专题 | 魏英华：做好跨海工程的“保健” 为其延年益寿

2017-07-27 16:30:23 作者：王妮来源：《腐蚀防护之友》分享至：

魏英华博士中国科学院金属研究所副研究员

我国近 20 年建设了一大批结构新颖、现代化程度和科技含量高的斜拉桥、悬索桥、拱桥等特大型海洋桥梁，积累了丰富的桥梁设计和施工经验，桥梁建设水平已跻身于国际先进行列。其中，桥梁的设计寿命也从过去的30-50年增加到80-120年，100-120年，寿命指标的提高，这对桥梁腐蚀防护技术、腐蚀防护管理均提出了更高要求。研究桥梁防腐新技术是时代的要求，是保障桥梁耐久性的重要前提，也是紧迫任务。为了解大型的海洋桥梁的腐蚀防护的发展情况，本刊记者采访了中国科学院金属研究所副研究员魏英华博士，请他给我们做相关方面的精彩解读。

魏英华，博士，中国科学院金属研究所副研究员，材料耐久性防护与工程化项目组专项负责人，辽宁省腐蚀与防护学会理事，研究生导师。主要研究领域为国家大型基础建设工程结构材料的耐久性防护，重点解决钢结构、钢筋混凝土结构材料的腐蚀防护问题。完成了杭州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、港珠澳大桥、上海青草沙原水工程等多项大型工程的耐久性课题研究、设计及现场实施。

记者 : 随着我国跨海大桥的发展，对于桥梁的腐蚀防护技术、腐蚀防护管理提出了更高的要求。您多年从事国家大型基础建设工程耐久性课题的研究，请您谈一下海洋环境桥梁腐蚀现状如何？桥梁防护科学研究的意义是什么？

魏研究员：海洋环境中桥梁承受着交变载荷、海浪冲蚀、汽车尾气污染等多种腐蚀因素的交互作用，甚至还要承受台风雷暴等极端天气的考验。腐蚀也会在容易被人忽略的地方发生，对桥梁结构的完整性和稳定性造成损伤。这种结构完整性损伤会在飓风载荷和车辆的交变载荷下加剧，在一定的外界条件下会对桥梁产生严重破坏，甚至导致桥梁坍塌。美国旧金山 San Mateo-Hayward跨海大桥，处于浪溅区的预制横梁因钢筋锈蚀产生破坏，使用不到 20 年就必须耗巨资进行修补。我国在役的许多海洋桥梁、码头在建设初期未能进行腐蚀全面控制，投运 3-15 年之后，一般都会发生钢筋锈蚀、混凝土沿筋开裂，有的甚至会提前进入劣化期，导致计算简图彻底改变，结构的承载力丧失。对于严重腐蚀的结构，目前尚无成熟的康复技术，即使投入大量资金，其结果也只是阻止加速腐蚀，但桥梁必须降级使用。（海洋桥梁的各类腐蚀形式参见图1）。

记者：海洋桥梁主要结构为钢结构和钢筋混凝土结构，请您谈一下，在海洋环境下桥梁主要结构面临哪些类型的腐蚀？目前国内外针对这些腐蚀问题有哪些防护技术，您对这些防护技术有什么见解。

魏研究员：海洋桥梁上使用的钢结构有钢管桩、钢箱梁和钢制拉索等主要承重结构，以及钢围堰、承台底板以及螺栓紧固件、焊接结构等附加物。钢箱梁、钢制拉索所处的腐蚀环境主要是海洋大气区，腐蚀因素主要是汽车尾气和海水蒸汽，在这一环境中钢箱梁和钢制拉索的腐蚀形式以均匀腐蚀和点蚀为主。由于海洋大气环境非常潮湿、钢结构表面的电解质溶液充足，当异种金属结构相连时钢结构还较容易发生电偶腐蚀。钢箱梁和钢制拉索处于大气环境中，防护措施一般是涂覆防护涂层，不能采用电化学防护。钢管桩需要涂覆防腐涂层，但海水以及紫外线等会严重影响涂层的耐久性，必须配合电化学保护、外包其他防护材料等方法才能获得良好的防护效果。

海洋环境下钢筋混凝土的结构腐蚀主要体现在混凝土结构性能退化和其中钢筋腐蚀两方面。混凝土本身腐蚀破坏机理包括混凝土碳化以及混凝土冻融循环等破坏等。由于混凝土本身性能退化以及氯离子的侵蚀，破坏了钢筋表面的保护性环境使钢筋所处环境满足腐蚀发生的条件，从而导致钢筋发生腐蚀。因此钢筋混凝土的防腐蚀原理主要是通过物理或化学手段提高混凝土的防护性能，具体措施主要有使用高质量混凝土、适当提高混凝土保护层厚度、在混凝土或钢筋表面涂覆防腐涂层、向混凝土中添加缓蚀剂以及采用电化学保护等。

