杭州灣跨海大橋鋼管樁

在海洋開發(fā)利用的過程中，基礎(chǔ)設(shè)施和重要工業(yè)設(shè)施的腐蝕問題日益嚴(yán)重，已成為影響船舶、近海工程、深遠(yuǎn)海裝備安全性、可靠性和壽命的最重要因素。

“針對金屬材料在海洋環(huán)境下腐蝕嚴(yán)重、壽命低的問題，近年來我們突破了重腐蝕防護(hù)涂層、高性能涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)、新一代耐腐蝕涂層鋼筋及其工程化等技術(shù)。”日前，中國科學(xué)院金屬研究所（以下簡稱金屬所）海洋工程重腐蝕防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李京在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，“這些技術(shù)將為國家從近海走向深海、建設(shè)海洋強(qiáng)國提供服務(wù)和支撐。”

國外技術(shù)“水土不服”

20世紀(jì)90年代中期，金屬所開始組建重腐蝕防護(hù)技術(shù)及工程化項(xiàng)目組。當(dāng)年，熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料是一種熱固性防腐涂料，已被一些發(fā)達(dá)國家的業(yè)內(nèi)人士公認(rèn)為埋地管道首選的防護(hù)涂料，但這一產(chǎn)品在國內(nèi)尚屬空白。

以此為切入點(diǎn)，項(xiàng)目組開展了與涂層性能相關(guān)的基礎(chǔ)研究，先后開發(fā)出兩大系列重防腐涂料， 分別是SEBF熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料和 SLF高分子復(fù)合液體涂料，并應(yīng)用于石油化工、煤炭能源、化學(xué)纖維等行業(yè)。

項(xiàng)目組還研發(fā)了耐電解液和耐摩擦的電解銅種板邊框防護(hù)技術(shù)，化纖車間在強(qiáng)腐蝕化學(xué)介質(zhì)中異型設(shè)備的防腐，各種強(qiáng)腐蝕環(huán)境下使用的風(fēng)機(jī)、泵、閥的防腐，減阻、耐磨管道的防腐技術(shù)等。

20世紀(jì)90年代末，我國第一座核電站——秦山核電站在建設(shè)過程中遭遇海水冷卻系統(tǒng)腐蝕難題，國外的技術(shù)方案因“水土不服”面臨尷尬境地。

“國外的耐海水鋼材在當(dāng)?shù)厥褂梅错懞芎茫瑓s不適合秦山核電站當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蟓h(huán)境。”李京解釋道，“這是因?yàn)槌撕Ｋ疂q落潮的海洋環(huán)境，這里還面臨著泥沙沖刷以及海水和淡水交替帶來的新的腐蝕問題。”

發(fā)現(xiàn)問題后，秦山核電站開始尋求援助，金屬所研發(fā)的重防腐涂料派上了用場。該涂料經(jīng)過驗(yàn)證后當(dāng)即被用戶采納，解決了秦山核電站海水冷卻系統(tǒng)的管道、管件、泵、閥、波紋管等部件的腐蝕防護(hù)問題。

緊接著，項(xiàng)目組又在2002年初西氣東輸彎管防腐工程中標(biāo)。李京告訴《中國科學(xué)報》：“我們設(shè)計(jì)的專用彎管防腐涂裝生產(chǎn)線，一個月就在現(xiàn)場建成并調(diào)試成功，首先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜工件多層熔結(jié)涂層技術(shù)的應(yīng)用。”

“重要的技術(shù)選擇”

進(jìn)入21世紀(jì)以來，海洋工程結(jié)構(gòu)材料（橋梁）和裝備材料（船舶）均對超長壽命、耐久性提出需求，項(xiàng)目組大顯身手的機(jī)會也隨之到來。

2003年11月14日，寧波杭州灣跨海大橋在中引橋C28號橋墩所在的位置順利打下了主體工程第一根樁，這根鋼管樁的一大特色是經(jīng)過了整體防腐蝕處理，背后的技術(shù)團(tuán)隊(duì)正是來自金屬所。

在建設(shè)之初，寧波杭州灣跨海大橋的設(shè)計(jì)使用壽命要求達(dá)到100年，支撐大橋的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由直徑1.5～1.6米、長度達(dá)88米的整體鋼管樁組成，單件鋼管樁重量在70噸以上。“如何實(shí)現(xiàn)跨海大橋鋼管樁的全面腐蝕控制是橋梁設(shè)計(jì)與工程中的難題。”李京回憶道，“經(jīng)過調(diào)查研究和設(shè)計(jì)，我們項(xiàng)目組提出了以高性能復(fù)合涂層為主、輔以犧牲陽極聯(lián)合防護(hù)的創(chuàng)意。”

