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海洋钢管桩防腐修复的新型解决方案

393 2020-09-09 09:48:29



导语

     介绍一种与传统钢管防腐技术(3PE、阴极保护等)相容的防腐层修复的方案。在该方案中,钢管的表面仅需做简单清洁处理,绕包自融式的粘弹体防腐带以形成防腐层,然后再绕包自粘合的水固化高强包覆带以形成坚硬的玻璃钢致密网状外壳。该方案的特点是不需要使用特殊的工具,水上和水下均可进行操作,对环境无污染。由于高强包覆带在固化前具有柔软可塑形的特征,尤其适用于异形管件处的防腐层修复。
正文

      我国自20世纪70年代开始,兴建海洋钢结构设施,21世纪初进入了海洋开发的全新时代。紧随着海洋开发的步伐,港口码头、海洋平台、跨海大桥等大量使用钢管桩的设施面临着严重的海洋腐蚀问题。[1]由于海洋腐蚀的特殊性、海洋钢结构地域的复杂性以及工程的设计、施工方案的多样性,海洋钢结构防腐措施逐渐成为海洋钢结构设施的研究重点。市场上已有的一些防腐方案各自具有一些优点和不足,本文提出一种新型防腐修复方案,以解决当前海洋钢管桩防腐应用中的一些短板和问题。


     海洋钢管桩防腐蚀技术简介    


    目前,海洋钢管桩主要防腐措施如表一所示:


    表一  海洋钢管桩主要防腐措施及应用方式


防腐措施

主要应用方式

3PE

钢管桩出厂时预涂覆层

阴极保护

与海洋钢结构同时设计,常与防腐涂料共同使用,需要外加电流及电流检测

防腐涂料

预涂刷,常与阴极保护共同使用,每年需做检查修复

包覆式防腐

可预先包覆,亦可现场进行施工

   

      3PE防腐层的底层为熔结环氧粉末,中间层为聚合物胶粘剂,用于连接底层和外防腐层,外层为聚乙烯。3PE具有一定的机械性能和电绝缘性,但涂覆工艺复杂,若工艺控制不当,易产生分层,且较难与阴极保护协调工作,如果聚乙烯层脱离,不管是从环氧粉末层或者钢表面上分离,防护层的腐蚀防护作用都将丧失,如果聚乙烯剥离层深处与破损位置存在一定距离,阴极保护电流将不能够到达剥离层下的钢体表面,当周围环境具备腐蚀条件时,钢体将产生腐蚀。[2]3PE防腐主要原理为物理隔绝,在陆地石油管道的防腐应用中尤为广泛,但是由于海洋领域的特殊性,其应用效果却差强人意。3PE防腐的施工需要专用的设备,一般用于钢管出厂前的预涂覆。


      阴极保护是电化学保护技术的一种,主要为外加电流和牺牲阳极方式。海洋钢结构中主要以锌、铝合金为牺牲阳极材料。基本与涂料防腐同时使用,目前在海水全浸区及海底泥土区通常都采用阴极保护的方法。[3]但在海洋钢管桩防腐中应用时,被保护钢管桩必须在海水液位以下,对于海水液位以上区域无保护效果。检查修复时需要检测电流的大小进行判定,通过改变加持电流或者根据牺牲阳极设计寿命定期更换牺牲阳极材料。牺牲阳极块通常在海水较深区域,更换不易。


      防腐涂料通常分为常规防腐涂料和重防腐涂料,根据防腐原理又分为化学、物理和电化学防腐涂料。根据海水不同环境和工程有不同的需求,涂料涂装施工的操作步骤是钢材表面底层处理、底涂、中涂、面涂,需要对钢材表面进行机械喷砂处理,表面处理级别要求较高,需达到Sa2.5以上。基本上钢管桩出厂时就已经根据设计方案进行预喷涂,且基本与阴极保护同时使用。如杭州湾大桥承台下的钢管桩,防腐涂层需要每年定期巡检,并对破损区域进行修复,由于涂层本身强度较弱,因此防腐涂层很容易受到外界的物理型损坏、脱落、失效。修复时,对钢管表面处理要求很高,且在海水液位以下操作不便,很难附着在钢管表面。


     国内大部分海洋结构都是采用的阴极保护与防腐涂料结合的方式进行防腐,但是对海洋钢结构中腐蚀最为严重的潮差飞溅区却没有很好的防护作用,随着PTC等一些新型复层包覆的产品出现,包覆式防腐逐渐受到人们的重视。包覆式防腐主要分为:1、有机包覆--PE、环氧;2、无机包覆--水泥砂浆,金属喷涂,电沉积;3、复层包覆--矿脂油带包覆等。


     其中以Denso公司首创的矿脂油带防腐系列在实际应用中最为广泛,其原理主要为物理隔绝防腐。该方案在实施时,需要搭建施工平台,矿脂带包覆方案中的外护壳需要与矿脂带层紧密结合,且需具有隔水作用,以防止矿脂带中的憎水材料被冲散到海水中,造成防腐失效以及对海洋环境的污染。其外壳需要事先经过精密计算与设计,进行预制,再运送至现场进行安装施工,固定件为金属螺栓,容易受到海水腐蚀,若采用合金防腐螺栓,则价格高昂。


    粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术     


    本文提出的新型防腐技术为粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术,也是物理包覆式防腐方案的一种,通过内层粘弹体防腐带自身优秀的阻水性能以及外层高强包覆带优异的耐候性及高机械强度对钢管桩进行防腐保护。


    结构组成 :粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术其内层为粘弹体防腐带,是以丁基类具有粘弹性的防腐材料与无机添加剂共混挤出的复合带材。外层为FRP增强材料,是以高强度玻璃纤维织物为基材预涂覆水固化树脂的复合带材。如图一所示:

