悬索桥主缆除湿系统研究.pdf

悬索桥主缆悬索桥主缆悬索桥主缆悬索桥主缆除湿系统除湿系统除湿系统除湿系统研究研究研究研究 解放军理工大学 缪小平 彭关中 贾代勇 范良凯 隋鲁彦 摘摘摘摘 要要要要 简述了国内外悬索桥主缆防腐蚀传统技术及其缺点， 论述了悬索桥主缆通干燥空气除湿防腐新 技术，通过送气管和送气罩将干空气送入主缆空隙，干空气在主缆空隙内流动，带走主缆内的水分，干 空气变成湿空气从排气罩排出，降低主缆内空气相对湿度，从而避免主缆钢丝腐蚀。重点阐述了悬索桥 主缆除湿系统设计方法，分析了除湿系统设计需要考虑的主要因素，探讨了相关设计参数的取值范围； 对某待建悬索桥设计了主缆除湿系统，确定了合理的送气长度、干燥时间、送气流量及送气压力，并对 主缆除湿系统进行了设备选型。 关键词关键词关键词关键词 悬索桥 主缆 腐蚀 除湿系统 通风 干燥 1 1 1 1 引言引言引言引言 悬索桥造型优美，跨越能力大，是大跨径和特大跨径首选桥梁的结构形式。悬索桥主要由主塔、锚 碇、鞍座、主缆、吊索、桥面承载梁体及附件构成，设计寿命一般为100年。主缆是悬索桥的主要受力 构件之一，是不可更换构件，因此，被称为悬索桥的“生命线” 。主缆长期暴露在大气环境中，经受着 各种不利环境的侵蚀，导致主缆钢丝易产生腐蚀。主缆钢丝腐蚀严重地危及到悬索桥的安全性，腐蚀减 少了有效的索股面积和强度。 美国纽约市运输局在最近出版的一份关于悬索桥缆索状况的报告中得出结 论： “由于腐蚀，纽约市区的几乎所有大型悬索桥都存在强度损失的问题，主缆强度损失的范围从微乎 其微到约35(williamsburg桥)” 。从国外多座悬索桥主缆缠丝打开检查的过程中发现，主缆表面均产 生了较为严重的锈蚀， 锈蚀发生在主缆表面与缠绕钢丝接触的部位和一些索股的内层， 主要分布在主缆 侧面和底部；传统的主缆腐蚀防护技术只能减缓腐蚀速度，而不能彻底阻止腐蚀。日本从1994年开始进 行主缆除湿系统的研究，通过罗茨鼓风机将干燥空气送入主缆，降低主缆内空气相对湿度，有效地阻止 了主缆钢丝腐蚀。主缆除湿系统能彻底阻止主缆钢丝的腐蚀，提高主缆钢丝的使用寿命，进而提高全桥 的使用寿命，是悬索桥主缆防护技术的发展方向。 2 2 2 2 主缆防腐主缆防腐主缆防腐主缆防腐传统传统传统传统技术技术技术技术及及及及缺点缺点缺点缺点 悬索桥主缆钢丝腐蚀防护传统方法的原理是通过“防护腻子+缠绕钢丝+外防护涂层”的方式来进 行防腐的 1，主要采用以下三种方法：一是圆钢丝缠绕涂层法（19 世纪 40 年代早期由 john reobling 开发） ；二是合成护套防护法（20 世纪 60 年代早期由 bethlehem 钢铁公司和 du pont 化学公司开发） ； 三是 s 形缠绕钢丝代替圆形钢丝。 防护腻子容易出现开裂和氧化等现象，嵌缝材料直接暴露于大气中，易产生老化开裂现象；外涂装 材料在空气中也容易出现老化开裂。 主缆架设过程中雨水和水气的侵入以及大桥使用过程中空气中的水 分通过开裂位置及钢丝缠绕层的裂缝侵入主缆内， 水分在主缆内因外界气温上升而汽化、 因外界气温下 降而在主缆表面大范围凝结，这种易生锈状态反复进行，导致了主缆的腐蚀。传统的防腐方法无法从本 质上阻止腐蚀的发生， 只是减缓了腐蚀的速度； 要阻止主缆钢丝腐蚀的发生， 只有将主缆内的水分排出， 确保主缆内的空气环境不会引起钢丝腐蚀。 3 3 3 3 主缆除湿系统主缆除湿系统主缆除湿系统主缆除湿系统 主缆除湿系统的目的是降低主缆内部的相对湿度，使主缆处于一个相对封闭、干燥的环境中，避免 主缆内的钢丝锈蚀。 国内的润扬长江公路大桥的主缆是由直径5.3mm的镀锌钢丝组合而成的， 其间有20% 左右的空隙， 主缆外表设有密闭护套层。 