包覆防護(hù)系統(tǒng)在高樁碼頭鋼管樁維護(hù)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

熊建波，張華章，張前平，潘德強(qiáng)

（1.中交四航工程研究院有限公司，交通運(yùn)輸部水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230；2.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；3.精銳化學(xué)（上海）有限公司，上海 201315）

高樁碼頭是利用樁基將作用在碼頭上的荷載傳遞到深層地基的系船建筑物。其能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和自然環(huán)境，且具有波浪反射小、泊穩(wěn)條件好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以在我國沿海地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[1]。高樁碼頭的樁基大多為采用普通碳鋼和低合金鋼制成的鋼管樁，極易與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而受到嚴(yán)重腐蝕，大大縮短了鋼管樁的使用壽命，因而鋼管樁的防護(hù)問題一直是業(yè)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。本文結(jié)合華南某碼頭鋼管樁維護(hù)中的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)，通過對(duì)腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行分析、腐蝕措施進(jìn)行對(duì)比，最終選用包裹防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了工程實(shí)踐，為類似工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 鋼管樁腐蝕防護(hù)

按照我國現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范JTS153-3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，海工鋼結(jié)構(gòu)如鋼管樁的部位分為：海洋大氣區(qū)，浪濺區(qū)，水位變動(dòng)區(qū)，水下區(qū)，泥下區(qū)。這些區(qū)域的腐蝕特點(diǎn)如圖1所示。由該圖可見，海水環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速度有3個(gè)峰值：1） 發(fā)生在平均高潮線以上的浪濺區(qū)，是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。這是因?yàn)樵谶@一區(qū)域浪花飛濺、干濕交替，氧的供應(yīng)最充分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，同一鋼種在浪濺區(qū)遭受腐蝕的速度比水下區(qū)高出3~10倍[2]。2） 發(fā)生在平均低潮線以下0.5～1.0 m處。此區(qū)域海水溶解氧充分，與水位變動(dòng)區(qū)因氧濃度差形成腐蝕電池，使該區(qū)域成為陽極區(qū)而遭受腐蝕。3） 發(fā)生在海水與海泥交界處下方，由于此處鋼結(jié)構(gòu)分別處于海泥和海水中，容易因周圍的介質(zhì)的不同而產(chǎn)生腐蝕電池[3]。

因鋼管樁長期處于海水直接腐蝕的環(huán)境，通常在新建時(shí)會(huì)采取初步的防腐蝕措施：1） 預(yù)留腐蝕裕量。2） 大氣區(qū)采用涂層或金屬噴涂層保護(hù)。3） 浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)采用重防腐涂層或金屬熱噴涂層加封閉涂層，也可以采用包覆有機(jī)復(fù)合層保護(hù)。4） 水下區(qū)單獨(dú)設(shè)置電化學(xué)陰極保護(hù)或與涂層聯(lián)合保護(hù)。5） 泥下區(qū)采用電化學(xué)陰極保護(hù)[4]。通常漆膜在浪濺區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)也遠(yuǎn)比其他區(qū)域更易老化、剝落，難以達(dá)到預(yù)定的使用年限，而水位變動(dòng)區(qū)電化學(xué)陰極保護(hù)措施通常也難以達(dá)到理想效果，因此鋼管樁浪濺區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)部位的防護(hù)是鋼管樁結(jié)構(gòu)防護(hù)最薄弱的環(huán)節(jié)之一[5]。

