东海大桥钢管桩防腐蚀技术研究

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摘要：本文通过东海大桥钢管桩腐蚀与防护设计，探讨了特大型跨海大桥防腐蚀技术，分析了大桥承台底未拆除的钢模板对阴极保护的影响，并评价了方案实施后的防腐蚀效果。

关键词：东海大桥；涂层；牺牲阳极；防腐蚀设计；防腐蚀效果

中图分类号：TU761.1+3 文献标识码：A 文章编号：

1.工程简介

上海洋山深水港东海大桥是世界上第一座真正意义上的长度最长的跨海大桥，位于东海杭州湾嵊泗列岛海域，北起上海市南汇区芦潮港，途径小乌龟、大乌龟、颗珠山、小洋山等岛屿，直至洋山港池，总长32.5km，其中陆上段长3.7km，海上段长25.3km，港桥联接段长3.5km。全桥设主通航孔一处，辅通航孔三处，桥墩484座，其中有331座桥墩为钢管桩结构，钢管桩直径为Φ1500，长度为50～81m，数量为5338根，材质为Q345C，要求设计基准期为100年。由于受长江和钱塘江入海影响，钢管桩工作海域为海淡水交汇区，含盐量相对较低，约为10.00～32.00‰左右，且随季节和潮汐的变化而变化；水中含沙量偏高，约为1.30～10.828kg/m3；水流流速快，平均流速约为2m/s左右；其水质腐蚀性相当强，钢管桩腐蚀严重。

2002年12月20日，受上海同盛大桥建设有限公司委托，中船重工第七二五研究所承担了东海大桥钢管桩防腐蚀工程，自2002年10月份起，经三年整的陆上与海上施工，于2005年11月22日完工。

2.自然条件

2.1水文

（1）潮位（芦潮港）：

平均海平面+0.23m；平均高潮位+1.86m；平均低潮位－1.34m；最大潮差5.14m，平均潮差3.20m。

（2）潮流

最大涨潮流速185～231cm/s，流向252～284度；最大落潮流速202～241cm/s，流向89～119度；设计流速为200cm/s。

2.2水质

淡海水，盐度为8.904‰～29.563‰，电阻率为37.7～93.0Ω·cm，可见度为零。含沙量：1.3kg/m3～10.828kg/m3。

2.3 冲刷深度：

芦潮港至大乌龟岛段冲刷深度为3－5m；

颗珠山至小洋山岛段冲刷深度为6～8m。

2.4泥面标高

芦潮港至大乌龟岛钢管桩桥段自然泥面标高－8.6～－12.5m，颗珠山至小洋山岛段自然泥面标高为－18.5～－19.9m。

3.防腐蚀方案

3.1保护范围

根据桩位图，当海水满潮时，钢管桩全部浸入海水之中，本方案保护范围为整段钢管桩，其中包括：a．潮差区段（含混凝土承台段）；b．海水全浸区段；c．海泥区段。

3.2技术路线

3.2.1 钢管桩潮差区段（钢管桩顶端+2.5m至标高－3.5m）采用高效铝合金牺牲

阳极阴极保护和涂装725－H53－9环氧重防腐涂层联合保护。

3.2.2 钢管桩海水全浸区段（水下区）和海泥区段（泥下区），裸管（不涂漆）

单独采用高效铝合金牺牲阳极阴极保护。

3.3防腐蚀方案

3.3.1 涂层保护

① 涂装保护的钢管桩数量：5376根；

② 涂装范围：自桩顶＋2.5m至－3.4m，单桩涂敷长度：5.9m，涂敷总面积14.94万㎡；

③ 表面处理：喷砂除锈达Sa2.5级；

④ 涂料材质：725－H53－9环氧重防腐涂料；

⑤ 涂层厚度：桩顶＋2.5m至＋1.0m承台包覆段涂层厚度为100μm；

钢管桩+1.0m～－3.4m段（潮差段）涂层厚度为1100μm。

3.3.2牺牲阳极保护

① 焊装牺牲阳极钢管桩数量：5338根；

② 牺牲阳极保护范围：

a. 整根钢管桩从桩顶到泥下桩尖全方位保护，保护面积为147.31万㎡，其中包括涂层段：14.94万㎡、裸管段：132.37万㎡；

b. 承台套箱钢质模板（裸板）：4.50万㎡；

c. 承台内钢筋：2.83万㎡；

③牺牲阳极材质：Al－Zn－In－Mg－Ti高效铝合金牺牲阳极；

④牺牲阳极性能：阳极电化学性能列入表1；

表1高效铝合金阳极电化学性能

⑤牺牲阳极规格： 1450×（180＋210）×200；

⑥牺牲阳极焊装数量：17685支，由于钢管桩水中长度不同，单桩焊装阳极数量也不等， 其中有单桩焊装3支阳极、4支阳极、5支阳极、6支阳极和7支阳极等5种类型；

⑦牺牲阳极配置：浅海水中－3.5m～－12.0m段分三层均匀配置焊装，

深海水中－3.5m～－18.0m段分四层均匀配置焊装；

⑧牺牲阳极安装：由于钢管桩的材质为Q345C高强度锰钢，为了预防焊缝产生微裂纹，确保焊接质量，引进英国HydroweldFS焊条和工艺，采用水下湿法焊接法安装牺牲阳极。

