[科普中国]-让港珠澳大桥如此长寿的秘诀：先进的防腐蚀技术

2018年10月23日，全球最长跨海大桥“港珠澳大桥”正式开通。这座大桥连通珠海、香港、澳门三地，香港到珠海、澳门的通行时间从3个多小时压缩到半个小时，粤港澳一小时生活圈由此成型。港珠澳大桥在世界桥梁建筑历史上创造了无数奇迹，长度最长、施工难度最大、设计寿命最长、创新技术最多……在大桥应用的多项关键技术中，由中科院金属研究所提供的桥基钢管复合桩系列防腐蚀解决方案，为保证大桥达到120年的超长寿命发挥了关键作用。视频新闻(视频专辑)港珠澳大桥通车两周，超9万人出入境！视频带你穿越港珠澳大桥澳门附近桥面，作者：N509FZ钢管桩在整个大桥结构中发挥怎样的作用？港珠澳大桥全长近50公里，主体工程“海中桥隧”长度约为30公里（下图黄线），其中包括近7公里的海底隧道（下图虚线）。除去隧道部分的海中桥梁长度约为23公里，由将近1500根钢管复合桩支撑起来，钢管桩本身总重就达到96000吨。大桥总平面图，来源：参考文献1钢管桩几个为一组，深埋于海泥中，之后再在其上浇注混凝土桥墩，继而铺设桥面。由于大桥本身体量庞大，又需要满足120年的设计寿命，钢管桩的尺寸也达到了世界顶级水平——每根钢管桩外径在2到2.5米左右，最长达到75米，单根自重可达110吨。水面之上以及桥面上的部件一旦发生劣化还有维修甚至更换的可能，钢管桩作为深埋在水面下数十米的桥梁根基，在120年的全寿命周期中无法更换且维护困难，必须确保可靠性，做到万无一失。那么，对这些庞然大物来说，最大的威胁是什么呢？答案便是腐蚀。金属在自然环境下为什么会发生腐蚀？自然环境下金属的腐蚀一般是电化学腐蚀。在反应过程中，被腐蚀的金属原子失去电子被氧化，从而以金属阳离子的形态脱离金属基体，在金属表面形成腐蚀产物或溶蚀到环境中。电化学腐蚀中的阳极总是失去电子的一方，并且一旦失去电子，绝大部分情形下阳极就将变成金属离子从而被溶解或腐蚀。换句话说，与阴极相比，阳极失去电子的倾向更大，与此同时，阴极获得电子从而避免遭到腐蚀。我们来看一个实际的例子。下图铁中的某个区域存在某种夹杂物，我们假设其与铁相比，较不容易失去电子，充当电化学腐蚀反应中的阴极。而铁相对活泼，失去电子变成铁离子而被腐蚀，同时在铁内部电子向夹杂物阴极移动。电化学腐蚀示意图，作者自制如果电子在阴极处不能被其它阳离子所结合，这个反应就不能继续发生下去，腐蚀也会停止。然而，由于铁表面有水溶液的存在，水溶液中的阳离子就会与阴极处的多余电子结合。如本案例中，氢离子在阴极生成氢气的同时，也会让这个腐蚀反应源源不断的发生，阳极处的铁就会逐渐被腐蚀。实际的钢材中含有诸多合金元素和无数取向不同的晶粒，各微观区域之间存在普遍的不均一性。而溶液中的微观状况也并不完全一致，例如各处离子浓度、溶液氧气含量、温度和流速都存在差异。所以说，上图中描述的腐蚀情形在自然情况下是无处不在的。护卫大桥钢管桩的防腐技术之一——牺牲阳极法港珠澳大桥的钢管桩在恶劣的条件下长期服役，为了保证钢管桩的抗腐蚀寿命，金属所提出了联合运用牺牲阳极法和涂层防护法，再辅以原位腐蚀监测的综合解决方案。顾名思义，“牺牲阳极法”就是以比被保护金属更容易失去电子的活泼金属（活泼金属）作为阳极，而被保护金属作为阴极的方法。理想情况下，在活泼金属被完全腐蚀之前，被保护的阴极构件不会发生腐蚀。