圖1 海水環(huán)境鋼管樁腐蝕及防護(hù)示意圖

2 高樁碼頭鋼管樁維護(hù)方案選擇

受現(xiàn)場漲落潮時(shí)間的限制，浪濺區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)鋼管樁的維護(hù)施工十分不便，較新建工程施工困難，甚至不少碼頭出現(xiàn)了重復(fù)維修的問題，嚴(yán)重影響了正常營運(yùn)。因此如何高效地做好樁柱的防護(hù)是碼頭維護(hù)的重點(diǎn)，對(duì)于此區(qū)域維護(hù)的方案一直是近年維護(hù)維修探討的熱點(diǎn)[6]。目前，鋼管樁浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)的維護(hù)設(shè)計(jì)中常采用的有：重防腐涂料或水下重防腐涂料，熱縮套材料，包覆防護(hù)系統(tǒng)材料[7]。當(dāng)前國內(nèi)鋼管樁的維護(hù)普遍采用重防腐涂料，一般采用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理達(dá)到Sa2.5級(jí)然后現(xiàn)場涂裝涂料，但在工程現(xiàn)場進(jìn)行鋼管樁表面噴砂和涂裝作業(yè)，施工難度大，現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重，且其噴砂除銹和涂裝效果受水汽和漲落潮的影響而得不到保證，除銹及涂裝的范圍只能為鋼管樁水面以上區(qū)域。為此，有施工單位開發(fā)可以外掛在鋼管樁上的套箱，在套箱內(nèi)部進(jìn)行噴砂除銹作業(yè)，避免了污染，使噴砂除銹效果得以保證，并且在施工期間不受漲落潮影響，能很大程度上保證施工質(zhì)量。缺點(diǎn)是增加了施工成本，且工人在套箱內(nèi)進(jìn)行噴砂和涂裝作業(yè)施工條件嚴(yán)酷，工效低。為此，目前已開發(fā)水下可以直接涂敷在鋼結(jié)構(gòu)上的水下重防腐涂料，有的產(chǎn)品需要進(jìn)行水下帶磨料高壓水清洗至Sa2.0等級(jí)，然后水下涂刷，有的產(chǎn)品是水下鋼結(jié)構(gòu)表面手動(dòng)除銹St3級(jí)后，直接刷涂或抹涂，但目前這些產(chǎn)品的使用效果受施工質(zhì)量的影響非常大，且耐久性效果在國內(nèi)工程中尚未得到驗(yàn)證。

鋼管防腐熱收縮帶是一種新型的性能良好鋼管防腐材料，最早用于石油管線等的防腐，通常為三層結(jié)構(gòu)，包含防腐涂料底漆、熱熔膠中間層、交聯(lián)聚乙烯外層。其加熱后熔融流動(dòng)、能夠涂布在基材上，對(duì)金屬有良好黏結(jié)力，施工操作簡便[8]。熱縮套使用時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)表面需進(jìn)行噴砂除銹，且需在現(xiàn)場加熱，因此，其在現(xiàn)場施工中的質(zhì)量難以得到保證，國內(nèi)有工程采用該體系使用未到10 a即出現(xiàn)起鼓破壞而需要再次維修。

包覆防護(hù)系統(tǒng)是一種物理隔絕有害侵蝕物的方法，它在鋼管樁表面手動(dòng)除銹達(dá)到St2后，采用包覆一層聚氯乙烯帶；或者采用先涂覆含有阻銹成分的底漆或防腐蝕膏，然后纏繞一層礦脂防銹帶，最后采用高密度聚乙烯（HDPE）或玻璃鋼護(hù)甲包覆在防銹帶外部，起到緊固作用并能防止外部沖擊破壞；或者包覆一層由底涂、中間防銹層和外部保護(hù)層復(fù)合在一起的包覆防護(hù)體。包覆后的鋼管樁，隔絕了水和氧侵入鋼樁表面，從而有效防止了鋼管樁表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。相對(duì)于其他防護(hù)方式，此方法對(duì)鋼管樁表面處理要求低，施工方法簡單快捷，水上和水下均能施工，施工速度快，質(zhì)量容易控制，可最大限度降低碼頭運(yùn)營損失。此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)外已有成功應(yīng)用的工程案例，實(shí)踐表明可提供對(duì)鋼管樁更為長效的保護(hù)。從鋼管樁維護(hù)全周期成本來看，浪濺區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)采用包覆防護(hù)系統(tǒng)更為科學(xué)和經(jīng)濟(jì)。

目前國內(nèi)外用到的包覆防護(hù)系統(tǒng)主要采用纏繞礦脂防腐帶外加HDPE護(hù)套的形式，包覆防護(hù)系統(tǒng)示意圖見圖2所示，該系統(tǒng)可適用于截面為圓形、六邊形、方形等形狀的鋼管樁結(jié)構(gòu)。

圖2 包覆防護(hù)系統(tǒng)示意圖

3 鋼管樁包覆防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

我國華南某碼頭2000年建成投產(chǎn)，其碼頭主體鋼管樁未采用任何防護(hù)措施，近期檢查鋼管樁浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)可見銹蝕嚴(yán)重，需對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。

