跨海大桥钢桩的海洋腐蚀与防护

1、跨海大桥钢桩的海洋腐蚀与防护1. 概述海洋是生命的摇篮、风雨的故乡、气候的调节器、交通的要道、资源的屏 障。海洋不仅仅是巨大的资源宝库，而且是人类生存与发展不可缺少的空间环境， 是解决人口剧增、资源短缺、环境恶化三大难题的希望所在。近年来，为缓解交通 压力，海洋变成了交通要道，一座座跨海大桥盘然而立，中国有着世界最长的跨海 大桥一一杭州湾大桥，这不仅方便了交通，而且给经济的发展带来巨大效应，从资 料显示，我国已建和在建的跨海大桥数量不少，它所带来的经济收益将远远超过建 桥本身。例如，作为国内第一座跨海大桥，上海东海大桥使上海人的活动半径向大 海延伸了 30多公里，这是历史性的突破。同时，上海南

2、汇、奉贤等区也将会成为 上海制造业的新高地。再如全世界最长、工程量最大的杭州湾跨海大桥建设，完善 了长江三角洲区域公路布局及国道主干线，缓解了沪、杭、甬高速公路流量的压 力，有利于杭州湾地区城市主动接轨上海，扩大开放，推动长江三角洲地区的合作 与交流，提高浙江省对内对外开放水平，增强综合实力和国际竞争力。由于钢材的 强度高，韧性好，容易加工，质量也容易保证。这些优点推动了钢铁在海洋港湾设 施上的大量应用。作为跨海大桥的支架，海洋环境下，腐蚀是其致命的弱点。钢铁 材料在海洋中的耐蚀性能较差，其疲劳性能显著下降，大大降低了钢构造物的使用 寿命，直接影响大桥的使用安全。山于跨海大桥是建在环境相当恶劣

3、的海洋环境 中，因此，海洋大气严重的盐雾腐蚀是跨海桥梁设计和建造过程中必须重视的课 题。2. 海洋腐蚀环境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。2. 1海水腐蚀环境海水是一种复杂的多组分水溶液，海水中各种元素都以一定的物理化学形态 存在。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%.由于海水总盐

4、度高，所以具有很高的电导率，海水中pH值通常为 8. 1-8.2,且随海水深度变化而变化。若植物非常茂盛，C02减少，溶解氧浓度上 升，pH值可接近10：在有厌氧性细菌繁殖的情况下，溶解氧量低，而且含有 H2S,此时pH值常低于7。海水中的氧含量是海水腐蚀的主要影响因素之一，正常 情况下，表面海水氧浓度随水温大体在510mg./L范围内变化。海水温度一般在- 2°C-35°C之间，热带浅水区可能更高。海水中氯离子含量约占总离子数的55%, 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。2. 2海洋大气腐蚀环境大气腐蚀一般被分成乡村大气腐蚀，工

5、业大气腐蚀和海洋大气腐蚀。乡村地 区的大气比较纯净；工业地区的大气中则含有SO2, H2S, NH2和02等。大气中盐 雾含量较高，对金属有很强的腐蚀作用。与浸于海水中的钢铁腐蚀不同，海洋环境 对金属腐蚀的研究同其它环境中的大气腐蚀一样是由于潮湿的气体在物体表面形成 一个薄水膜而引起的。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。我国许多海滨城市受海洋大气的影响，腐蚀现象是非常严重的.除了在强风 暴的天气中，在距离海岸近的大气中的金属材料，特别是在距海岸200m以内的大 气区域中，强烈的受到海洋大气的影响，离海岸24m处钢的腐蚀比240m处大12 倍，海洋环境中金属材料腐蚀速率

6、明显变化发生在距海岸线15 km到25 km之 间。因此，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，海洋环境中的钢鉄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

