跨海大桥钢桩的海洋腐蚀与防护

2019-12-02 01:03:28 hualin 34

1. 概述

海洋是生命的摇篮﹑风雨的故乡﹑气候的调节器﹑交通的要道﹑资源的屏障。海洋不仅仅是巨大的资源宝库,而且是人类生存与发展不可缺少的空间环境,是解决人口剧增﹑资源短缺﹑环境恶化三大难题的希望所在。近年来,为缓解交通压力,海洋变成了交通要道,一座座跨海大桥矗然而立,中国有着世界最长的跨海大桥--杭州湾大桥,这不仅方便了交通,而且给经济的发展带来巨大效应,从资料显示,我国已建和在建的跨海大桥数量不少,它所带来的经济收益将远远超过建桥本身。例如,作为国内第一座跨海大桥,上海东海大桥使上海人的活动半径向大海延伸了30多公里,这是历史性的突破。同时,上海南汇、奉贤等区也将会成为上海制造业的新高地。再如全世界最长、工程量最大的杭州湾跨海大桥建设,完善了长江三角洲区域公路布局及国道主干线,缓解了沪、杭、甬高速公路流量的压力,有利于杭州湾地区城市主动接轨上海,扩大开放,推动长江三角洲地区的合作与交流,提高浙江省对内对外开放水平,增强综合实力和国际竞争力。由于钢材的强度高,韧性好,容易加工,质量也容易保证。这些优点推动了钢铁在海洋港湾设施上的大量应用。作为跨海大桥的支架,海洋环境下,腐蚀是其致命的弱点。钢铁材料在海洋中的耐蚀性能较差,其疲劳性能显著下降,大大降低了钢构造物的使用寿命,直接影响大桥的使用安全。由于跨海大桥是建在环境相当恶劣的海洋环境中,因此,海洋大气严重的盐雾腐蚀是跨海桥梁设计和建造过程中必须重视的课题。


2. 海洋腐蚀环境

海洋腐蚀环境包括海洋大气腐蚀环境和海水腐蚀环境,钢材在海洋环境中的具体位置不同其腐蚀机理和腐蚀类型也各不相同。包括海洋大气腐蚀、海水腐蚀、潮差区腐蚀、飞溅区腐蚀、全浸区腐蚀等,为了研究不同区域的腐蚀必须从腐蚀介质入手。


2.1 海水腐蚀环境

海水是一种复杂的多组分水溶液,海水中各种元素都以一定的物理化学形态存在。海水是一种含盐量相当大的腐蚀性介质,表层海水含盐量一般在3.20%-3.75%之间,随水深的增加,海水含盐量略有增加。盐分中主要为氯化物,占总盐量的88.7%。由于海水总盐度高,所以具有很高的电导率,海水中pH值通常为8.1-8.2,且随海水深度变化而变化。若植物非常茂盛,CO2减少,溶解氧浓度上升,pH值可接近10;在有厌氧性细菌繁殖的情况下,溶解氧量低,而且含有H2S,此时pH值常低于7。海水中的氧含量是海水腐蚀的主要影响因素之一,正常情况下,表面海水氧浓度随水温大体在5~10mg/L范围内变化。海水温度一般在-2℃-35℃之间,热带浅水区可能更高。海水中氯离子含量约占总离子数的55%,海水腐蚀的特点与氯离子密切相关。氯离子可增加腐蚀活性,破坏金属表面的钝化膜。


