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魏英華：做好跨海工程的“保健” 為其延年益壽

2023-07-20 16:39:30 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：《腐蝕與防護(hù)之友》分享至：

魏英華博士中國(guó)科學(xué)院金屬研究所副研究員

我國(guó)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(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，橋梁建設(shè)水平已躋身于國(guó)際先進(jìn)行列。其中，橋梁的設(shè)計(jì)壽命也從過(guò)去的30-50年增加到80-120年，100-120年，壽命指標(biāo)的提高，這對(duì)橋梁腐蝕防護(hù)技術(shù)、腐蝕防護(hù)管理均提出了更高要求。研究橋梁防腐新技術(shù)是時(shí)代的要求，是保障橋梁耐久性的重要前提，也是緊迫任務(wù)。為了解大型的海洋橋梁的腐蝕防護(hù)的發(fā)展情況，本刊記者采訪了中國(guó)科學(xué)院金屬研究所副研究員魏英華博士，請(qǐng)他給我們做相關(guān)方面的精彩解讀。

魏英華，博士，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所副研究員，材料耐久性防護(hù)與工程化項(xiàng)目組專項(xiàng)負(fù)責(zé)人，遼寧省腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事，研究生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)閲?guó)家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程結(jié)構(gòu)材料的耐久性防護(hù)，重點(diǎn)解決鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料的腐蝕防護(hù)問(wèn)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(xiàng)大型工程的耐久性課題研究、設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

記者 : 隨著我國(guó)跨海大橋的發(fā)展，對(duì)于橋梁的腐蝕防護(hù)技術(shù)、腐蝕防護(hù)管理提出了更高的要求。您多年從事國(guó)家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程耐久性課題的研究，請(qǐng)您談一下海洋環(huán)境橋梁腐蝕現(xiàn)狀如何？橋梁防護(hù)科學(xué)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(tái)風(fēng)雷暴等極端天氣的考驗(yàn)。腐蝕也會(huì)在容易被人忽略的地方發(fā)生，對(duì)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(huì)在颶風(fēng)載荷和車輛的交變載荷下加劇，在一定的外界條件下會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，甚至導(dǎo)致橋梁坍塌。美國(guó)舊金山 San Mateo-Hayward跨海大橋，處于浪濺區(qū)的預(yù)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(jìn)行修補(bǔ)。我國(guó)在役的許多海洋橋梁、碼頭在建設(shè)初期未能進(jìn)行腐蝕全面控制，投運(yùn) 3-15 年之后，一般都會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土沿筋開裂，有的甚至?xí)崆斑M(jìn)入劣化期，導(dǎo)致計(jì)算簡(jiǎn)圖徹底改變，結(jié)構(gòu)的承載力喪失。對(duì)于嚴(yán)重腐蝕的結(jié)構(gòu)，目前尚無(wú)成熟的康復(fù)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(jí)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(qǐng)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(guó)內(nèi)外針對(duì)這些腐蝕問(wèn)題有哪些防護(hù)技術(shù)，您對(duì)這些防護(hù)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(tái)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(diǎn)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(dāng)異種金屬結(jié)構(gòu)相連時(shí)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(hù)措施一般是涂覆防護(hù)涂層，不能采用電化學(xué)防護(hù)。鋼管樁需要涂覆防腐涂層，但海水以及紫外線等會(huì)嚴(yán)重影響涂層的耐久性，必須配合電化學(xué)保護(hù)、外包其他防護(hù)材料等方法才能獲得良好的防護(hù)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(jī)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(hù)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(dǎo)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(guò)物理或化學(xué)手段提高混凝土的防護(hù)性能，具體措施主要有使用高質(zhì)量混凝土、適當(dāng)提高混凝土保護(hù)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(xué)保護(hù)等。

在選擇防護(hù)技術(shù)、制定防腐方案時(shí)，要按照不同的環(huán)境區(qū)域、不同材料有針對(duì)性的選擇腐蝕防護(hù)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(hù)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(diǎn)在防腐設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。對(duì)于某一特定橋梁，可將劃分成不同區(qū)域，對(duì)各區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性地設(shè)計(jì)。劃分各區(qū)域時(shí)要考慮環(huán)境特點(diǎn)、材料特點(diǎn)以及防腐方法的經(jīng)濟(jì)性等。這是分區(qū)防護(hù)原則。其次，在橋梁設(shè)計(jì)階段應(yīng)貫徹“全面腐蝕控制”的理念，應(yīng)用壽命技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)分析法核算定能取得可觀的回報(bào)。這種主動(dòng)防護(hù)的概念在執(zhí)行方面我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家目前差距較大。此外，也要防止“過(guò)保護(hù)”，在腐蝕方法選擇上注意存在“過(guò)猶不及”的可能性，比如金屬表面處理，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械噴砂（丸），都是 Sa 2.5 級(jí)，而未根據(jù)實(shí)際需要情況進(jìn)行具體選擇。事實(shí)上，對(duì)于欄桿等異型構(gòu)件采用化學(xué)除銹即可，且該技術(shù)無(wú)公害。