4. 保护效果检测

4.1保护电位测量

自2004年7月份起至2005年11月初施工期间，借助于高内阻值（R＞10兆欧）数字万用表和便携式铜——饱和硫酸铜参比电极（C.S.E），对东海大桥331座墩位中的钢管桩保护电位进行了测量，测量结果是钢管桩最正保护电位为－0.938V，最负电位高达－1.022V，处于良好的保护状态，其中：保护电位为－0.950～1.022V的墩位数量为289座，占全工程87.31％。

4.2保护电位随潮汐变化

施工早期，测量钢管桩保护电位过程中，发现涨平潮测得的钢管桩保护电位明显正于退平潮的电位，大约正50～80mV，详见表2。

表2施工早期钢管桩保护电位随潮汐变化

从表2可以看出，涨平潮期间钢管桩电位与承台套箱钢质模板等电位，说明没有拆除的承台套箱钢质模板与钢管桩电性联接在一起，同样进入了牺牲阳极保护系统的保护范围，并明显影响钢管桩保护电位负向极化。为了解决钢质模板的影响，确保钢管桩防蚀效果，经专家鉴定与评审，决定在原防腐蚀设计方案的基础上，追加910支阳极，其结果退平潮时钢管桩的保护电位稍有负移，而涨平潮时（钢质模板进入保护状态）钢管桩的保护电位比追加阳极之前负移明显，使之二者之差缩小到20～50mV，详见表3。

表3追加阳极后钢管桩保护电位随潮汐变化

为了进一步详细测定钢管桩保护电位随潮汐的变化情况，以及钢质模板对钢管桩保护电位的影响程度，借助于保护电位数据采集设备对钢管桩的保护电位进行了24小时监控，测定结果如图1所示。

图1 钢管桩电位随潮汐的变化

说明：图（1）为PM483墩20小时连续检测两个潮汐的电位变化，采样间隔时间为5分钟。

从图1可以看出：

（1）钢管桩保护电位随潮汐变化呈方波形变化，说明钢质模板的影响是客观存在的，追加910支阳极之后，降低了涨平潮与退平潮间的电位差值，其差值减少到20～50mV左右；

（2）涨潮期间，钢质模板一旦浸入海水，钢管桩保护电位发生正向突变，由－1.010v正向突变到－0.970v，这显然是由于钢质模板进入保护系统，使被保护面积发生突变——增加所致，紧接着保护电位继续正移，但正移的幅度很小，只有10mv左右，这仍然是受钢质模板的影响，钢管桩保护发生去极化过程；相反，退潮期间，钢质模板一旦露出水面，钢管桩保护电位发生负向突变，由－0.960v负向突变到－1.000v，同样是由于退潮时钢质模板露出水面，使被保护面积发生突变——减少所致，紧接着钢管桩保护电位继续负移，负移幅度也很小，约有20mv左右，这是因为随着退潮，钢管桩外露面积越来越大，被保护面积逐渐在减少，保护电位越来越负。

4. 3涂层质量检测

自2002年10月份起，随着钢管桩在厂制作，对水位潮差段进行涂装725L－H53－9环氧重防腐蚀涂料，截止2004年8月份，涂装工程全部结束。经过涂装施工现场和实海的跟踪观察，施工期间未发现任何一根钢管桩和桩段存在涂层变色、粉化和应力开裂等破损现象，更不存在涂层大面积剥离现象，涂层附着牢固，颜色光亮，无任何返锈现象，全面达到了技术要求。

4. 4钢管桩保护现状检查：

两年后可见段未发现一丝锈迹，保护完好。

4.5水下安装质量检查

引进英国HydroweldFS焊条和工艺，进行水下湿法焊装牺牲阳极，焊缝连续、平滑、强度高，无裂纹和夹渣等.缺陷，详见照片

5.结论：

5.1 东海大桥钢管桩防腐蚀工程（以下简称工程）选用的725L－H53－9环氧重防腐蚀涂料性能良好，附着力强，无任何返锈和剥离现象；

5.2 工程选用的高效铝合金牺牲阳极是有效的，表面溶解均匀，电化学性能稳定；

5.3 钢管桩全部处于良好的保护状态，施工期测得的钢管桩保护电位负于-0.950V占87％以上，余下近13％的钢管桩保护电位处于－0.938 V～-0.950V；

5.4 施加牺牲阳极保护两年后的钢管桩可见段未发现一丝锈迹，防蚀效果良好；

5.5本工程引进英国HydroweldFS焊条和工艺，进行水下湿法焊装牺牲阳极，焊装牢固，无微裂纹等缺陷。

参考文献：

[1]JTS-153-3-2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S]

[2]GB/T4948-2002,铝-锌-铟系合金牺牲阳极[S]..

[3]上海市政工程设计研究院等.东海大桥工程初步设计设计报告[Z].2002.

[4]上海市政工程设计研究院等.东海大桥工程施工图[Z].2003.