懸索橋主纜除濕系統(tǒng)自主研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

臧正保

摘 要 懸索橋主纜除濕系統(tǒng)是一種懸索橋主纜的主動(dòng)防腐方法，是主纜防護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。懸索橋主纜除濕系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化研究為交通運(yùn)輸部2008年度部省聯(lián)合攻關(guān)（2008-353-332-170）基金資助項(xiàng)目，課題依托泰州長(zhǎng)江公路大橋的建設(shè)將科研、中間試驗(yàn)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了科研成果向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)移。本方介紹了課題研究的技術(shù)路線及實(shí)驗(yàn)方法，研究取得的主要成果，系統(tǒng)的中間試驗(yàn)，及科研成果的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞 懸索橋 主纜除濕 實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)集成

中圖分類號(hào)：U448.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Key Technology of Developing Dehumidification System of Suspension

Bridges' Main Cables and Its Application

ZHANG Zhengbao

（Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company， Nanjing， Jiangsu 210005）

Abstract As an active anti-corrosion method， the dehumidification system is important to protect suspension bridges' main cables. The project of studying the key technology of dehumidification system was funded by both the Ministry of Transport and the Department of Jiangsu Transportation. In the construction of the Taizhou Bridge， the transformation from the scientific and technical achievement to industrialization was realized by combing the scientific research， medium test and engineering practice realized. In this paper， the technical route， the experimental method， the main achievement and the promotion of the study were introduced.

Key words Suspension bridge， main cable dehumidification， experiment， system integration

懸索橋一直是大跨徑和特大跨徑橋梁的主要形式之一，主纜作為懸索橋結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件之一，其設(shè)計(jì)壽命一般為100年，被稱為懸索橋的“生命線”，保證主纜耐久性至關(guān)重要。懸索橋主纜除濕系統(tǒng)是一種懸索橋主纜的主動(dòng)防腐方法。通過加壓風(fēng)機(jī)將干燥空氣送入主纜，降低主纜內(nèi)空氣相對(duì)濕度，能徹底阻止主纜鋼絲的銹蝕，提高主纜鋼絲的使用壽命，從而提高主纜乃至全橋的使用壽命。

1-端蓋；2-橡膠墊片；3-進(jìn)氣室圓筒；4-進(jìn)氣室前蓋板；5-測(cè)壓管；6-排氣管；7-進(jìn)氣室后蓋板；8-后端蓋；9-靜壓箱；10-測(cè)壓管；11-進(jìn)氣管；12-主纜模型；13-纏絲；14-外護(hù)層；15-拉桿；16-進(jìn)氣管。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

懸索橋主纜除濕系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化研究為交通運(yùn)輸部2008年度部省聯(lián)合攻關(guān)（2008-353-332-170）基金資助項(xiàng)目，本課題將科研、中間試驗(yàn)與系統(tǒng)集成緊密結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了科研成果向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)移。

1 科研

通過對(duì)主纜除濕系統(tǒng)的工藝和監(jiān)測(cè)、控制分析，依托泰州大橋?qū)χ骼|除濕系統(tǒng)的除濕工藝和監(jiān)控進(jìn)行研究，構(gòu)建系統(tǒng)總體框架，確定各個(gè)子系統(tǒng)的目標(biāo)以及研究工作重心。

1.1 采用實(shí)體主纜模擬試驗(yàn)，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的搭建工作，包括模型的制作安裝，二次儀表的配備，控制系統(tǒng)的安裝等。為方便試驗(yàn)工作的進(jìn)行，進(jìn)氣室圓筒是可拆卸的。安裝成型主纜時(shí)，先安裝進(jìn)氣室和后端蓋，再用拉桿拉緊。為防止漏氣，模型外表用柔質(zhì)材料包纏密封，再用熱塑管包裹。

1.2 參數(shù)測(cè)定

1.2.1 進(jìn)、排氣口局部阻力

為了研究不同長(zhǎng)度的進(jìn)氣口的阻力，實(shí)驗(yàn)時(shí)卸下進(jìn)氣室圓筒3，在未包裹的主纜模型部分，用纏絲纏上不同的長(zhǎng)度，形成不同長(zhǎng)度的進(jìn)氣口，再加外護(hù)層、裝上進(jìn)氣室圓筒。進(jìn)氣口長(zhǎng)度取0.8m、0.6m和0.4m三種尺寸，以滿足分析計(jì)算的要求。

1.2.2 沿程阻力

實(shí)際的主纜并非處于水平狀態(tài)，而是呈弦線狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)考慮了主纜模型與水平向有一定角度%Z的工況，%Z取0啊？0昂？0叭智樾?。?/p>

1.2.3 主纜內(nèi)存水量測(cè)試

主纜內(nèi)的存水量是計(jì)算干燥時(shí)間的重要參數(shù)，目前尚無相關(guān)研究報(bào)道。本次研究采用實(shí)驗(yàn)方法探討，并給出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

1.2.4 主纜內(nèi)部除濕實(shí)驗(yàn)

將存水量已知的主纜模型水平安置，空氣處理設(shè)備把空氣處理為相對(duì)濕度20%。在主纜右端沿軸向進(jìn)入主纜，流經(jīng)模型后在左端面沿軸向直接流入大氣。測(cè)量主纜模型氣流在進(jìn)出口處的濕度，通過兩者的差值可計(jì)算出除濕量，為主纜干燥時(shí)間的估算和理論分析提供數(shù)據(jù)。