2.2 海洋大气腐蚀环境

大气腐蚀一般被分成乡村大气腐蚀,工业大气腐蚀和海洋大气腐蚀。 乡村地区的大气比较纯净;工业地区的大气中则含有SO2,H2S, NH2和NO2等。大气中盐雾含量较高,对金属有很强的腐蚀作用。与浸于海水中的钢铁腐蚀不同 ,海洋环境对金属腐蚀的研究同其它环境中的大气腐蚀一样是由于潮湿的气体在物体表面形成一个薄水膜而引起的。这种腐蚀大多发生在海上的船只、海上平台以及沿岸码头设施上。我国许多海滨城市受海洋大气的影响,腐蚀现象是非常严重的。除了在强风暴的天气中,在距离海岸近的大气中的金属材料,特别是在距海岸200m以内的大气区域中,强烈的受到海洋大气的影响,。离海岸24m处钢的腐蚀比240m处大12倍,海洋环境中金属材料腐蚀速率明显变化发生在距海岸线 15 km到 25 km之间。因此,海洋环境对金属影响范围一般界定为20km左右。海洋大气中相对湿度较大,同时由于海水飞沫中含有氯化钠粒子,所以对于海洋钢结构来说,空气的相对湿度都高于它的临界值。因此,海洋环境中的钢铁表面很容易形成有腐蚀性的水膜。薄水膜对钢铁的作用而发生大气腐蚀的过程,符合电解质中电化学腐蚀的规律。这个过程的特点是氧特别容易到达钢铁表面,钢铁腐蚀速度受到氧极化过程控制。空气中所含杂质对大气腐蚀影响很大,海洋大气中富含大量的海盐粒子,这些盐粒子杂质溶于钢铁表面的水膜中,使这层水膜变为腐蚀性很强的电解质,加速了腐蚀的进行,与干净大气的冷凝水膜比,被海雾周期饱和的空气能使钢的腐蚀速度增加几倍。


3. 海洋环境对金属的影响因素

3.1 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。


3.2 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。


3.3 CO2、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。


3.4 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。


3.5 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。


3.6 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。


3.7  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。


4. 海洋腐蚀破坏的主要形式

(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。


(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)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。


(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。


(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。


5. 钢桩的腐蚀与防护

5.1 腐蚀裕量法

设计时预加腐蚀富裕量对泥面以上区段或整个钢桩加大其壁厚。以提高使用年限。此方法国内钢桩码头基本上采用。以增加其安全系数。但这是一种消极方法,解决不了因局部腐蚀所带来的危害。另外,设计时若按其局部腐蚀速度推算所需预加的腐蚀裕量。则显得极不经济;若按其平均腐蚀速度推算所需预加的腐蚀裕量,则显得不安全。


5.2 耐海水低合金钢

自1967年美国钢铁公司发明了Mariner钢(海洋钢)后,日、德、法等国先后研制并生产了十几种耐海水钢,我国亦曾研制过10CrCuSiV 和10MnPNb钢等,但应用并不十分广泛 耐海水钢在大气区、浪溅区具有比普碳钢明显的耐蚀性,优良的耐海水钢较普碳钢于上述区域的耐蚀性可提高2~3倍;在海水全浸区虽亦有作用,但无上述区域那么明显。当然耐海水钢也有其局限性,某些耐海水钢的焊接性能差,焊缝处易遭腐蚀破坏,且价格高昂。


5.3 涂层保护

涂层主要指油漆涂料、环氧玻璃钢护套和其它有机或无机覆盖层。这对防止钢桩大气区和浪溅区的腐蚀是一较为有效的方法(视不同的环境条件采用适宜的涂层),但对钢桩水下区段防腐效果不佳。因其寿命有限,且目前国内尚无成功应用于海水中的先例,再者涂层仅能一次性施工,不利于长期维修和监测。即使在易监控涂层施工质量的时


机-- 钢桩在吊运打桩前就实施擦层保护。亦会目吊运、打桩等施工过程造成其局部破港口建设损或剥落,使得打桩后于海水介质中板易诱发大阴极、小阳极形式的局部腐蚀。且其腐蚀速度很快。易于引起局部腐蚀穿孔而再诱发该处的全面羰蚀。使得原有的涂层失去保护作用。


5.4 阴极保护

从50年代初至60年代末。世界各国相继将阴极保护技术广泛而又成功地应用于钢桩水下区段的保护上。阴极保护是一有效的防腐方案,能防止因各种钢表面状态不均所引起的局部腐蚀和通常的全面腐蚀。尚可提高钢桩于海水中的疲劳强度极限。无论钢桩表面状况的迥异,对新建或已建工程的钢桩都很适用。还可用直接检测钢表面阴极极化电位的方法控制其保护效果。若设计、管理得当,则其保护效果可达90 以上。钢桩阴极保护前后其腐蚀速度对比见下图:


