讓港珠澳大橋如此長壽的祕訣：先進的防腐蝕技術

演算法與數學之美發表於2018-11-20

2018年10月23日，全球最長跨海大橋“港珠澳大橋”正式開通。這座大橋連通珠海、香港、澳門三地，香港到珠海、澳門的通行時間從3個多小時壓縮到半個小時，粵港澳一小時生活圈由此成型。

港珠澳大橋在世界橋樑建築歷史上創造了無數奇蹟，長度最長、施工難度最大、設計壽命最長、創新技術最多……在大橋應用的多項關鍵技術中，由中科院金屬研究所提供的橋基鋼管複合樁系列防腐蝕解決方案，為保證大橋達到120年的超長壽命發揮了關鍵作用。

鋼管樁在整個大橋結構中發揮怎樣的作用？

港珠澳大橋全長近50公里，主體工程“海中橋隧”長度約為30公里（下圖黃線），其中包括近7公里的海底隧道（下圖虛線）。除去隧道部分的海中橋樑長度約為23公里，由將近1500根鋼管複合樁支撐起來，鋼管樁本身總重就達到96000噸。

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大橋總平面圖，來源：參考文獻1

鋼管樁幾個為一組，深埋於海泥中，之後再在其上澆注混凝土橋墩，繼而鋪設橋面。由於大橋本身體量龐大，又需要滿足120年的設計壽命，鋼管樁的尺寸也達到了世界頂級水平——每根鋼管樁外徑在2到2.5米左右，最長達到75米，單根自重可達110噸。

水面之上以及橋面上的部件一旦發生劣化還有維修甚至更換的可能，鋼管樁作為深埋在水面下數十米的橋樑根基，在120年的全壽命週期中無法更換且維護困難，必須確保可靠性，做到萬無一失。那麼，對這些龐然大物來說，最大的威脅是什麼呢？答案便是腐蝕。

金屬在自然環境下為什麼會發生腐蝕？

自然環境下金屬的腐蝕一般是電化學腐蝕。在反應過程中，被腐蝕的金屬原子失去電子被氧化，從而以金屬陽離子的形態脫離金屬基體，在金屬表面形成腐蝕產物或溶蝕到環境中。

電化學腐蝕中的陽極總是失去電子的一方，並且一旦失去電子，絕大部分情形下陽極就將變成金屬離子從而被溶解或腐蝕。換句話說，與陰極相比，陽極失去電子的傾向更大，與此同時，陰極獲得電子從而避免遭到腐蝕。

我們來看一個實際的例子。下圖鐵中的某個區域存在某種夾雜物，我們假設其與鐵相比，較不容易失去電子，充當電化學腐蝕反應中的陰極。而鐵相對活潑，失去電子變成鐵離子而被腐蝕，同時在鐵內部電子向夾雜物陰極移動。

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電化學腐蝕示意圖，作者自制

如果電子在陰極處不能被其它陽離子所結合，這個反應就不能繼續發生下去，腐蝕也會停止。然而，由於鐵表面有水溶液的存在，水溶液中的陽離子就會與陰極處的多餘電子結合。如本案例中，氫離子在陰極生成氫氣的同時，也會讓這個腐蝕反應源源不斷的發生，陽極處的鐵就會逐漸被腐蝕。

實際的鋼材中含有諸多合金元素和無數取向不同的晶粒，各微觀區域之間存在普遍的不均一性。而溶液中的微觀狀況也並不完全一致，例如各處離子濃度、溶液氧氣含量、溫度和流速都存在差異。所以說，上圖中描述的腐蝕情形在自然情況下是無處不在的。

護衛大橋鋼管樁的防腐技術之一——犧牲陽極法

港珠澳大橋的鋼管樁在惡劣的條件下長期服役，為了保證鋼管樁的抗腐蝕壽命，金屬所提出了聯合運用犧牲陽極法和塗層防護法，再輔以原位腐蝕監測的綜合解決方案。

顧名思義，“犧牲陽極法”就是以比被保護金屬更容易失去電子的活潑金屬（活潑金屬）作為陽極，而被保護金屬作為陰極的方法。理想情況下，在活潑金屬被完全腐蝕之前，被保護的陰極構件不會發生腐蝕。在海水、土壤等環境中，比鋼鐵材料更容易失去電子的金屬有很多，鋁、鋅、鎂等都可以作為犧牲陽極。