記者：您完成過(guò)杭州灣跨海大橋、舟山跨海大橋、港珠澳大橋等國(guó)家大型基礎(chǔ)建設(shè)工程的耐久性課題研究，請(qǐng)您詳細(xì)地介紹對(duì)您印象深刻的研究項(xiàng)目，并談?wù)勀母惺堋?/span>

魏研究員：那就談?wù)劯壑榘拇髽颍闹黧w剛剛完工。港珠澳大橋的設(shè)計(jì)壽命打破了國(guó)內(nèi)通常的“百年慣例”，制定了 120 年的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)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(shí)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(jì)方案已不能滿足港珠澳大橋耐久性需求，這為國(guó)內(nèi)外海洋工程防護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。

先談一下它的鋼管復(fù)合樁，港珠澳大橋的大部分鋼管復(fù)合樁位于泥下區(qū)，其涂層破壞方式主要來(lái)源于打樁過(guò)程中的機(jī)械損傷、泥砂碎石的磨劃傷和泥下腐蝕因素的長(zhǎng)期侵蝕、降解等。因?yàn)楦壑榘拇髽蛟O(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)，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(duì)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(shí)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(biāo)著手解決涂層的耐久性問(wèn)題，最終保證了涂層的120 年耐久性設(shè)計(jì)要求。

如果說(shuō)涂層系統(tǒng)的研究可以預(yù)測(cè)而提前進(jìn)行研究的話，而陰極保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)可以說(shuō)是遭遇戰(zhàn)，因?yàn)樵诨A(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定之前陰極保護(hù)是無(wú)法進(jìn)行的。而港珠澳大橋的鋼管復(fù)合樁的陰極保護(hù)給耐久性設(shè)計(jì)提出了很大難題，這是因?yàn)槠浣Y(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(hù)重點(diǎn)均為浸在海水中鋼管樁的陰極保護(hù)，而港珠澳大橋的多數(shù)鋼管復(fù)合樁位于混凝土承臺(tái)下的海泥中，對(duì)于以往大橋鋼管樁泥下區(qū)的陰極保護(hù)，僅認(rèn)為會(huì)消耗部分陰極保護(hù)電流而對(duì)于這部分的陰極保護(hù)效果不做深入探討。如何實(shí)施陰極保護(hù)，沒有先例可以借鑒。科研人員針對(duì)該腐蝕環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，摒棄陰極保護(hù)傳統(tǒng)做法，大膽采用海水中安裝保護(hù)泥下區(qū)的新方法，通過(guò)海水中的犧牲陽(yáng)極發(fā)射陰極保護(hù)電流通過(guò)界面流向海泥中的鋼管，以此解決海泥中更換犧牲陽(yáng)極難度過(guò)大的問(wèn)題。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，在完成計(jì)算驗(yàn)證后，科研人員按照 1 : 20 的比例進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證港珠澳跨海大橋鋼管復(fù)合樁陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的可行性。在模擬實(shí)驗(yàn)后，如果要真正應(yīng)用到港珠澳大橋上，還要通過(guò)足尺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以此驗(yàn)證大橋基礎(chǔ)實(shí)施的可行性。為讓用戶相信陰極保護(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(cè)。而在當(dāng)時(shí)的海洋工程界，這一點(diǎn)還做不到，這是由于海泥下安裝探測(cè)設(shè)備太困難。為解決這個(gè)難題，我們采取了鋼管內(nèi)壁安裝保護(hù)設(shè)施保護(hù)探頭的方法，將探頭伴隨著打樁深入近百米的海泥下，實(shí)施了原位監(jiān)測(cè)，這是在海洋工程界首次實(shí)現(xiàn)的。

記者：請(qǐng)您談?wù)勗陂L(zhǎng)耐久性需求下海洋橋梁腐蝕防護(hù)的思考。

魏研究員：隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求越來(lái)越高，近年來(lái)建設(shè)的大型海洋橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)達(dá)到 100 ～ 120 年，這種長(zhǎng)壽命、長(zhǎng)耐久性的需求對(duì)海洋橋梁的防腐提出了新的挑戰(zhàn)。主要有以下幾個(gè)方面。

