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钢结构跨海大桥在海洋环境下的腐蚀与防护

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-10-18  来源:中国路桥网
核心提示:  随着社会的发展与需求,跨海大桥成为了必然的产物,我国目前已建和在建的跨海大桥数量很多,这些跨海大桥不仅缓解了交通压力
   随着社会的发展与需求,跨海大桥成为了必然的产物,我国目前已建和在建的跨海大桥数量很多,这些跨海大桥不仅缓解了交通压力,还促进了所在区域的经济发展。由于钢材的强度高、韧性好、易加工,因此一般跨海大桥为钢结构桥梁,但是由于跨海大桥建在环境恶劣的海洋环境中,腐蚀严重影响了桥梁的使用寿命。因此海洋环境下的盐雾腐蚀是跨海桥梁设计和建造过程中必须重视的问题,也是桥梁受海水腐蚀是目前工程界面临的一个难题。


跨海大桥

  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。

  海洋大气腐蚀环境:海洋大气腐蚀环境对金属腐蚀的研究同其它环境中的大气腐蚀是一样的,是由于潮湿的气体在金属物体表面形成一个薄水膜而引起的。一般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,许多海滨城市受影响腐蚀现象是非常严重。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。

  海水腐蚀环境: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%。海水中的氧含量是海水腐蚀的主要影响因素之一;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。

  海洋环境对金属的影响因素包括:盐度、含氧量、CO2、碳酸盐、温度、海水流速、海洋生物、光照条件。

  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。

  (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。

  桥梁防护方法

  常见的钢桩防护方法有腐蚀裕量法、耐海水低合金钢、涂层保护、阴极保护、涂料加阴极保护,其中阴极保护与涂料同时使用可相互补充,提高防腐效果。

  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。

  2、耐海水低合金钢: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。

  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。

  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、涂料加阴极保护:涂料同阴极保护匹配,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。

  钢结构桥梁的防腐蚀措施应从设计、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。

  钢桥的加固补强及表面处理可以有效减少腐蚀的发生;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;桥面系防水改造和涂装配套的选择也是提高钢结构桥梁发生腐蚀的有效方法。

  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。

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