拒“腐”巧打“组合拳”——杭州湾跨海大桥钢管桩防腐体系创新实践

杭州湾跨海大桥于2003年11月开工建设，2008年5月建成通车，设计使用寿命100年，总投资134.54亿元。截至2024年4月，大桥共通行各类车辆超过2.2亿辆，日均流量突破5.6万辆，是世界上最为繁忙的跨海大桥之一。随着服役年限的增加，腐蚀问题日益严峻，使桥梁的养护运维工作面临更大的考验。

构建钢管桩耐久性防护体系

杭州湾跨海大桥地处强潮海湾，台风多、潮流急、冲刷深、滩涂宽、腐蚀强、泥沙含量高，桥梁服役环境复杂而严苛，给桥梁养护管理工作带来很大的难度。作为杭州湾跨海大桥和海中平台的基础支撑，钢管桩结构的安全和使用寿命直接决定着大桥和平台的安全性和耐久性。大桥主桥共有5144根钢管桩，直径包括1.5m和1.6m两种类型，桩长71～88m，桩顶嵌入承台1m。

杭州湾跨海大桥地处亚热带季风气候区，海水及空气中氯离子含量很高，属于强腐蚀地区，因此钢管桩的防腐蚀显得尤为重要。为满足桥梁100年正常使用的要求，大桥钢管桩防腐采用“高性能环氧涂层+牺牲阳极阴极保护+预留腐蚀余量”的联合防护体系。

1.涂装体系

根据钢管桩所处的泥下区、水下区以及浪溅区腐蚀环境的差异，分别采取不同的涂装方案，如图1所示。

图1 钢管桩各区段涂层示意图

(1) 泥下区：该区域腐蚀作用相对薄弱，因此采用单层的环氧粉末涂层。

(2) 水下区：此区域水流流速大，且含有大量泥沙，为提高涂层的抗冲刷和耐磨性能，在该范围内选用了双层环氧粉末涂层。

(3) 浪溅区：该区域腐蚀环境最为恶劣，不仅有海水的腐蚀和冲刷作用，还需要考虑紫外线的作用，因此在该范围内采用了三层环氧粉末涂层，提高抗紫外线抗老化性能。

2.阴极保护体系

为减少钢管桩承受的荷载，杭州湾跨海大桥选用了轻质的铝合金牺牲阳极。以每个承台为单位，牺牲阳极在承台下的钢管桩每隔一根安装一处，由于高性能环氧粉末涂层良好的绝缘性，使得阴极保护电流的辐射距离增大，采用局部按照阳极保护整体的方式即能够满足最小电位准则。

3.钢管桩壁厚余量

按照钢管桩的受力情况，壁厚尺寸为18mm即可满足要求。在此基础上，结合杭州湾海域的腐蚀数据，设计了一定厚度的腐蚀余量作为运营后期耐久性的保障措施，其中浪溅区和水下区预留腐蚀余量4mm，泥下区预留腐蚀余量2mm。

4.钢管桩耐久性防护体系的运作方式

杭州湾跨海大桥运营期内钢管桩防腐分为三个阶段：第一阶段为1～50年，主要依靠高性能环氧涂层进行防腐，阴极保护作为辅助手段对钢管桩涂层局部失效及破损区域予以防腐；第二阶段为51年～80年，依靠阴极保护加以防护；第三阶段则为81～100年,主要通过预留腐蚀余量保证钢管桩的安全使用。

运营期防护效果之评价

杭州湾跨海大桥通车运营后，对钢管桩采用的“高性能环氧涂层+牺牲阳极阴极保护+预留腐蚀余量”的联合防护体系开展了全面的跟踪评价。针对防护体系中3个层次的防腐蚀措施，检查方法和结果分别如下：

1.钢管桩涂层

由于受到海水潮位变化的影响，钢管桩涂层的检查主要集中在浪溅区范围内，同时该区域也是整根钢管桩腐蚀条件最为恶劣的部位。在浪溅区内，与牺牲阳极相比,涂层发挥着更为重要的作用，同时对钢管桩本体也起到防护效果，因此需要确保涂层的表观完好、涂层厚度满足设计要求。钢管桩涂层检查每年进行一次。对于涂层外观检查，通过目视检查外观、拍照和录像等方式，检查涂层是否存在粉化、裂纹、脱落等缺陷。由于钢管桩数量庞大，因此采取循环抽检的方式，每年检测50%数量的钢管桩涂层外观。与外观相同，钢管桩涂层厚度测量也使用抽检的方式，检测设备为涂层测厚仪。