在选择防护技术、制定防腐方案时，要按照不同的环境区域、不同材料有针对性的选择腐蚀防护方法。不同区域海洋大桥腐蚀环境多有不同，选择的防护方法存在较大区别，如杭州湾海域的泥沙含量、水流速较大，而港珠澳大桥海域则存在较多微生物，这些环境特点在防腐设计时必须予以考虑。对于某一特定桥梁，可将划分成不同区域，对各区域进行有针对性地设计。划分各区域时要考虑环境特点、材料特点以及防腐方法的经济性等。这是分区防护原则。其次，在桥梁设计阶段应贯彻“全面腐蚀控制”的理念，应用寿命技术经济分析（LCCA）的原理，在桥梁建设初期就采取周密的防腐蚀措施，初期投资虽然多了一些，但按照全寿命经济分析法核算定能取得可观的回报。这种主动防护的概念在执行方面我国与国外发达国家目前差距较大。此外，也要防止“过保护”，在腐蚀方法选择上注意存在“过犹不及”的可能性，比如金属表面处理，国际标准普遍采用喷砂除锈等施工工艺，但也存在误区，例如：凡是表面处理，一律是机械喷砂（丸），都是 Sa 2.5 级，而未根据实际需要情况进行具体选择。事实上，对于栏杆等异型构件采用化学除锈即可，且该技术无公害。

记者：您完成过杭州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、港珠澳大桥等国家大型基础建设工程的耐久性课题研究，请您详细地介绍对您印象深刻的研究项目，并谈谈您的感受。

魏研究员：那就谈谈港珠澳大桥，它的主体刚刚完工。港珠澳大桥的设计寿命打破了国内通常的“百年惯例”，制定了 120 年的设计标准，这对跨海大桥的基础结构钢管桩的耐久性提出了更高的要求。耐久性工作实际上是建桥的前提条件，此前原有的跨海大桥耐久性设计方案已不能满足港珠澳大桥耐久性需求，这为国内外海洋工程防护提出了新的挑战。

先谈一下它的钢管复合桩，港珠澳大桥的大部分钢管复合桩位于泥下区，其涂层破坏方式主要来源于打桩过程中的机械损伤、泥砂碎石的磨划伤和泥下腐蚀因素的长期侵蚀、降解等。因为港珠澳大桥设计寿命更长，所以需要在以往大桥钢管桩涂层技术的基础上研发出性能更加优越的涂层以满足要求。针对港珠澳大桥特定的海泥环境，我们科研人员在大桥论证时起开展了相关涂层的研发工作，先后从涂层的抗渗透性、耐阴极剥离性等关键性能指标着手解决涂层的耐久性问题，最终保证了涂层的120 年耐久性设计要求。

如果说涂层系统的研究可以预测而提前进行研究的话，而阴极保护系统的研发可以说是遭遇战，因为在基础结构设计确定之前阴极保护是无法进行的。而港珠澳大桥的钢管复合桩的阴极保护给耐久性设计提出了很大难题，这是因为其结构、安装方式与以往的大桥钢桩不同。以往跨海大桥的阴极保护重点均为浸在海水中钢管桩的阴极保护，而港珠澳大桥的多数钢管复合桩位于混凝土承台下的海泥中，对于以往大桥钢管桩泥下区的阴极保护，仅认为会消耗部分阴极保护电流而对于这部分的阴极保护效果不做深入探讨。如何实施阴极保护，没有先例可以借鉴。科研人员针对该腐蚀环境和结构特点，摒弃阴极保护传统做法，大胆采用海水中安装保护泥下区的新方法，通过海水中的牺牲阳极发射阴极保护电流通过界面流向海泥中的钢管，以此解决海泥中更换牺牲阳极难度过大的问题。

实践是检验真理的标准，在完成计算验证后，科研人员按照 1 : 20 的比例进行模拟试验，验证港珠澳跨海大桥钢管复合桩阴极保护设计的可行性。在模拟实验后，如果要真正应用到港珠澳大桥上，还要通过足尺实验验证，以此验证大桥基础实施的可行性。为让用户相信阴极保护确实能保护海泥下的基础钢管复合桩，则必须进行原位阴极保护电位监测。而在当时的海洋工程界，这一点还做不到，这是由于海泥下安装探测设备太困难。为解决这个难题，我们采取了钢管内壁安装保护设施保护探头的方法，将探头伴随着打桩深入近百米的海泥下，实施了原位监测，这是在海洋工程界首次实现的。