主缆除湿系统通过送气管和送气罩将干空气注入主缆钢丝空隙， 干空气在主缆空隙内流动，降低主缆空隙内的空气湿度，最后干空气变成湿空气从排气罩排出。主缆护 套层将干燥的主缆内部环境与外界大气隔离，保持主缆内干燥状态。主缆除湿系统工作流程为：粗过滤 空气精过滤处理除湿机除湿高压风机送风冷却送气管输气送气罩送气主缆内除湿排 气罩排气，主缆除湿系统工作流程见图1。 过滤除湿 送风 冷却 送气管 送气罩 排气罩 主缆 图1 主缆除湿系统的工作流程 主缆除湿系统包括除去微颗粒的过滤装置， 除去空气中水分的转轮除湿机， 把空气送入送气夹的罗 茨鼓风机，对干燥空气进行冷却的后冷却系统 2。外部空气在过滤装置中除去颗粒后被送入转轮除湿机 进行除湿， 用罗茨鼓风机加压到大约10220kpa （0.1020.204kgf/cm 2） ， 然后通过后冷却器冷却到60 以下，通过管道分流送入每一个送气夹，气流流量通过送气夹的调节阀调节至规定值，并从送气夹送入 主缆，主缆除湿系统送气处理过程见图2。 过滤器处理风机 再生风机 除湿转轮 再生 罗茨鼓风机 吸湿 后冷却器 再生加热器 图2 主缆除湿系统送气处理过程 在欧洲和亚洲一些国家，如丹麦的小贝尔特大桥、瑞典的高海岸大桥、法国的阿基坦大桥、日本的 明石大桥、来岛一桥、来岛二桥、来岛三桥、国内的润扬大桥均安装了主缆除湿系统。 4 4 4 4 主缆除主缆除主缆除主缆除湿系统设计湿系统设计湿系统设计湿系统设计 4 4 4 4.1.1.1.1 设计考虑的主要因素设计考虑的主要因素设计考虑的主要因素设计考虑的主要因素 4 4 4 4.1.1.1.1.1.1.1.1 主缆内部主缆内部主缆内部主缆内部状况状况状况状况 主缆内部潮湿空气一般由两种原因造成， 一种是主缆架设过程中雨水和水气的进入； 另一种是除湿 系统运行时外部潮湿空气和大气中的水分通过开裂位置及钢丝缠绕层的裂缝侵入主缆内。 外部潮湿空气 和大气中的水分在一定程度上由于主缆表面的缠丝和索夹的密封而难以进入主缆， 而且在主缆除湿系统 运行时，主缆内外压差始终为正，也利于阻止湿气的进入。桥梁建成后，特别是除湿系统开始工作后， 进入主缆内的湿气可以忽略不计；有关资料表明，日本明石大桥、国内润扬大桥在主缆架设过程中侵入 的水分要大于建成后外部新进入的湿气。 4 4 4 4.1.1.1.1.2.2.2.2 主缆内气流主缆内气流主缆内气流主缆内气流分布分布分布分布 主缆由索股、 索夹和防护系统等组成， 结构上很难让主缆达到完全气密， 干燥空气在主缆内部通过， 会从局部渗漏。出气口的空气流出量取决于入口处的空气流量、压强、泄漏率以及气流通过的距离。主 缆内的干燥速度会随着主缆内气流总量的变化而变化，主缆内的气流量需要通过详细的计算来确定。 4 4 4 4.1.1.1.1.3 .3 .3 .3 吸入空气条件吸入空气条件吸入空气条件吸入空气条件 悬索桥周围的空气被吸入除湿机， 除湿后的干空气由罗茨鼓风机送入主缆， 除湿机处理后的干空气 的温湿度取决于悬索桥周围空气的温湿度， 因此在主缆除湿系统设计过程中需考虑悬索桥所处位置的温 湿度状况。悬索桥所处的腐蚀环境是大气环境。大气按温度高低可分为寒、温、亚热及热带。按大气所 含污染物不同可分为乡村性大气、城市和工业性大气及海洋性大气；化学腐蚀和电化学腐蚀温度越高, 水份越丰富时越是发展较快, 因此地处亚热及热带地区较寒温地区腐蚀要快 3。 城市及工业区大气含有 较多的燃烧废气so2、co、co2, 海洋大气中有较多nacl 和mgcl2颗粒 4。如果悬索桥处于海洋大气环境 中，空气中的含盐量较大，进入除湿机干燥的空气需要先除去空气中含有的盐份。 