历年检测结果显示，钢管桩的主要病害为浪溅区桩顶范围内的涂装破损与剥落（如图2所示），面积在0.1-0.2m2范围。对于钢管桩涂层的厚度，历年检测数据表明涂层厚度均不小于设计厚度的90%，能够满足设计的要求。

图2 钢管桩桩顶范围涂层脱落

2.牺牲阳极阴极保护系统

针对大桥钢管桩牺牲阳极的防护效果，主要通过测量保护电位水平进行间接评价。在设计阶段规定钢管桩的初期阴极保护电流密度为150mA/m2，因此钢管桩的保护电位被确定为不低于-800mV（相对于Ag/AgCl参比电极）。实际检测过程中，利用电压表和Ag/AgCl参比电极进行电位测试，并依照表1的准则进行结果判定。牺牲阳极的阴极保护电位每年开展一次，以抽检的方式进行，将全桥桩基为钢管桩的520个承台作为对象，每个承台下的钢管桩编为一组，每组抽取一根桩测量3处保护电位。

在钢管桩牺牲阳极阴极保护电位方面，根据历年检测结果，各年度所有抽检钢管桩均处于有效保护电位范围内，能够满足其阴极保护设计要求。但由于杭州湾跨海大桥钢管桩数量巨大，通过对近7年的检测数据进行统计，全桥钢管桩的保护电位能够重复检测4次及以上的仅有27根，其中4根的保护电位呈降低趋势，另外4根的保护电位呈升高趋势，其余19根的电位均处于波动状态，无明显规律可言，尚无法获取有关牺牲阳极保护电位的发展和变化规律。

2020年，在大桥运营12年后，为全面评价钢管桩牺牲阳极的运行情况，进行了一次针对牺牲阳极块的水下探摸工作。具体检测方式主要通过潜水员携带潜水装置潜入水下，对钢管桩阳极块进行探摸，探明阳极块安装位置、连接脚完损程度以及是否严重腐蚀或损坏，并通过阳极块尺寸测量，推算估计牺牲阳极剩余保护寿命，为钢管桩实施维护提供预测预报数据。水下探摸采用抽检方式，每个承台下的全部钢管桩为一组，每组抽取一根桩对其上的4块阳极块进行探摸，共计抽检76组。探摸未发现阳极块有焊脚脱落现象，但牺牲阳极块均已出现不同程度的重量和体积消耗。

3.钢管桩壁厚

杭州湾跨海大桥钢管桩壁厚设有腐蚀余量，在运营末期将消耗预留腐蚀余量保障钢管桩安全耐久。由于大桥于2008年通车运营，钢管桩远未达到运营末期的状态，因此原则上无须对钢管桩壁厚进行测量。但由于实际监测过程中发现钢管桩浪溅区范围存在局部涂层破损、脱落的情况，为避免其壁厚过早消耗，因此对钢管桩壁厚也进行了检测。该项检测于2018年首次进行，采用超声测厚仪实施测量，测区选择在钢管桩涂层破损位置处。

自对钢管桩涂层破损位置处开展壁厚测量以来，累计共对192根钢管桩的钢板壁厚进行测量，测得的钢管桩壁厚均不小于原设计厚度。上述结果表明，钢管桩当前防护体系有效可行，腐蚀速率未出现明显异常。

维养创新实践

浪溅区钢管桩涂层的修复

针对钢管桩涂层破损问题，目前常规的处置措施是对涂层进行修补。但涂层修复的方案尚存在一定困难，与建设期在工厂中加工制作和现场施工设置围堰等条件不同，运营期进行钢管桩涂装修补需要考虑诸多因素。例如：新修补涂装与原涂层间的适应性、涂层固化的时间、涂层是否能在水中固化、对钢管桩基面处理的要求、涂层成膜的厚度及涂覆次数、施工作业窗口期的长短、对作业面防海水喷溅的措施等。概括来说，钢管桩涂装修复的难度及重点体现在涂层材料的选择和如何保障施工质量两方面。