3.1 包覆防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程鋼管樁腐蝕嚴(yán)重程度，設(shè)計(jì)采用鋼管樁包覆防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由S105底漆、海洋礦脂防銹帶、HDPE護(hù)甲組成，范圍為樁頂至最低潮位下0.5 m，共3.17 m長，該部位主要位于浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)。施工期間要求不能影響碼頭正常靠泊裝卸作業(yè)。

3.2 施工流程

3.2.1 鋼管樁表面處理

采用水下打磨機(jī)清除鋼樁表面的海生物、皺皮、附著不牢的銹跡和其他雜物等附著物。經(jīng)過處理后鋼樁表面清潔度滿足GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》中要求的“St2”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。鋼管樁表面凹痕等采用相適應(yīng)的礦脂漆糊填補(bǔ)平整。

3.2.2 涂刷底漆

均勻涂刷S105底漆，在鋼樁表面形成均勻的薄膜，保證無漏涂、氣泡、凝塊和流掛等缺陷。水下操作時(shí)由潛水員戴上防護(hù)手套直接涂抹。底漆涂覆效果見圖3。

圖3 鋼管樁表面底漆涂覆

3.2.3 包覆纏繞礦脂防銹帶

纏繞采用海洋礦脂冷纏防銹帶。由鋼樁頂開始向下螺旋狀包覆，采用55%寬度的搭邊，且每卷防銹帶之間有150 mm以上的頭尾重疊，以達(dá)到雙層防護(hù)的效果。纏繞時(shí)用滾筒式磁力棒緊按使其緊貼于樁的表面，并保持防銹帶與樁表面之間不產(chǎn)生褶皺和氣泡。包覆效果見圖4。

圖4 包覆防銹帶施工

3.2.4 安裝護(hù)甲

防護(hù)套材質(zhì)為HDPE。其所用螺栓、墊圈和防滑螺母均采用船用不銹鋼制品（SS316）。

護(hù)甲安裝由下而上進(jìn)行。大小能完全覆蓋礦脂防銹帶。使用手提液壓拉緊裝置固定螺栓，護(hù)甲安裝后整體外觀見圖5。

圖5 護(hù)甲安裝后整體外貌

4 使用效果

為了解包覆防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)的實(shí)際效果，1年后由施工方對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行了抽查，現(xiàn)場抽查結(jié)果顯示包覆防護(hù)系統(tǒng)的包覆性好，防銹帶黏貼鋼管樁緊密，防護(hù)效果可靠，鋼管樁表面無銹蝕痕跡，護(hù)甲外部無沖擊損傷。

包覆防護(hù)系統(tǒng)維護(hù)的投入費(fèi)用相比鋼管樁進(jìn)行防腐涂料防護(hù)及熱縮帶防護(hù)較高，同等防腐面積包覆防護(hù)系統(tǒng)成本約是防腐涂料防護(hù)的5~7倍。但是在碼頭的維護(hù)施工中，采用包覆防護(hù)系統(tǒng)防護(hù)的質(zhì)量有保證，能夠達(dá)到預(yù)期的使用效果，從整個(gè)維護(hù)周期來看，性價(jià)比好；從工程的實(shí)際施工也可以看出：1個(gè)潛水班組1 d可以處理并完成包覆10根鋼管樁，施工速度快，能大大減少維修期間營運(yùn)損失，降低營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

鋼管樁浪濺區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)部位的防護(hù)是鋼管樁結(jié)構(gòu)防護(hù)最薄弱的環(huán)節(jié)之一，采用包覆防護(hù)系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期的的防護(hù)效果。在工程實(shí)際應(yīng)用中證明，此防護(hù)方法簡單易行，防護(hù)質(zhì)量有保證，施工速度快，雖然初期投入成本高，但能有效解決該區(qū)域傳統(tǒng)方法重復(fù)維修的難題，且能最大限度地減少因碼頭維修對(duì)日常運(yùn)營造成的干擾，可確保碼頭結(jié)構(gòu)的耐久性，進(jìn)而提高碼頭綜合營運(yùn)效益。

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