1.3 主纜除濕系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)需求研究

將主纜除濕控制系統(tǒng)分為：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)，運(yùn)行于三個(gè)層次：第一層次是傳感器子系統(tǒng)拾取系統(tǒng)各部位有特征代表意義的信號(hào)；第二層次是數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)采集傳感器、變頻器、HMI、PLC拾取的信號(hào)，并將采集到的信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)輸送到數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)；第三層次是數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的處理、歸檔、顯示及存儲(chǔ)，并根據(jù)系統(tǒng)的要求為其提供特定格式和內(nèi)容的數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果。

1.4 研究成果

1.4.1 建立了主纜中空氣流動(dòng)阻力多孔介質(zhì)的滲流流動(dòng)模型

空氣在進(jìn)氣罩處沿徑向流入主纜，轉(zhuǎn)彎后再沿軸向流動(dòng)，在排氣罩處轉(zhuǎn)彎后從徑向流出主纜。把空氣在鋼絲孔隙中的流動(dòng)問題理解為多孔介質(zhì)中的滲流流動(dòng)最能符合實(shí)際情況，而孔隙率是影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性的重要參數(shù)。

1.4.2 研究得出主纜中空氣流動(dòng)阻力計(jì)算的半經(jīng)驗(yàn)公式

主纜中鋼絲之間有很多小的空隙，主纜的表面有纏絲和涂裝防護(hù)，在索夾位置通過斂縫來保證氣密性，向主纜內(nèi)輸送的氣流通過主纜表面會(huì)有一定程度的泄漏?？紤]到空氣泄漏量的變化，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析，得到主纜內(nèi)阻力計(jì)算方法。

1.4.3 提出主纜除濕系統(tǒng)的整套設(shè)計(jì)方法

（1）存水量計(jì)算：主纜靠近跨中的區(qū)段含水量較大，含水率按主纜空隙的7.5%計(jì)算，其余位置按5%計(jì)算；

（2）向主纜內(nèi)輸送的氣流通過主纜表面會(huì)有一定程度的泄漏，泄漏量取0.005/m。

（3）根據(jù)明石、來島和潤(rùn)揚(yáng)大橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，送氣夾內(nèi)空氣壓力應(yīng)不大于3000Pa。

（4）干燥時(shí)間取決于送氣長(zhǎng)度、空氣泄漏率和送氣流量，干燥時(shí)間按18個(gè)月進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

（5）經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)除濕升溫后的干空氣溫度和相對(duì)濕度取值分別為20℃和30%，相對(duì)濕度的變化率為70%。

1.4.4 研發(fā)了懸索橋主纜防腐蝕自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)綜合集成了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙信、遙控等功能，系統(tǒng)可節(jié)能運(yùn)行，降低運(yùn)營成本。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸穩(wěn)定可靠，人機(jī)界面豐富直觀，運(yùn)行安全穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)運(yùn)營狀況。

2 中間試驗(yàn)

在課題研究的基礎(chǔ)上，江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院建立了懸索橋主纜除濕中試實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)中研發(fā)了后冷卻器、超壓自動(dòng)排氣閥等有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備，建立了主纜除濕中試系統(tǒng)，編寫了系統(tǒng)操作與維護(hù)手冊(cè)，在中試平臺(tái)上對(duì)主纜除濕工藝、參數(shù)、架構(gòu)、功能、相關(guān)設(shè)備等進(jìn)行了全面的試驗(yàn)與驗(yàn)證，開發(fā)了系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全自動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)集成

在科研及中試成果的指導(dǎo)下，系統(tǒng)在泰州長(zhǎng)江公路大橋上進(jìn)行了成功運(yùn)用?；疽試a(chǎn)設(shè)備為主完成了系統(tǒng)集成，項(xiàng)目中采用的三級(jí)過濾器、后冷卻器、超壓自動(dòng)排氣閥、溫濕計(jì)轉(zhuǎn)換頭、使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年的專用綁扎帶等均為專用產(chǎn)品，同時(shí)國產(chǎn)S型鋼絲、RTP增強(qiáng)柔性管、羅茨風(fēng)機(jī)、MB+電纜等均在系統(tǒng)中得到了運(yùn)用。

除濕系統(tǒng)中機(jī)電設(shè)備都是較精密的設(shè)備，安裝多為高空作業(yè)，設(shè)備的運(yùn)輸、吊裝、安裝、調(diào)試是工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)，在運(yùn)輸、吊裝、安裝施工中采取相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行保障，采用相應(yīng)的吊裝設(shè)備進(jìn)行施工，使機(jī)組安全吊運(yùn)至安裝基礎(chǔ)上進(jìn)行安裝。

泰州長(zhǎng)江公路大橋主纜除濕系統(tǒng)投入運(yùn)行一年內(nèi)，就成功將主纜內(nèi)的濕度降至55%以下，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 推廣應(yīng)用

研究成果已在泰州長(zhǎng)江公路大橋得到成功應(yīng)用，并在馬鞍山長(zhǎng)江大橋、武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋、江陰長(zhǎng)江大橋、武漢江漢六橋等得到推廣使用，一座主跨1500米級(jí)懸索橋，國產(chǎn)化的主纜除濕系統(tǒng)比全套進(jìn)口系統(tǒng)節(jié)約投資1000萬以上。

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部2008年度部省聯(lián)合攻關(guān)（2008- 353-332-170）基金資助項(xiàng)目

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