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犧牲陽極法示意圖，作者自制

綜合考慮防護效果及材料成本，港珠澳大橋最終選用鋁作為犧牲陽極。然而，在實際的安裝過程中，工程人員們又面臨了前所未有的問題。以往跨海大橋陰極防護的重點是浸在海水中鋼管樁的腐蝕防護，而港珠澳大橋的大部分鋼管樁深埋入泥下。如果在泥下的鋼柱外壁佈置犧牲鋁陽極，施工難度和更換難度都將極大增加。

金屬所的科研人員創造性地摒棄了陰極保護的傳統方式，大膽採用在海水區中安裝犧牲陽極以保護泥下區的新方法，以此解決海泥中更換犧牲陽極難度過大的問題。但是，這樣的技術路線是否真的能夠起到切實的防護效果，並無先例可循，相關的理論基礎也需要重新確立。

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設定於船體上的犧牲陽極，作者：Zwergelstern

科研人員們為此建立了適用於港珠澳大橋鋼管複合樁的陰極保護理論模型，並搭建測試平臺，實地驗證了這一設想的保護效果。此外，他們採取在鋼管內壁安裝感測器的方法，對實際的防腐蝕效果進行了實時監測。結果表明，該新型陰極保護方式完全能夠滿足港珠澳大橋苛刻的防護要求。

大橋鋼管樁的長壽祕訣之二——先進防腐塗層

塗層防護法與犧牲陽極法的思路完全不同，既然海泥中存在各種易產生腐蝕的因素，只要用塗層將它們與鋼管樁本身隔離開來，就可以極大地避免腐蝕的發生。然而，港珠澳大橋鋼管樁極端苛刻的服役環境，對於任何防腐塗料而言都是巨大的挑戰。

首先，鋼管樁位於海泥環境中，打樁過程中的機械損傷、泥砂碎石磨劃傷就已經會對塗層的表面造成相當大的威脅。此外，在充滿腐蝕性介質的海泥中保證120年的使用壽命而不發生明顯效能衰退更是難上加難。

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打樁過程示意圖，來源：參考文獻3

中科院金屬所的科研人員利用在“SEBF/SLF高效能防腐塗層”方面積累的先進經驗，為港珠澳大橋鋼管樁提供了世界頂級的防腐塗層。SEBF和SLF均為環氧樹脂粉末為核心的塗料體系，主要用於重腐蝕條件。

以主要應用於鋼管樁外壁的SEBF塗層為例，其與基體的粘接強度達到了國內外同類產品的一倍以上，充分保證了打樁過程中鍍層的完好性。該鍍層在酸鹼鹽環境中的化學穩定性都非常出色，抗水防滲能力優異。此外，抗應力腐蝕能力和空泡腐蝕能力優異，與犧牲陽極法連用時抗剝離效能好，在陰極保護電流作用下的剝離厚度只有國際標準的30%。

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金屬所開發的SEBF系列塗料的部分技術引數，來源：參考文獻2

在中科院金屬所科研人員的指導下，港珠澳大橋最終採用高效能防腐塗層+陰極保護的聯合防護方法來確保鋼管樁的服役可靠性。在鋼管樁120年的設計壽命中，前70年將採用高效能塗層防護為主、犧牲陽極式陰極保護為輔的聯合防護進行腐蝕抑制。後50年則以犧牲陽極保護+鋼管預留腐蝕餘量為主、高效能塗層防護為輔的聯合防護方式保證耐久性。

參考文獻：

1. 港珠澳大橋耐久性技術與研究，作者：蘇權科

2. SEBF/SLF重腐蝕防護技術在化纖行業中的應用，作者：中科院金屬研究所國家金屬腐蝕控制工程技術中心

3. http://bbs.zhulong.com/102020_group_727/detail30935567/

∑編輯 | Gemini

來源 | 科普中國

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