( b) 挪威船 级社标 准，DNV RPB401 ，19 93，Cat hodi c Pr ot e ct i on Des i gn． ( c) 《海港f 程钢结构防腐蚀技术规定》( J TJ230—89) 。 计算海水中钢管槛、管道或其德金属结构阴极保护所需要的阳极数鼙应该从初期豳极保护电流密 度、平均阴极保护电流密度和末期阴极保护电流密度三个方面进行。为了确保阴极保护系统能始终有效 地发挥作崩，且保证阴极保护系统的设计使用寿命，必须动态地考虑高性能熔结环氧涂层使用过程中的 破损率，分别剩耀三个方愿电流密度计算海水中跨海大桥钢管槛阴极保护所需要鳇阳极数鼙。 为增加钢管桩耐久性设计的安全可靠性，在计算中，涂缓初期破损率按l ％计算，末瑚按15％计算， 平均按8％计算，这对于高性能熔结环氧复合涂层来说，选择了非常保守的破损率结果。从实际计算结
第29卷增刊 2008年5月
《腐蚀与 防护》
CORROSI ON&PROTECTI ON
跨海大桥 钢管桩高性能 涂层与牺牲阳 极法 阴 极 保 护 联合 保 护 技 术
李晓东李 京陆卫中史杰 智高英魏英华 张立新
( 中科院金 属研究所国家腐 蚀控制工程技术研 究中心) 摘要 ：通 过在 杭州湾 跨海 大桥 和舟山 大陆 连岛 工程金 塘大 桥的 应用 情况， 本文 总结 了跨海 大桥 钢管 桩耐久 性设 计采 用 的高性能 熔结环氧复合涂层 与牺牲阳极法阴 极保护联合保护 技术的要点、优点 ，提出存在的和 需要进一步研究的 问题。 关键词：跨海火桥钢管桩 高性能涂层 阴极保护
2) 水 下区 ：该 区腐 蚀情 况仅 次于 潮汐 区， 腐蚀 状况 受海 水泥 沙含 量、 盐度 、温 度、 pH值 、氧 含量 、 海生物附着、环境污染等因素的影响。海水流速快，还受到近海海洋细菌和海生物以及j r 业、生活污水 的侵蚀。我所 围时也研究基嬲适予这穗环 境憋SBEF- 6—2黪嚣童久性防护涂料。
3) 泥下区：泥下地质多数为沙土、粉沙，而且由于该区属于海洋生物和细菌种类及其数量较多， 对钢桩具也有一定的腐蚀能力，是钢管桩所处的三个腐蚀区域内腐蚀性相对较弱的区域。但同时要求保 持钢管桩涂层具有一定的锚叙度，保持与海泥间有一定的锚网力。根据这些要求也研究出在适用于这种 环境酶S3Ep6一l 鳇耐久性防护涂料。
大桥基础部位的钢管桩，长期服役在不同腐蚀条件的海洋环境下，存在着不同腐蚀和防腐要求的复 杂问题，其防护方法措施的选择及服役期间的后期维护将直接关系到钢管桩使用寿命。近年来，我们对 跨海火桥钢管桩在海洋环境下的重腐蚀问题开展研究，根据高性能涂层技术的研究基础和实践，提出大 桥钢管桩采用高性能熔结环氧复合涂层和阴极保护联合防护方案，确定了跨海大桥钢管桩耐久性防护方 法。
粉末的应用和相关技术的开发，使得高性能长效防护涂层体系得以很好的实现。熔结环氧粉末涂敷层是 一种新兴的防腐蚀手段，它完全不含溶剂，以粉末形态喷涂并熔融成膜的新型涂层，并且流平覆盖整个 钢管表面，与基体间没有空隙，完全紧密结合。更重要的是，在此过程中发生化学反应，环氧粉末树脂 受热同化交联而形成连续的热同性聚合物，并且与钢管表面形成某种程度的化学结合。它是一种热固性 涂料，在加热后所形成的涂层是不能融化或溶解的，温度再升高也不会像热塑性涂层那样软化，而且涂 装方便，不需要养护期。