针对运营阶段浪溅区钢管桩涂层的修复，为了能够快速对钢管桩破损涂层进行维修并确保施工质量，宜采用表面处理要求低、成膜厚度大、固化时间短的无溶剂型或高固体分改性环氧类涂料；同时，考虑到新旧漆膜间的相容性，应选用环氧类涂料。在杭州湾跨海大桥实际养护中，针对以往检查中累计发现的482根涂层破损的钢管桩，目前均选用改性环氧高固体份涂料进行修复，实施效果良好。

钢管桩包覆

海洋环境可分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区五个不同的腐蚀区带，其中浪花飞溅区腐蚀最为严重，一般情况下，其平均腐蚀速度约为每年0.3~0.5mm。同时，在服役结构中，由于受到环境、材料、结构和防腐技术的特点，海洋大气区异型结构的腐蚀问题亦不容忽视。

图3 海洋钢结构的腐蚀倾向和防腐对策

海洋大气区结构主体使用长效耐用的防腐涂层，同时配合针对局部异型钢结构防腐的氧化聚合型包覆防腐技术（OTC），在浪花飞溅区和潮差区局部采用复层矿脂包覆防腐蚀技术（PTC）。以复层矿脂包覆防腐蚀技术（PTC）为例，该技术由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩四层紧密相连的保护层组成。其中矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带具有缓蚀阻锈作用和水膏置换性，能够有效阻止腐蚀性介质对钢结构的侵蚀，保证其带水带锈施工。密封缓冲层和防蚀保护罩能够对内侧保护层起到防护作用，同时抵御外界物理作用对钢结构的破坏，减缓海生物的附着。

图4 复层矿脂包覆防腐蚀技术（PTC）结构图

2019年8月，大桥公司组织钢结构防腐项目施工单位、监理单位和中国科学院海洋研究所对PTC包覆的钢管桩（2013年完成施工）进行6年防腐试验效果检验，验证PTC包覆材料和实际腐蚀环境中对钢管桩的保护效果。

经现场拆检及后期实验室测试分析表明，不饱和聚酯树脂玻璃钢PTC防蚀保护罩结构整体良好，表面保持光洁，未出现破损、开裂等物理损伤，未明显发生老化，藤壶、牡蛎、藻类等附着海生物较少，有效降低钢桩负载和所承受的海浪冲击。矿脂防蚀带表面整体保持完整、无破损，两层防蚀带紧密贴合，柔韧性依然良好，厚度仍保持在1.5～2.2mm之间，较初试厚度略有降低。钢桩表面保持原有状态，未发生锈蚀，原铲除藤壶痕迹清晰可见。实践结果表明，复层矿脂包覆防腐技术（PTC）具有优异的防腐效果和长效的防腐年限，能有效延长结构和设施的实际使用寿命，预期保护效果可达30年。

图5 拆件后防蚀带

通过对杭州湾跨海大桥运营期钢管桩耐久性防护体系应用效果的评价，表明经过16年的使用，大桥钢管桩选用的“高性能环氧涂层+牺牲阳极阴极保护+预留腐蚀余量”的联合防护体系运行稳定，涂层总体状况良好，牺牲阳极阴极保护电位水平正常，冗余壁厚未进入工作。钢管桩自投入使用以来保持较高的完好性，满足结构体系的受力要求和安全要求，耐久性防护体系发挥了良好的效果。下一步，大桥公司还将针对浪溅区涂装损坏、牺牲阳极块损耗等问题进行防腐体系的修复与提升，并通过对防腐效果的持续追踪监测和现场检验，对相关技术的防腐性能、耐久性和适应性等进行分析和改进，在经过充分论证的基础上，有序推广钢管桩防腐修复与提升技术的应用。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志

2024年 第2期 总第26期

作者 / 杨健 肖龙

作者单位 / 宁波市杭州湾大桥发展有限公司

编辑 / 陈晖

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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