“由于沒有成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，為了在施工中不破壞高性能涂層，陽極塊安裝避免水下焊接，主要采用水下安裝、水上焊接的創(chuàng)新方法。”李京介紹道，“結(jié)果表明這種方案是經(jīng)濟(jì)、有效和可行的，為國家重大工程特別是海洋工程中的重防腐開辟了全新的道路。”

從杭州灣跨海大橋到舟山連島金塘大橋、再到港珠澳大橋，李京帶領(lǐng)項(xiàng)目組經(jīng)過20多年的歷練，在海洋工程重防腐領(lǐng)域不斷取得技術(shù)和應(yīng)用的突破。“這些成果已經(jīng)成為海洋工程用戶在重防腐防護(hù)領(lǐng)域重要的技術(shù)選擇。”李京這樣告訴記者。

此番結(jié)論并不夸張。“以港珠澳大橋?yàn)槔層脩粝嘈抨帢O保護(hù)確實(shí)能保護(hù)海泥下的基礎(chǔ)鋼管復(fù)合樁，則必須進(jìn)行原位陰極保護(hù)電位監(jiān)測。”李京說，“而在當(dāng)時的海洋工程界，由于鋼樁打入工藝的限制，在鋼樁的海泥以下安裝監(jiān)測探頭非常困難，這一點(diǎn)基本做不到。”

為解決這個難題，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了新型耐沖擊組合探頭，并在鋼管內(nèi)壁設(shè)計(jì)了探頭和通信電纜保護(hù)裝置，探頭伴隨著打樁施工深入近百米的海泥下，實(shí)施了腐蝕防護(hù)的原位監(jiān)測。“這在海洋工程界還是首次。”李京表示。

國產(chǎn)化的新出路

在工程化應(yīng)用的過程中，李京發(fā)現(xiàn)了一些問題。

一方面，我國是海洋大國，卻不是海洋強(qiáng)國，海洋經(jīng)濟(jì)在國民經(jīng)濟(jì)中占比不大，但未來前景廣闊。另一方面，我國腐蝕現(xiàn)狀存在歷史問題，早年我國海洋腐蝕防護(hù)水平較為落后，在研究環(huán)境和支撐平臺方面幾乎是空白，大多參考國外海洋工程技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但很多技術(shù)資料國外對我國實(shí)施封鎖。

此外，隨著國外巨頭紛紛涌進(jìn)中國市場，國內(nèi)重防腐涂料市場很大程度被國外企業(yè)壟斷。“雖然我們掌握了核心技術(shù)，并較早注冊商標(biāo)，具備一定技術(shù)優(yōu)勢，但面對國外競爭者，我們?nèi)狈κ袌鰞?yōu)勢。”李京說。

有弊也有利。“國外企業(yè)分工較細(xì)，做材料的不做裝備，做裝備的不做工藝標(biāo)準(zhǔn)，做工程的把材料、裝備買來按照工藝標(biāo)準(zhǔn)施工。”李京告訴記者，團(tuán)隊(duì)正在將這三者進(jìn)行綜合研究，希望摸索出一條新的出路，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

在參與杭州灣跨海大橋建設(shè)前，李京團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始嘗試做工程標(biāo)準(zhǔn)。“此前我們大多采用ISO12944標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)雖然對操作工藝步驟有約束，但對材料理化性能沒有明確約束，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高低不一，我國很多工程的腐蝕防護(hù)也因此吃了虧。”

杭州灣跨海大橋不僅驗(yàn)證了李京團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的重腐蝕防護(hù)技術(shù)，也讓團(tuán)隊(duì)制定了一套該工程專用標(biāo)準(zhǔn)，還參與了國家標(biāo)準(zhǔn)編制。“我們當(dāng)時的標(biāo)準(zhǔn)比后來的國家標(biāo)準(zhǔn)要求還高。”李京向記者透露。

對目前的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，李京并不滿意，他認(rèn)為市場有需求，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有點(diǎn)慢，有必要引入技術(shù)經(jīng)理人團(tuán)隊(duì)，以更好地推動重腐蝕防護(hù)技術(shù)在近海和深遠(yuǎn)海的應(yīng)用。

另外，李京還希望建設(shè)新型涂層鋼鐵產(chǎn)品平臺，在鋼鐵企業(yè)對部分鋼鐵產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)涂裝，施工單位在現(xiàn)場直接應(yīng)用，既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低施工單位建設(shè)成本，又可為鋼鐵行業(yè)創(chuàng)造新的利潤增長點(diǎn)，滿足市場需求。