第29 卷增刊 2008年5月
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将分别在潮汐区、海水区和泥F区不同腐蚀环境中服役，不同部位所处的腐蚀环境不同。臻适应三个不 同的 腐蚀环境 ，必须 用复合涂 瑟防护结 构满足 这种要求 。
1) 浪溅和潮差区：该区受到饱和充氧海水的连续循环溅射，因而对钢桩的腐蚀性楣当强。台风期 在高风速和水流的影响F，造成腐蚀和磨蚀的相互作用，加快该区域钢桩的腐蚀损伤。因此，该区受到 海水飞溅加日照造成千湿交替环境：钢桩表面由于海水飞溅，干燥时间短很难形成保护性的膜层；日光 照射加之海浪的冲击作簇等等，疼蚀、蘑蚀帮老纯的环境最为苛刻。我所已研究出用于这种环境的 SBEF- 6- 3的耐久性防护涂料。
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李晓东 等：跨海人 桥钢管桩 高性能涂层 与牺牲阳极 法阴极保 护联合保护 技术
果来看，利用末期阴极保护电流密度计算出的阳极数量确实高于利用初期和平均阴极保护电流密度计算 出的结果，如果不采用针对全寿命的动态设计，很有可能在阴极保护系统使用末期，尽管阳极还存在， 但却无法提供 足够的保护。
2) 高效牺牲 阳极选择 在海 洋环境 中，一 般采用 锌合金或 铝合金 阳极系 统，根 据牺牲 阳极的 材料应 具有足够 负的电 极电位 ， 在使用期内应能保持表面的活性、溶解均匀、腐蚀产物易于脱落，以及理论电容量大、电流效率高、易 于制造、材料来源充足、性能价格比高的材料。相对比较，由于铝的密度低于锌，而其理论电容量又高 于锌，在输出电流基本相同的情况下，一块铝合金牺牲阳极的重量不到相同尺寸锌合金牺牲阳极重量的 一半。所以，为了 减少大桥基础钢管桩的负荷，选用高 效铝一锌一铟一镁一钛合金阳极系统 ，本方案选用A21 合金 。 3) 整体联 合防护 跨海大桥基础钢管桩阴极保护设计中的另一个关键技术特点是阳极安装形式的选择。过去通常的做 法是在每个钢管桩安装一块阳极或几块阳极，这对于裸钢管桩或是彼此非电导通的钢管桩，是合理的。 但是，由于缺乏电导通性或是裸的钢管桩需要很大的保护电流，致使邻近的钢管桩很难得到充分保护。 而对于大桥基础钢管桩来说，情况与过去有着根本的不同：首先，各个钢管桩通过承台内的钢筋实现了 彼此间的电连接设计：其次，大桥基础钢管桩表面涂有高性能涂层即熔融结合环氧粉末复合涂层，将大 大扩展电流的传输范围。因此，在这种情况下，可以将每个承台下面所有钢管桩作为一个整体考虑，在 其中的几根钢管桩上安装几组阳极，从而实现对每个承台下所有钢管桩的整体联合保护。该设计依据详 见有关文 献¨1。 此外，采用在每个钢管桩安装一块阳极或几块阳极的做法，在跨海大桥承台和钢桩的设计结构条件 下，很难在较短的工期内完成所有钢管桩的阳极安装任务；而采用成组安装阳极的方法，将阳极安装的 工程量 大大降低，能 够明显缩短工 期。 4) 镯形环状阳极组 考虑 到镯型 阳极具 有较高 的可靠 性，已 经在海 底管 道工程 中』一 泛使用 ，大桥 基础钢 管桩采 用镯型 牺 牲阳极来保护。根据美国腐蚀工程师协会标准NACE RP 0492—99，镯型阳极分为两种类型：一类是由两 个半圆形阳极组成的半壳形式镯型阳极；一类是由多个单块阳极组成的组合形式镯型阳极。