记者：请您谈谈在长耐久性需求下海洋桥梁腐蚀防护的思考。

魏研究员：随着社会的进步，人们对基础设施的要求越来越高，近年来建设的大型海洋桥梁结构的设计寿命已经达到 100 ～ 120 年，这种长寿命、长耐久性的需求对海洋桥梁的防腐提出了新的挑战。主要有以下几个方面。

首先是海洋桥梁设计过程中对防腐设计方面的重视程度，这需要理解如何评估耐久性防腐设计的经济价值。在海洋桥梁在采用耐久性防腐技术设计后，与常规桥梁相比，成本必然有所提高。但从桥梁全寿命期的经济性考虑，采用耐久性防腐技术的桥梁在全寿命内维修会用要比采用短期防腐方法的桥梁低得多。因此，对于海洋桥梁结构防腐技术的经济性分析，必须考虑到桥梁设计服务寿命期间的全部费用，即成本费加上所有的维修费用。比如，采用寿命周期费用分析法（LCC 评价方法）就是这样一种切合实际的方法。该方法将结构物在一定评价周期内的所有费用都计算在内，并考虑资金的时间价值，把不同时期产生的费用按相同贴现率计算其现值，最后根据各个方案总现值来评价经济性的好坏。

其次，我国在海洋涂料方面的技术与国外发达国家存在较大差距。通常，海洋防腐涂料的开发研制周期长、技术难度高、投资大且风险大。国外海洋防腐涂料研发主要靠政府或实力雄厚的涂料大公司支持。当前国际上知名的海洋涂料大公司有英国的国际船舶漆公司（IP）、日本关西涂料、荷兰 Sigma、丹麦 Hemple、挪威 Jotun 等。另外，美国、英国的海军部均有上百年的海洋涂料开发历史，从涂料生产、质量监督、涂装规范及涂装现场管理等方面形成了一整套十分严格和严密的体系。我国在近年来建立了“中国船舶工业船舶涂料检测站”、“海洋涂料产品质量监督中心”等质量管理监督机构，但必须承认，我国整体技术水平仍落后于先进国家 20 ～ 30 年。比如，我国混凝土构件保护涂料是在钢结构保护涂料的基础上发展起来的，它的不足之处在于没有充分考虑到非金属和金属腐蚀的不同，同时它的使用没有根据不同的使用场合分类，即使用专用涂料用于专门的部位，而国外则在这方面规定得很详细。目前，全球十大船舶涂料公司在 2003 年就已全部进驻中国，并建有生产基地，国外大涂料公司的合资或独资企业几乎占据了我国海洋涂料的主要市场，并呈激烈竞争的态势。海洋大桥的涂料市场十分巨大，比如，港珠澳大桥仅基础钢管桩、大气区的钢箱梁、塔身及对应的附属设施在建时的涂装面积达 666 万平方米，相当于约 925 个足球场大小，如此大的市场长期依靠国外公司的产品终究不是长久之计。

另外，腐蚀防护技术中的电化学防护方法，如阴极保护在长耐久性设计中也可能出现新问题。阴极保护通常与耐久性更好的涂层联合应用，在这种联合防护体系中，涂层能够将金属表面与腐蚀介质分离，使被保护结构需要的保护电流减小，节省牺牲阳极的使用量。随着科技的发展，防腐涂层的性能越来越好，被保护结构所需的阴极保护电流变得很小，其结果是牺牲阳极发射的保护电流大大减小，牺牲阳极可能长期处于一种工作电流密度很小的“非正常”的工作状态。在阴极保护设计时采用的阳极电流效率是按照相关国家标准中的规定在 1mA/cm 2 的工作电流密度下测得的，而牺牲阳极在这种“非正常”工作状态下的工作电流密度远小于这一数值。因此在实际系统和设计过程中工作电流密度的这种差异就有可能导致牺牲阳极的设计用量过多或不足。

因此，海洋桥梁结构的腐蚀防护需要针对具体桥梁所处的腐蚀环境，结合桥梁材质结构特点分析腐蚀的影响程度，在设计阶段即采取主动防护措施对腐蚀实施有效控制，以延长桥梁结构使用寿命。在桥梁的服役过程中，需要定期或实时监测其结构腐蚀状态，以便调整腐蚀控制系统运行方式和制定有效的维修、维护计划，确保桥梁的安全使用。

后记

随着社会的进步、科技的发展，相信经过各环节的共同努力，海洋桥梁结构的腐蚀防护的耐久性问题将得到有效的控制，跨海桥梁在 100 年的寿命中得到有效的保护！

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