在海水、土壤等环境中，比钢铁材料更容易失去电子的金属有很多，铝、锌、镁等都可以作为牺牲阳极。牺牲阳极法示意图，作者自制综合考虑防护效果及材料成本，港珠澳大桥最终选用铝作为牺牲阳极。然而，在实际的安装过程中，工程人员们又面临了前所未有的问题。以往跨海大桥阴极防护的重点是浸在海水中钢管桩的腐蚀防护，而港珠澳大桥的大部分钢管桩深埋入泥下。如果在泥下的钢柱外壁布置牺牲铝阳极，施工难度和更换难度都将极大增加。金属所的科研人员创造性地摒弃了阴极保护的传统方式，大胆采用在海水区中安装牺牲阳极以保护泥下区的新方法，以此解决海泥中更换牺牲阳极难度过大的问题。但是，这样的技术路线是否真的能够起到切实的防护效果，并无先例可循，相关的理论基础也需要重新确立。设置于船体上的牺牲阳极，作者：Zwergelstern科研人员们为此建立了适用于港珠澳大桥钢管复合桩的阴极保护理论模型，并搭建测试平台，实地验证了这一设想的保护效果。此外，他们采取在钢管内壁安装传感器的方法，对实际的防腐蚀效果进行了实时监测。结果表明，该新型阴极保护方式完全能够满足港珠澳大桥苛刻的防护要求。大桥钢管桩的长寿秘诀之二——先进防腐涂层涂层防护法与牺牲阳极法的思路完全不同，既然海泥中存在各种易产生腐蚀的因素，只要用涂层将它们与钢管桩本身隔离开来，就可以极大地避免腐蚀的发生。然而，港珠澳大桥钢管桩极端苛刻的服役环境，对于任何防腐涂料而言都是巨大的挑战。首先，钢管桩位于海泥环境中，打桩过程中的机械损伤、泥砂碎石磨划伤就已经会对涂层的表面造成相当大的威胁。此外，在充满腐蚀性介质的海泥中保证120年的使用寿命而不发生明显性能衰退更是难上加难。打桩过程示意图，来源：参考文献3中科院金属所的科研人员利用在“SEBF/SLF高性能防腐涂层”方面积累的先进经验，为港珠澳大桥钢管桩提供了世界顶级的防腐涂层。SEBF和SLF均为环氧树脂粉末为核心的涂料体系，主要用于重腐蚀条件。以主要应用于钢管桩外壁的SEBF涂层为例，其与基体的粘接强度达到了国内外同类产品的一倍以上，充分保证了打桩过程中镀层的完好性。该镀层在酸碱盐环境中的化学稳定性都非常出色，抗水防渗能力优异。此外，抗应力腐蚀能力和空泡腐蚀能力优异，与牺牲阳极法连用时抗剥离性能好，在阴极保护电流作用下的剥离厚度只有国际标准的30%。金属所开发的SEBF系列涂料的部分技术参数，来源：参考文献2在中科院金属所科研人员的指导下，港珠澳大桥最终采用高性能防腐涂层+阴极保护的联合防护方法来确保钢管桩的服役可靠性。在钢管桩120年的设计寿命中，前70年将采用高性能涂层防护为主、牺牲阳极式阴极保护为辅的联合防护进行腐蚀抑制。后50年则以牺牲阳极保护+钢管预留腐蚀余量为主、高性能涂层防护为辅的联合防护方式保证耐久性。作者 | 张昊 大阪大学产业科学研究所 助理教授审稿人 | 王长罡 中科院金属研究所金属腐蚀防护中心 副研究员编辑 | 曾丹文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”参考文献1. 港珠澳大桥耐久性技术与研究，作者：苏权科2. SEBF/SLF重腐蚀防护技术在化纤行业中的应用，作者：中科院金属研究所国家金属腐蚀控制工程技术中心3. http://bbs.zhulong.com/102020_group_727/detail30935567/