4 4 4 4.2 .2 .2 .2 设计参数设计参数设计参数设计参数 （1）主缆中跨靠近跨中的区段含水量较大，含水率按主缆空隙的 7.5%计算，其余位置按 5%计算； （2）主缆由很多根 5.05.5mm 的钢丝组成，主缆中钢丝之间有很多小的空隙，主缆的表面有缠丝 和涂装防护，在索夹位置通过敛缝来保证气密性，通过这些主缆结构阻止了外界水分的进入，然而，要 使主缆完全气密是不可能的，主缆与外界之间仍会有少量的空气交换。因此，向主缆内输送的气流通过 主缆表面会有一定程度的泄漏，根据明石、来岛和润扬大桥的设计经验，泄漏量取 0.005/m。 （3）根据明石、来岛和润扬大桥的设计经验，送气夹内空气压力应不大于 3000pa。 （4）干燥时间取决于送气长度、空气泄漏率和送气流量，干燥时间按一年进行设计。 （5）经转轮除湿机除湿升温后的干空气温度和相对湿度取值分别为 20和 30%，相对湿度的变化 率为 70%。 4 4 4 4.3 .3 .3 .3 主缆除湿主缆除湿主缆除湿主缆除湿系统设计系统设计系统设计系统设计 4 4 4 4. . . .3 3 3 3.1.1.1.1 送气长度送气长度送气长度送气长度 送气长度即为送气夹与出气夹之间的距离。 某待建悬索桥主缆送气罩、 排气罩的位置布置参考了相 关的工程，表 1 是明石大桥、来岛大桥及润扬大桥的送气长度2。 表 1 明石大桥、来岛大桥及润扬大桥的送气长度 悬索桥 主缆直径 最小送气长度 最大送气长度 明石大桥 1122mm 78m 115m 来岛一桥 431mm 92m 183m 来岛二桥 653mm 109m 143m 来岛三桥 636mm 122m 163m 润扬大桥 912mm 161m 212m 基于该悬索桥的跨径，送气长度的水平距离分别取 120m、150m 和 195m；送气长度及送气设备布 置见图 3。 送气罩排气罩 除湿设备 mm 图 3 送气长度及送气设备布置 4 4 4 4.3.2.3.2.3.2.3.2 存水量计算存水量计算存水量计算存水量计算 主缆单位长度存水量计算公式： 2 w=d41 式中：w为主缆单位长度存水量，kg m；d 为主缆直径，m；为主缆空隙率；为主缆含水率。 主缆中跨（水平位置最低）的主缆存水量按 7.5%计算，其他部分按 5%计算。 主缆空隙率为 20%，主缆内存水量按空隙的 5%计算，主缆内水分保持为： 2 w=0.7214 0.2 0.05 14.083kg m = 主缆空隙率为 20%，主缆内存水量按空隙的 7.5%计算，主缆内水分保持为： 2 w=0.7214 0.2 0.075 16.124kg m = 4 4 4 4.3.3 .3.3 .3.3 .3.3 气流量及泄漏量计算气流量及泄漏量计算气流量及泄漏量计算气流量及泄漏量计算 空气泄漏量是变化的， 取决于主缆内外的气压差以及主缆的气密条件， 假设单位长度的泄漏率是不 变的。主缆泄漏量示意图见图 4。 01 23n-1n qq1q2q3qn-1qn 图 4 主缆泄漏量示意图 在图 4 中，初始气流量为q，泄漏量是 i q，设泄漏率为x，则泄漏量： 1ii qx =q 每一段气流量和泄漏量可以表示为： ()1 i i x=qq (1) () 1 1 i i xx =qq (2) 4 4 4 4.3333.4 4 4 4 干燥时间计算干燥时间计算干燥时间计算干燥时间计算 温度为 20时，空气饱和含水量为 17.2g/m3，因此，如果相对湿度由 30%变化到 100%，1 m3空气 内所含水分增加量可近似表示为： () 3 17.210030 10012.04ag m= 干空气会泄漏到主缆外，因此通过空气的流量会根据主缆的位置发生变化，此外，主缆钢丝之间空 隙中的水分的蒸发速度很快，因而，假定主缆某一位置i通过的空气流量为 i q，则干燥时间可用下面的 公式表达： ii twa =q (3) 如果基于上述公式，干燥某一长度区间l的时间可以按下式计算。 () i twa dl=q (4) 当泄漏量为零时，各断面的流量为常数，此式可改写成： i twla=q (5) 4 4 4 4.3333.5 5 5 5 送气流量及送气压力计算送气流量及送气压力计算送气流量及送气压力计算送气流量及送气压力计算 设定干燥时间为一年，已知送气长度，根据公式（1）（5）可计算出所需的干燥空气流量；送气 夹送气压力根据主缆沿程阻力、局部阻力公式进行计算 5, 6，计算结果见表 2。 表表表表 2 2 2 2 送气长度送气长度送气长度送气长度、送送送送气流量气流量气流量气流量、送气压力间的关系送气压力间的关系送气压力间的关系送气压力间的关系 送气长度 （水平） 送气长 度（倾 斜） 存水 率 时 间 泄漏率 0.0/m 泄漏率 0.005/m 泄漏率 0.01/m 送气流量 （m3/min） 送气 夹送 气压 力 （pa） 送气流量 （m3/min） 送气 夹送 气压 力 （pa） 送气流量 （m3/min） 送气 夹送 气压 力 （pa） 120 122 7.5% 1 年 0.118 935 0.163 1135 0.233 1442 150 155 5% 1 年 0.100 1102 0.152 1414 0.242 1945 195 210 5% 1 年 0.135 1793 0.241 2613 0.468 4459 由表 2 可知，送气流量取决于送气长度，并在很大程度上取决于送气的压力，对于该悬索桥的送气 长度，基于桥跨长度，中间索夹段按 150m 和 195m 分段的方案都是可行的，为了把干空气输送到主缆 全长范围，主缆上的管路设施都是需要的，为了减少气罩的安装个数，送气长度越长越理想。但是，如 果强调干燥主缆的效率，那么，送气长度短一些更为理想，这样可以使很大的干空气气流通过主缆，而 且如果送气长度越长，某一点的送气流量和送气压力就可能越大，此外，为了减小敛缝处的漏气，送气 压力越小越好。 目前尚无泄漏量的数据， 标准的泄漏率应在 0.005/m 左右， 对于表 2 中检验的气流量， 150m 和 195m 方案中的气压还是较低的，气流量还有些余地。因此，为了使除湿尽可能高效，送气流量可按以下取， 送气长度为 120m、150m 和 195m 的送气流量分别取 0.3m3/min、0.3m3/min、0.4m3/min。 4 4 4 4. . . .4 4 4 4 设计设计设计设计方案分析方案分析方案分析方案分析 4 4 4 4. . . .4 4 4 4.1 .1 .1 .1 送气设备送气设备送气设备送气设备位置及气流量位置及气流量位置及气流量位置及气流量 由 3.3.4 节可知， 送气水平长度为 120m、 150m 和 195m 所需的送气流量分别为 0.3m 3/min、 0.3m3/min 和 0.4m 3/min；送气设备的送气流量见表 3，系统送气流量分布见图 5： 表 3 除湿机组安装位置及气流量 除湿机组 安装位置 气流量 送气段数量 气流量/送气罩数量 a 主塔内 2.8 m3/min 12 0.8m3/min2 个送气罩+0.6 m3/min2 个送气罩 b 钢箱梁内 2.4 m3/min 8 0.6 m3/min4 个送气罩 c 主塔内 2.4 m3/min 8 0.6 m3/min4 个送气罩 d 钢箱梁内 2.4 m3/min 8 0.6 m3/min4 个送气罩 e 主塔内 2.8 m3/min 12 0.8m3/min2 个送气罩+0.6 m3/min2 个送气罩 0.8m3/min 0.6m3/min 1.4m3/min 0.6m3/min 0.6m3/min 1.2m3/min 0.6m3/min 0.6m3/min 1.2m3/min 0.6m3/min 0.6m3/min 