5.5 涂料加阴极保护

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)

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6. 钢结构桥梁的防腐蚀措施

钢桥的防腐蚀应从设计、施工、维护、管理等方面入手,忽略了任何一方面都将造成对钢结构桥梁腐蚀的隐患。


6.1 钢桥的加固补强及表面处理

钢桥的加固补强。 为保证钢结构的完整及承载能力, 在施工前, 已委托专业设计单位在认真全面检查的基础上进行钢桥加固补强工程设计,提出针对已腐蚀损害的钢桥进行加固补强施工方案, 经专家审查后进行施工。


钢构件表面处理。 为保证涂层的附着力和使用寿命,涂装前应将钢桥表面的旧涂膜、氧化皮和锈迹除净。对钢桥表面采用机械喷射除锈,达到Sa2. 5级(非常彻底的喷射或抛射除锈等级) 。表面粗糙度达到40- 80Lm。如受施工条件限制, 局部可采用手工除锈, 达到St3 级(手工除锈等级)标准。钢构件表面应有明显的金属光泽,经处理后的钢桥表面应无灰尘、油污,并尽快喷涂,以防再生锈。


6.2 复涂施工工艺

复涂施工工艺为采用局部除锈加涂面漆的一种适用于旧钢结构的涂装施工工艺,采用局部除锈加涂面漆,可延长底漆的使用年限,减少除锈,节省资金。


6.3 桥面系防水改造

钢梁的腐蚀主要原因是因桥面系渗漏水造成,桥面系渗漏水是钢梁防腐蚀的关键技术, 应采取彻底维修, 进行防水改造。


6.4 涂装配套的选择

防腐涂装的选用,是与钢粱所处的自然环境、使用年限、结构类型、施工方法等有着密切关系。应选择科学、合理、经济、适用的涂装配套体系,最大限度地发挥涂膜性能,提高防腐蚀能力。


6.5 重防腐蚀涂装方案

重防腐涂装系统在国外已有成功使用的例子,在我国已开始在大型桥梁上使用重防腐涂装系统来进行防腐保护。为增强面漆抗周围腐蚀介质的性能和耐碱性,采用以富锌涂料为防锈底漆的、氟碳面漆等合成树脂涂料的涂装系统,具有长达20- 30年的耐候有效期,在施工中,我们采用如下2个重防腐涂装方案组合配套。


( 1)环氧富锌底漆十环氧云铁中间层+ 氟碳面漆。


( 2)热喷锌(铝)层+ 环氧封闭漆+ 环氧云铁涂层+氟碳面漆。


环氧富锌漆在使用前钢铁表面处理要达到Sa2级,喷锌(铝)层, 则必须在热喷前对钢铁表面进行Sa3级的除锈,钢铁表面须具有均匀一致的金属光泽,达到一尘不染的纯亮程序,这对我们实际操作上虽有一定的难度,但热喷锌(铝)层的防腐蚀效果非常好的。重防腐涂装( 1)、( 2)是复合涂装体系, 由高性能的底漆、中涂和面漆构成。一般采用250- 500um的涂层厚度,是用厚浆型防腐蚀涂料形成的一种新产品,具有耐腐蚀性能强、涂膜厚、防腐蚀有效期长的特点。重防腐蚀涂层采用厚浆型的环氧富锌涂料或喷金属打底,给予阴极保护;涂采用云铁漆;采用耐水、耐化学性、耐候性优良的高固体分涂料进行配套效果显著。具有良好的防蚀和对钢铁的附着性能;间涂层对底漆和面漆的涂层问有附着结合力,较好的屏蔽作用,有效阻止水、氧及腐蚀介质的渗入;有长达20- 30年的耐腐蚀有效期,长效、实用和经济的防腐涂装体系。