考虑到跨海 大桥钢管桩的管径较大，所以，在钢管桩的阴极保护中采用独特的组合形式镯型阳极。 ( 2) 阴极保护牺牲阳极组安装：_f ：艺 1) 多项牵引定位安装技术 阳极组是沿承台垂直入水的，尽管吊装设备能把阳极组较准确地送到设计标高，但离钢管桩有一段 横向距离。按常规潜水作业，须派潜水员下水将阳极组推向钢管桩就位。然而，阳极组重几百公斤，潜 水员难以推动，再加上高速水流作用，也很难掌握方向，这种潜水作业就更加困难和危险了。为克服这 一困难，在安装时采用多向牵引新技术，仅在船上通过绳索进行三维控制，将阳极组拉向钢管桩就位。 该项牵引技术的成功应用，显著提高了阳极组的安装速度，简化了安装机械设备，淘汰了原设计制 作的沉重 且安装繁琐平台 支架。 2) 水F安装水上焊接I ：艺 在杭州湾人桥的海洋环境中，海水泥沙含量高，能见度J L乎为零，传统的水下焊接的阴极保护安装 法是不宜选用的。“水F翩不同定，水面上馈电焊接”的牺牲刚极安装 式是一种创新设计的安装
这种方法已应用于杭州湾跨海大桥和舟山连岛工程金塘大桥，根据已应用的情况，本文将着重分析 这种 方法的 要点和 优缺点 ，有利于 该项技 术进一 步开展 。
2高性能涂层与阴 极保护联合保 护技术
2．1高性能涂层选择 近50年，尤其在近20年来，重腐蚀防护涂料发展得很快，防护性能成倍地提高，特别是熔结环氧
MPa
30
60
45
mm
≤8
4
3
MV／ m
30
>35
35
繇殛晁凉率 赛瑟孔豫率
缀
1- 4
l 一2
1-2
缓
t -4
I- 2
1-2
熬馏水
％
抗渗透性
3。5NaCl
％
≤3
≤3
≤2
≤2
注：搿霆 蘸翼内羚熔雅琢 氧涂瑟参考的髓 瑟撬蠢
2．2钢管桩的复合涂屡防护
钢材是海洋■程中使用J 。泛的金属材料，主要是由丁。它的机械性能才选择的，。海洋环境卜的钢管桩，
裹{转醛鲻捧溶结繇囊涤震姆际准性麓毙较
测 试项 目 挠冷壹装( - 304C)
单位 j
标准性能 ≥l +5
海洋用防腐涂层的性能
SEBF涂鼷
6
SLF涂鼷 5
抗弯曲性( 3 0) 耐磨性 醚羞力
L／ui l l 级
无裂纹 ≥3
95℃ l d
无裂纹
3 9 5℃1 5d
无裂纹
3 9 5℃1 5d
耗结强度 阴极剥离 绝缘强度
根据上述服役区域腐蚀情况的差别，钢管桩复合涂层耐久性设计见表2，钢桩将根据服役不同的环 境分段采用单层、普通级双层和加强级三层的复合涂层环氧结构。在专用自动涂装的生产线上，实现这 种复合涂层结构的钢管桩涂装，在杭州湾大桥和舟山金塘大桥工程的实施过程中，表明这种复合涂层钢 管桩 设计是合 理的，施 工是可行 的，效果 是明显的 。
l 莉罱
根据社会节能减排的总体要求和发展趋势，大型工程的设计使用年限要求越来越长，桥梁的设计寿 命也从50年延长到100年以上。特别是近年来随着跨海大桥的建设的高潮，越来越多的钢管桩被用来 作为大桥的基础使用，大桥处于重腐蚀海洋环境下，恶劣的环境使钢管桩结构产生腐蚀的多种因素。出 于大桥设计耐久性的要求，作为跨海大桥重要基础构件的钢管桩，必须在建成后的长时间内能够安全使 用。
砂胶、AE沥谢瓷漆、CTE煤焦油瓷漆、PE聚乙烯胶带、FBE熔结环氧) ，其中熔结环氧涂层所需阴极保 护电流密度最小。这个结果在海洋环境中也应该有类嗣熊变{岂关系，这是本联合方案中遮耀熔结环氧涂 层作为高性麓涂层E