7、，被海雾周期饱和的空气能使钢的腐蚀速度 增加儿倍。3. 海洋环境对金属的影响因素3. 1盐度盐度是指100克海水中溶解的固体盐类物质的总克数。一般在相通的海洋中 总盐度和各种盐的相对比例并无明显改变，在公海的表层海水中，其盐度范围为 3.20%3. 73%,这对一般金属的腐蚀无明显的差异。但海水的盐度波动却直接影 响到海水的比电导率，比电导率乂是影响金属腐蚀速度的一个重要因素，同时因海 水中含有大量的氯离子，破坏金属的钝化，所以很多金属在海洋环境中遭到严重腐 蚀。3. 2含氧量海洋环境对金属腐蚀是以阴极氧去极化控制为主的腐蚀过程。海水中的含氧 量是影响海洋环境对金属腐蚀性的重要因素。氧在海水中

8、的溶解度主要取决于海水 的盐度和温度，随海水盐度增加或温度升高，氧的溶解度降低。如果完全除去海水 中的氧，金属是不会腐蚀的。对碳钢、低合金钢和铸铁等，含氧量增加，则阴极过 程加速，使金属腐蚀速度增加。但对依靠表面钝化膜提高耐蚀性的金属，如铝和不 锈钢等，含氧量增加有利于钝化膜的形成和修补，使钝化膜的稳定性提高，点蚀和 缝隙腐浊的倾向减小。3.3 CO2、碳酸盐的影响海水中的C02主要以碳酸盐和碳酸氢盐的形式存在，并以碳酸氢盐为主。C02 气体在海水中的溶解度随温度、盐度的升高而降低，随大气中C02气体分压的升高 而升高。海水中的碳酸盐对金属腐蚀过程有重要影响，碳酸盐通过pH值的增大， 在金属表

9、面沉积形成不溶的保护层，从而对腐蚀过程起抑制作用。3.4温度的影响海洋环境中温度随着时间、空间上的差异会在一个比较大的范围变化。表层 海水温度还随季节而呈周期性变化。温度对海水腐蚀的影响是复杂的。温度升高， 会加速金属的腐蚀。另一方面，海水温度升高，海水中氧的溶解度降低，同时促进 保护性碳酸盐的生成，这乂会减缓钢在海水中的腐蚀。但在正常海水含氧量下，温 度是影响腐蚀的主要因素。这是因为含氧量足够高时，控制阴极反应速度的是氧的 扩散速度，而不是含氧量。对于在海洋环境中对金属钝化的研究，温度升高，钝化 膜稳定性下降，点蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀的敬感性增加。3.5海水流速的影响海水腐蚀是借助氧去极化而

10、进行的阴极控制过程，并且主要受氧的扩散速度 的控制。另一方面，在海环境中水海对金属表面有冲蚀作用，当流速超过某一临界 流速时，金属表面的腐蚀产物膜被冲刷掉，金属表面同时受到磨损，这种腐蚀与磨 损联合作用，使钢的腐蚀速度急剧增加。对于在海水中能钝化的金属，如不锈钢、 铝合金、钛合金等，海水流速增加会促进其钝化，可提高耐蚀性。3.6海生物对海洋环境中金属腐蚀研究的影响海生物在大多数悄况下是加大腐蚀的，尤其是局部腐蚀。海水中叶绿素植物 可使海水中含氧量增加，海生物放出的C02使周围海水酸性加大，海生物死亡、腐 烂可产生酸性物质和H2S,这些都可使腐蚀加速。此外，有些海生物会破坏金属表 面的油漆或镀层

11、，有些微生物本身对金属就有腐蚀作用。山于电位电位不同，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

12、桩式结构的主要破坏形式之一。另外，山于 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。5.钢桩的腐蚀与防护5. 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。另外，设讣时若按其局部腐蚀速度推算所 需预加的腐蚀裕量.则显得极不经济；若按其平均腐蚀速度推算所需预加的腐蚀裕 量，则显得不安全。5.2耐海水低合金钢自1967年美国钢铁公司发明了 Mariner钢（海洋钢）后，日、德、法等国先后 研制并生产了十儿种耐海水钢，我国亦曾研制过lOCrCuSiV和lOMnPNb钢等，但 应用并不十分广泛耐海水钢在大气区、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23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。5. 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