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港珠澳大桥设计寿命120年!全靠它了

9月27日,历时4年多的建设,世界最大的跨海大桥港珠澳大桥桥梁主体工程全面贯通。其中,由中国科学院金属研究所自主研发的新型涂层和阴极保护联合防护技术在该工程中发挥了重要作用。

中科院金属所材料耐久性防护与工程化课题组负责人李京告诉《中国科学报》记者:“我们完成了大桥基础钢管复合桩(含钢管桩)防护涂层工艺设计、阴极保护系统设计、原位腐蚀监测系统等,研制出用于大桥桥墩的新一代高性能环氧涂层钢筋,保障了港珠澳大桥基础120年耐久性设计要求。”

研发重防腐涂装技术

据悉,中科院金属所材料耐久性防护与工程化研究始于20世纪90年代,20多年来先后开展了重防腐涂装技术基础和应用的研究与开发和生产。

李京介绍:“金属所更新了防腐涂装技术理念以及重腐蚀涂层防护技术,自行设计并制造了具有自主知识产权的涂装设备,组建一支能啃硬骨头的科研队伍,从而走出一条自主创新之路。”

中科院金属所以重防腐涂料的基础研究为依据,开发和生产了两个系列重防腐涂料,即SEBF熔融结合环氧粉末涂料和SLF高分子复合涂料,生产规模年产可达千吨;研究设计成功了国内首例万吨埋地管全自动内外涂装生产线和中、小型涂装生产线,已在全国安装8条;建立快速固化、常规热固化和常温固化三类涂装工艺;主持制订《熔融结合环氧粉末涂料的防腐蚀涂装》国家标准,获得专利24项。

目前,中科院金属所自主研发的重防腐涂装技术已经在秦山核电站海水冷却回路系统、国家“西气东输”工程用天然气管道弯管、杭州湾跨海大桥钢管桩、舟山连岛金塘大桥钢管桩、上海市青草沙水源地原水工程输水工程等重大基础防腐工程中发挥了不可替代的作用。

挑战百年技术极限

李京指出,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。

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。

中科院金属所科研人员把研究防护涂层体系重点瞄准在解决打桩过程中的耐划伤性、耐磨损性和长期服役过程中抗海水渗透性、耐阴极剥离性和长期湿态附着力、耐微生物等方面。

因为港珠澳大桥设计寿命更长,需要在已有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,中科院金属所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。

李京称:“港珠澳大桥基础桥墩使用的混凝土是海工混凝土,海工混凝土除强度和拌合物的和易性应满足设计、施工要求外,在抗渗性、抗冻性、抗蚀性、防止钢筋锈蚀和抵抗冰凌撞击方面都有更高的要求。因此,用于海工混凝土的钢筋也要做特殊的防护。”

为此,中科院金属所开发出了一种高性能涂层钢筋技术,并通过中国腐蚀学会组织的鉴定,认为其性能超过现有国内外相关涂层钢筋的技术指标,在同类产品中处于国际领先水平。金属所通过对高性能环氧涂层钢筋技术指标的实验研究和耐久性分析,预期可用于设计寿命120年的海洋钢筋混凝土结构工程。

突破阴极保护难题

“如果涂层系统的研究可以预测而提前进行研究的话,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。”李京说,“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,即以保护海水中的钢管桩来计算牺牲阴极使用量和设计阴极保护安装形式。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。李京很清楚,如何实施港珠澳大桥的阴极保护,没有先例可以借鉴。

中科院金属所科研人员针对该腐蚀环境和结构特点,重点研究了钢管复合桩在贯入不同地质层后阴极保护面临的难题。首先,科研人员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。

在完成初始设计后,还需要用计算来预测设计的合理性。虽然应用计算机对海洋结构采用数值技术设计阴极保护系统得到了迅速发展,但是,阴极保护模型是需要以电解质为均匀介质为假设前提,而实际环境中,钢管桩经过的地质层在理化性能上差异很大。

金属所科研人员在实践中发现,目前的阴极保护模型并不适合当前港珠澳大桥钢管复合桩的阴极保护设计。于是科研人员采取了巧妙方法,选取极端情况估算保护效果,即计算在土壤电阻率最大和最小两种情况下阴极保护的电位是否能达到保护要求,并将此作为类似工程阴极保护设计的一种手段。

实践是检验真理的标准,在完成计算验证后,科研人员决定进行模拟试验,验证港珠澳跨海大桥钢管复合桩阴极保护设计的可行性。尽管该试验结果不能完全反映实际阴极保护的状态,也可以为检验阴极保护的设计方式提供依据。

科研人员科研人员按照1:20的比例,模拟直径2.2米,长度90米的钢管桩,装置中的土壤环境也尽可能地模拟了港珠澳大桥钢管复合桩穿越的地质,即5层结构。结果表明在海水中安装高效牺牲铝阳极能充分保护海泥中的钢管桩,即新型阴极保护方式能满足防护要求。

“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。”李京指出,“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,中科院金属所科研人员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。

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