    

图一 粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术结构组成示意图 


     粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术实现--蛇口港SCT码头的应用 


图二 蛇口港SCT码头结构及应用区示意图


     深圳蛇口港SCT码头采用牺牲阳极与涂层的方式进行防腐,使用本文介绍技术前原钢管桩表面防腐涂层已被破坏,钢管桩潮差区已经能够看见有明显腐蚀,此次粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术的应用主要是针对码头平台下方钢管桩潮差区进行防腐修复,采用潜水员在水下进行施工作业,配合原有的牺牲阳极措施继续对钢管进行防腐保护的方案,具体应用位置见图二所示。


     1、预处理    由潜水员携带钢铲在水下进行钢管桩表面处理,达到ST2级,无需精细处理。图三为钢管清理后表面情况。

 
图三 深圳蛇口港钢管桩预处理后(水下拍摄)


   2、粘弹体防腐带施工   检查是否有过度不平整区域,若有可事先采用适量粘弹体防腐膏填平,无需整面底涂。潜水员绕包粘弹体防腐带,层与层搭接1-5cm,形成完整封闭层。如图四:

 
图四 粘弹体防腐带在水下进行搭接绕包


    3、高强包覆带施工   由潜水员绕包高强包覆带,采用1/2搭接,需将粘弹体层全部包裹在内,2小时后固化成一种僵硬的结构,将粘弹体防腐层有效固定在钢管表面,并提供外护。


     4、包覆PE薄膜     考虑到需要提供足够的施工时间,高强包覆带所设计的固化时间为2小时左右,在此期间,为防止被水面浪涌冲散,可绕包一层普通PE薄膜进行临时固定,待高强包覆带固化定型后即可移除。如图六:

 
    图六 粘弹体海洋钢管桩管包覆防腐修复完成后  


  • 粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术特点      


粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术主要依靠以下几点,来达到长期防腐效果:


      1、粘弹体防腐带粘弹性     粘弹体防腐带所用的丁基橡胶类材料是其具有粘弹性的主要来源,粘弹性是指粘弹体防腐带在常温下就具有一定流动性能,并且是永久性的,对钢剥离强度大于0.2N/mm,即使在水中也可以牢固附着在钢管桩表面,与此同时,该特性赋予了粘弹体防腐带具有优异的塑型性,可以对任意形状进行塑型,且可对自身表面的凹陷实现自我修复,亦或是可以填平钢管表面凹凸不平,因此,在钢管桩前处理时,只需要达到ST2级即可,且无须底漆即可直接粘接于3PE、PP、环氧、FBE、沥青等各种涂层,与阴极保护也可完全兼容,不仅可以用作整根钢管桩的防腐,还可以对已经产生部分锈蚀的钢管桩进行修补。粘弹体材料的密度为1.5g/cm3,大于水的密度,因此,当在水中包覆施工时,即使将水分包裹在粘弹体材料与钢管之间,由于重力因素,粘弹体会通过缓慢地流动将水分挤出去。在实际的水中包覆实验中,我们发现刚刚包覆在钢管上的粘弹体是很容易取下,但如果放置24小时后,粘弹体就很难从钢管表面分离了。


     2、内层粘弹体防腐带阻隔水与空气    粘弹体防腐带还具有优秀的隔离水与空气的性能,与其他常用带材相比透水率很低,本身是高分子材料,自身具备防酸碱能力,为钢管桩腐蚀提供有力保障。


表二 不同材料的透水率对比

材料

P(H2O)×10−13Pa·cm2/s

沥青

840

三元乙丙

157

低密度聚乙烯

68

聚丙烯(95%全同立构)

51

防腐带

35.5


     3、高强包覆带     高强外护海洋环境较为复杂,钢管桩除海水侵蚀外,还存在海生物附着的生物侵蚀以及外力冲击损伤。同样,作为防腐材料也会遇到这些腐蚀问题。高强包覆带为玻璃纤维复合材料,可任意塑形后湿固化成型,具有优秀的耐酸碱腐蚀能力,机械强度高,能够在给粘弹体防腐带提供防护的同时,也给钢管桩增加一定加固防护作用。高强包覆带机械性能参数如表三所示: 


检测项目

数值

检测标准

拉伸强度

335MPa

GB/T 1447-2005

冲击韧性

153kJ/m2

GB/T 1451-2005

弯曲强度

245 MPa

GB/T 1449-2005

紫外老化7200h冲击韧性保留率

>90%

盐水浸泡7200h冲击韧性保留率

>90%


     耐久性实验用φ45×200mm,Q235普通碳素结构钢为实验材料,采用粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术进行包覆防腐,进行5项耐久性实验60d,剥开防腐层后钢管表面均未出现锈蚀现象。如图七: 


    图七 耐久性实验钢管锈蚀情况 


  • 结束语


     本文介绍的粘弹体海洋钢管桩包覆防腐技术是由潜水在水下完成所有施工工作,实际应用中也可以搭建平台进行施工,不需要额外大型辅助工具,根据现场不同情况,施工灵活多变,包覆成型简单易行,且经理论及实验数据证明其具有优秀防腐蚀耐冲击效果,与传统的涂料、PTC、阴极保护等防腐方案相容,可用于海洋、陆地等复杂环境中钢管防护及修补,尤其在海洋潮差飞溅区、异形件的防腐修复上具有独特的优势。


    参考文献:

    [1]侯保荣等。海洋钢结构浪花飞溅区腐蚀控制技术[M].北京:科学出版社,2011:1.
    [2]廖宇平。管道3PE防护层的结构特点与缺陷分析及防范[J].腐蚀与防护,2006,27(6):311-314[3]肖治国等。海洋平台飞溅区腐蚀与防腐修复技术[J].全面腐蚀与控制,2012,26(12):23-28