chǔ)設(shè)施的要求越來越高，近年來建設(shè)的大型海洋橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命已經(jīng)達到 100 ～ 120 年，這種長壽命、長耐久性的需求對海洋橋梁的防腐提出了新的挑戰(zhàn)。主要有以下幾個方面。

首先是海洋橋梁設(shè)計過程中對防腐設(shè)計方面的重視程度，這需要理解如何評估耐久性防腐設(shè)計的經(jīng)濟價值。在海洋橋梁在采用耐久性防腐技術(shù)設(shè)計后，與常規(guī)橋梁相比，成本必然有所提高。但從橋梁全壽命期的經(jīng)濟性考慮，采用耐久性防腐技術(shù)的橋梁在全壽命內(nèi)維修會用要比采用短期防腐方法的橋梁低得多。因此，對于海洋橋梁結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的經(jīng)濟性分析，必須考慮到橋梁設(shè)計服務壽命期間的全部費用，即成本費加上所有的維修費用。比如，采用壽命周期費用分析法（LCC 評價方法）就是這樣一種切合實際的方法。該方法將結(jié)構(gòu)物在一定評價周期內(nèi)的所有費用都計算在內(nèi)，并考慮資金的時間價值，把不同時期產(chǎn)生的費用按相同貼現(xiàn)率計算其現(xiàn)值，最后根據(jù)各個方案總現(xiàn)值來評價經(jīng)濟性的好壞。

其次，我國在海洋涂料方面的技術(shù)與國外發(fā)達國家存在較大差距。通常，海洋防腐涂料的開發(fā)研制周期長、技術(shù)難度高、投資大且風險大。國外海洋防腐涂料研發(fā)主要靠政府或?qū)嵙π酆竦耐苛洗蠊局С帧．斍皣H上知名的海洋涂料大公司有英國的國際船舶漆公司（IP）、日本關(guān)西涂料、荷蘭 Sigma、丹麥 Hemple、挪威 Jotun 等。另外，美國、英國的海軍部均有上百年的海洋涂料開發(fā)歷史，從涂料生產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)督、涂裝規(guī)范及涂裝現(xiàn)場管理等方面形成了一整套十分嚴格和嚴密的體系。我國在近年來建立了“中國船舶工業(yè)船舶涂料檢測站”、“海洋涂料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督中心”等質(zhì)量管理監(jiān)督機構(gòu)，但必須承認，我國整體技術(shù)水平仍落后于先進國家 20 ～ 30 年。比如，我國混凝土構(gòu)件保護涂料是在鋼結(jié)構(gòu)保護涂料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的不足之處在于沒有充分考慮到非金屬和金屬腐蝕的不同，同時它的使用沒有根據(jù)不同的使用場合分類，即使用專用涂料用于專門的部位，而國外則在這方面規(guī)定得很詳細。目前，全球十大船舶涂料公司在 2003 年就已全部進駐中國，并建有生產(chǎn)基地，國外大涂料公司的合資或獨資企業(yè)幾乎占據(jù)了我國海洋涂料的主要市場，并呈激烈競爭的態(tài)勢。海洋大橋的涂料市場十分巨大，比如，港珠澳大橋僅基礎(chǔ)鋼管樁、大氣區(qū)的鋼箱梁、塔身及對應的附屬設(shè)施在建時的涂裝面積達 666 萬平方米，相當于約 925 個足球場大小，如此大的市場長期依靠國外公司的產(chǎn)品終究不是長久之計。

另外，腐蝕防護技術(shù)中的電化學防護方法，如陰極保護在長耐久性設(shè)計中也可能出現(xiàn)新問題。陰極保護通常與耐久性更好的涂層聯(lián)合應用，在這種聯(lián)合防護體系中，涂層能夠?qū)⒔饘俦砻媾c腐蝕介質(zhì)分離，使被保護結(jié)構(gòu)需要的保護電流減小，節(jié)省犧牲陽極的使用量。隨著科技的發(fā)展，防腐涂層的性能越來越好，被保護結(jié)構(gòu)所需的陰極保護電流變得很小，其結(jié)果是犧牲陽極發(fā)射的保護電流大大減小，犧牲陽極可能長期處于一種工作電流密度很小的“非正常”的工作狀態(tài)。在陰極保護設(shè)計時采用的陽極電流效率是按照相關(guān)國家標準中的規(guī)定在 1mA/cm 2 的工作電流密度下測得的，而犧牲陽極在這種“非正常”工作狀態(tài)下的工作電流密度遠小于這一數(shù)值。因此在實際系統(tǒng)和設(shè)計過程中工作電流密度的這種差異就有可能導致犧牲陽極的設(shè)計用量過多或不足。

因此，海洋橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕防護需要針對具體橋梁所處的腐蝕環(huán)境，結(jié)合橋梁材質(zhì)結(jié)構(gòu)特點分析腐蝕的影響程度，在設(shè)計階段即采取主動防護措施對腐蝕實施有效控制，以延長橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。在橋梁的服役過程中，需要定期或?qū)崟r監(jiān)測其結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)，以便調(diào)整腐蝕控制系統(tǒng)運行方式和制定有效的維修、維護計劃，確保橋梁的安全使用。

后記

隨著社會的進步、科技的發(fā)展，相信經(jīng)過各環(huán)節(jié)的共同努力，海洋橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕防護的耐久性問題將得到有效的控制，跨海橋梁在 100 年的壽命中得到有效的保護！

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