首先是海洋橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)防腐設(shè)計(jì)方面的重視程度，這需要理解如何評(píng)估耐久性防腐設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在海洋橋梁在采用耐久性防腐技術(shù)設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)用要比采用短期防腐方法的橋梁低得多。因此，對(duì)于海洋橋梁結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析，必須考慮到橋梁設(shè)計(jì)服務(wù)壽命期間的全部費(fèi)用，即成本費(fèi)加上所有的維修費(fèi)用。比如，采用壽命周期費(fèi)用分析法（LCC 評(píng)價(jià)方法）就是這樣一種切合實(shí)際的方法。該方法將結(jié)構(gòu)物在一定評(píng)價(jià)周期內(nèi)的所有費(fèi)用都計(jì)算在內(nèi)，并考慮資金的時(shí)間價(jià)值，把不同時(shí)期產(chǎn)生的費(fèi)用按相同貼現(xiàn)率計(jì)算其現(xiàn)值，最后根據(jù)各個(gè)方案總現(xiàn)值來(lái)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性的好壞。

其次，我國(guó)在海洋涂料方面的技術(shù)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距。通常，海洋防腐涂料的開發(fā)研制周期長(zhǎng)、技術(shù)難度高、投資大且風(fēng)險(xiǎn)大。國(guó)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．?dāng)前國(guó)際上知名的海洋涂料大公司有英國(guó)的國(guó)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(guó)、英國(guó)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(chǎng)管理等方面形成了一整套十分嚴(yán)格和嚴(yán)密的體系。我國(guó)在近年來(lái)建立了“中國(guó)船舶工業(yè)船舶涂料檢測(cè)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(jī)構(gòu)，但必須承認(rèn)，我國(guó)整體技術(shù)水平仍落后于先進(jìn)國(guó)家 20 ～ 30 年。比如，我國(guó)混凝土構(gòu)件保護(hù)涂料是在鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)涂料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(shí)它的使用沒有根據(jù)不同的使用場(chǎng)合分類，即使用專用涂料用于專門的部位，而國(guó)外則在這方面規(guī)定得很詳細(xì)。目前，全球十大船舶涂料公司在 2003 年就已全部進(jìn)駐中國(guó)，并建有生產(chǎn)基地，國(guó)外大涂料公司的合資或獨(dú)資企業(yè)幾乎占據(jù)了我國(guó)海洋涂料的主要市場(chǎng)，并呈激烈競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。海洋大橋的涂料市場(chǎng)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(duì)應(yīng)的附屬設(shè)施在建時(shí)的涂裝面積達(dá) 666 萬(wàn)平方米，相當(dāng)于約 925 個(gè)足球場(chǎng)大小，如此大的市場(chǎng)長(zhǎng)期依靠國(guó)外公司的產(chǎn)品終究不是長(zhǎng)久之計(jì)。

另外，腐蝕防護(hù)技術(shù)中的電化學(xué)防護(hù)方法，如陰極保護(hù)在長(zhǎng)耐久性設(shè)計(jì)中也可能出現(xiàn)新問(wèn)題。陰極保護(hù)通常與耐久性更好的涂層聯(lián)合應(yīng)用，在這種聯(lián)合防護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)需要的保護(hù)電流減小，節(jié)省犧牲陽(yáng)極的使用量。隨著科技的發(fā)展，防腐涂層的性能越來(lái)越好，被保護(hù)結(jié)構(gòu)所需的陰極保護(hù)電流變得很小，其結(jié)果是犧牲陽(yáng)極發(fā)射的保護(hù)電流大大減小，犧牲陽(yáng)極可能長(zhǎng)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(hù)設(shè)計(jì)時(shí)采用的陽(yáng)極電流效率是按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定在 1mA/cm 2 的工作電流密度下測(cè)得的，而犧牲陽(yáng)極在這種“非正常”工作狀態(tài)下的工作電流密度遠(yuǎn)小于這一數(shù)值。因此在實(shí)際系統(tǒng)和設(shè)計(jì)過(guò)程中工作電流密度的這種差異就有可能導(dǎo)致犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)用量過(guò)多或不足。

因此，海洋橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)需要針對(duì)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(diǎn)分析腐蝕的影響程度，在設(shè)計(jì)階段即采取主動(dòng)防護(hù)措施對(duì)腐蝕實(shí)施有效控制，以延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命。在橋梁的服役過(guò)程中，需要定期或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)，以便調(diào)整腐蝕控制系統(tǒng)運(yùn)行方式和制定有效的維修、維護(hù)計(jì)劃，確保橋梁的安全使用。

后記

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，相信經(jīng)過(guò)各環(huán)節(jié)的共同努力，海洋橋梁結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)的耐久性問(wèn)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(hù)！

人物簡(jiǎn)介