1.2m3/min1.4m3/min 0.6m3/min 0.8m3/min abcd e mm 送气罩排气罩 除湿设备 图 5 送气流量分布及机组布置图 4 4 4 4. . . .4 4 4 4.2.2.2.2 送气长度送气长度送气长度送气长度、泄漏率和气流量泄漏率和气流量泄漏率和气流量泄漏率和气流量之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 从图 6 可知，在送气流量和泄漏率相等的条件下，随着送气长度的增加，主缆内的空气流量逐渐 地减少。在泄漏率相等的条件下，主缆内的空气流量取决于送气流量，送气流量越大主缆相同位置的气 流量越大，反之，送气流量越小主缆相同位置的气流量越小。在送气流量相等的条件下，主缆内的空气 流量取决于泄漏率，泄漏率越大主缆相同位置的空气流量越小，反之，泄漏率越小主缆相同位置的空气 流量越大。因此，要减少主缆的漏气量，降低主缆的泄漏率至关重要。 020406080100120140160 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 泄漏率0.000001/m 泄漏率0.005/m 泄漏率0.01/m 送气流量0.3m3/min 气体流量(m3/min) 送气长度(m) (a) 送气流量为 0.3m 3/min 050100150200 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 泄漏率0.000001/m 泄漏率0.005/m 泄漏率0.01/m 送气流量0.4m3/min 气体流量(m3/min) 送气长度(m) （b）送气流量为 0.4m 3/min 图 6 主缆内不同位置的气流量 4 4 4 4. . . .4 4 4 4.3 .3 .3 .3 送气长度送气长度送气长度送气长度、泄漏率和除湿时间泄漏率和除湿时间泄漏率和除湿时间泄漏率和除湿时间之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 020406080100120140160 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 泄漏率0.000001/m 泄漏率0.005/m 泄漏率0.01/m 压力:不超过3000pa 流量:0.3m3/min 相对湿度变化:070% 空隙存水率：5% 除湿日数/（日） 送气长度(m) （a）送气流量为 0.3m 3/min 050100150200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 泄漏率0.000001/m 泄漏率0.005/m 泄漏率0.01/m 压力:不超过3000pa 流量:0.4m3/min 相对湿度变化:070% 空隙存水率：5% 除湿日数/（日） 送气长度(m) （b）送气流量为 0.4m 3/min 图 7 主缆不同位置的除湿时间 从图 7 可知，在送气流量和泄漏率相等的条件下，随着送气长度的增加，除湿时间也相应地增加。 在泄漏率相等的条件下， 除湿时间取决于送气流量， 送气流量越大主缆相同位置的除湿时间越短， 反之， 送气流量越小主缆相同位置的除湿时间越长。在送气流量相等的条件下，除湿时间取决于泄漏率，泄漏 率越大主缆相同位置的除湿时间越长，反之，泄漏率越小主缆相同位置的除湿时间越短。因此，要缩短 主缆的除湿时间，可采取降低泄漏率和增加送气流量的措施。 4 4 4 4.4444.4 4 4 4 除湿系统设备选型除湿系统设备选型除湿系统设备选型除湿系统设备选型 主缆除湿系统主要由过滤器、转轮除湿机、送气鼓风机、冷却器、以及送气罩、排气罩和配管等主 要设备组成。 (1)(1)(1)(1) 过滤装置过滤装置过滤装置过滤装置 预过滤器：用来除去可能堵塞除湿机转轮的颗粒，单个过滤装置的除尘效率大约为 85%。cp 过滤 器：用来除去预过滤装置不能除去的颗粒，单个过滤装置除尘效率为 90%。hepa 过滤器：用来除去微 颗粒，此装置可以除去 99.97%以上的 0.1m的颗粒，还能除去 cp 过滤器不能除去的盐分子。这些过 滤器置于一个柜内，组成过滤装置，通过设置压差计监控防止过滤器堵塞。 (2)(2)(2)(2) 除湿装置除湿装置除湿装置除湿装置 转轮除湿机由处理风机、再生风机、除湿转轮（硅胶） 、再生加热器组成，主缆除湿系统送气处理 过程：在除湿过程中，转轮缓慢旋转，待处理的湿空气经过空气过滤器后用处理风机送入 3/4 转轮的蜂 窝状通道，硅胶吸收空气中的水分，空气被干燥后由罗茨鼓风机送入后冷却器进行冷却，冷却后的空气 通过送风管道送入主缆；在转轮吸湿的同时，再生空气又反向于待处理的空气流向通过再生加热器，经 其余 1/4 转轮的蜂窝状通道带走硅胶上的水分，再经再生风机排出室外。根据转轮除湿机进风量及除湿 性能，选择 ml270 型转轮除湿机。 (3)(3)(3)(3) 送气送气送气送气装置装置装置装置 送气系统由固定输出流量的罗茨鼓风机、梁内及塔内送气配管、主缆上的送气配管及送气罩、排气 罩组成7。送气夹内空气压力应小于 3000pa，经阻力计算知边塔选用 5 台罗茨风机型号均为 lt-080。 罗茨风机选用变频调速装置时，避免选用离心风机、水泵专用的变频调速器，而应选用恒转矩负载类的 通用变频调速器。后冷却器采用空-空热交换器；主缆的送气配管要能耐久使用，采用聚乙烯管。 5 5 5 5 结论结论结论结论 从国外多座悬索桥主缆缠丝打开检查的过程中发现， 主缆表面均产生了较为严重的腐蚀， 腐蚀主要 分布在主缆侧面和底部。 这说明传统的主缆防腐方法只能减缓主缆腐蚀的速度， 不能阻止主缆钢丝腐蚀 的发生；而主缆除湿系统能彻底避免主缆钢丝发生腐蚀，进而提高桥梁的使用寿命，因此主缆除湿系统 是悬索桥主缆钢丝腐蚀防护的发展方向，值得在国内大力推广主缆除湿系统防腐技术。 对悬索桥主缆除湿系统设计方法进行了研究， 首次自主为国内某悬索桥设计了主缆除湿系统， 确定 了合理的送气长度、干燥时间、送气流量及送气压力，并对主缆除湿系统进行了设备选型；为今后国内 悬索桥主缆除湿系统的设计提供了参考。 参考文献参考文献参考文献参考文献 1 叶觉明, 欧阳恺. 悬索桥主缆除湿防腐蚀技术应用和探讨j. 腐蚀与防护. 2004, 25(12): 529-531, 534. 2 杨宁. 大跨悬索桥的主缆除湿防腐系统d. 上海: 同济大学, 2006. 3 温文峰，张宇峰，马爱斌，等. 悬索桥主缆的腐蚀与防护j. 腐蚀与防护. 2007, 28(11): 598-601. 4 党志杰，郑杉. 海洋大气环境下悬索桥主缆及吊索的腐蚀特点j. 桥梁建设. 2000(03): 52-55. 5 贾代勇，袁印奎，缪小平，等. 悬索桥主缆通风干燥空气流动阻力的实验研究j. 流体机械. 2003, 31(10): 9-11. 6 方大东, 陈策. 润扬大桥南汊悬索桥主缆除湿系统设计j. 公路. 2003(9): 60-63. 7 李海. 润扬大桥悬索桥主缆除湿系统设计与施工j. 桥梁建设. 2005(1): 39-41. 8 keita s, shun-ichi n. environmental factors affecting corrosion of galvanized steel wiresj. journal of materials in civil engineering. 2004, 16: 1-7. 9 严国敏.