干燥空氣除濕方法在懸索橋主纜防腐中的應(yīng)用

牛小龍 楊奉舉

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430050）

1 主纜防腐技術(shù)發(fā)展概況

懸索橋主纜作為懸索橋的主要受力構(gòu)件之一，被稱為懸索橋的生命線，且為不可更換構(gòu)件，因此，如何保證主纜結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的主纜防護(hù)系統(tǒng)（即所謂的Roebling系統(tǒng)）是在主纜的表面敷涂一層防護(hù)膩?zhàn)尤缂t丹或鋅粉膏，外面用圓形的鍍鋅軟鋼絲纏包，再在纏繞鋼絲的外表面進(jìn)行防腐涂裝，見圖1。1883年美國(guó)建成的布魯克林（Brooklyn）大橋（主跨486 m）就是采用這種防護(hù)體系的典型實(shí)例。

圖1 傳統(tǒng)的主纜防腐體系

這種傳統(tǒng)的主纜防護(hù)體系，實(shí)際上是通過對(duì)主纜外層進(jìn)行密封包裹來防止水分侵入其內(nèi)部以達(dá)到防腐蝕目的，在20個(gè)世紀(jì)建造的絕大多數(shù)懸索橋都采用這種主纜防護(hù)體系。近年來國(guó)外的研究表明，該防護(hù)體系的防護(hù)效果并不理想，這種主纜防護(hù)技術(shù)只能減緩防腐速度，而不能徹底阻止腐蝕，而采用此體系的較老的懸索橋盡管有腐蝕問題卻仍然能夠使用，主要是因?yàn)閼宜鳂蛑骼|設(shè)計(jì)時(shí)具有較高的安全系數(shù)，可以承受一定程度的鋼絲腐蝕所引起的主纜承載力下降［1－2］。

從90年代初日本開始進(jìn)行主纜除濕系統(tǒng)的研究，通過羅茨鼓風(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，有效地阻止了主纜鋼絲腐蝕。這種主纜除濕系統(tǒng)徹底阻止了主纜鋼絲的腐蝕，提高了主纜鋼絲的使用壽命，進(jìn)而提高了全橋的使用壽命。我國(guó)的潤(rùn)揚(yáng)大橋主纜防護(hù)首先引進(jìn)使用了這種除濕防腐系統(tǒng)，在此后開建的我國(guó)多座大跨度懸索橋也采用了這種系統(tǒng)。

2 干燥空氣除濕方法防腐系統(tǒng)工作原理及設(shè)備

主纜除濕系統(tǒng)的目的是降低主纜內(nèi)部的相對(duì)濕度，干燥空氣除濕方法就是將除濕設(shè)備產(chǎn)生的干燥潔凈空氣送入主纜，通過送入空氣和主纜內(nèi)空氣的氣壓差，使干空氣在主纜內(nèi)流動(dòng)，降低主纜內(nèi)空氣濕度。日本對(duì)不同含鹽量空氣臨界濕度的試驗(yàn)結(jié)果表明，開始發(fā)生銹蝕的臨界相對(duì)濕度是60%，當(dāng)主纜內(nèi)部的相對(duì)濕度低于時(shí)60%，主纜鋼絲就可免遭銹蝕。而通過向主纜內(nèi)部通干燥空氣，就可使主纜內(nèi)部的相對(duì)濕度保持在這一臨界值之下，從根本上解決了主纜內(nèi)部積水及濕空氣難以排出的問題。

常見的除濕方式可分為冷卻除濕、壓縮除濕和化學(xué)除濕3種［3］，化學(xué)除濕方式可分為吸附劑間歇型（塔式）、液體型吸收劑、回轉(zhuǎn)型干式蜂窩狀轉(zhuǎn)輪除濕（轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)即屬此類）。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為一不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的蜂窩狀干燥轉(zhuǎn)輪，是除濕機(jī)中吸收水分的關(guān)鍵部件，它是由特殊復(fù)合耐熱材料制成的波紋狀介質(zhì)所構(gòu)成，波紋狀介質(zhì)中載有吸濕劑（高分子硅膠）。干燥轉(zhuǎn)輪由具有高度密封性能的材料制成的隔板分成2個(gè)扇形區(qū)，一個(gè)為處理濕空氣端的的扇形區(qū)域，另一個(gè)為再生空氣端的扇形區(qū)域（再生扇區(qū)中一部分為熱回收區(qū)），使得轉(zhuǎn)輪在局部進(jìn)行除濕的過程中另一部分同時(shí)得到再生。當(dāng)待處理的潮濕空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪扇形區(qū)域時(shí)，空氣中水分被轉(zhuǎn)輪內(nèi)的吸濕劑吸收，干燥后的空氣則通過處理風(fēng)機(jī)送至干空氣出口；再生空氣中一部分經(jīng)過電加熱后送往轉(zhuǎn)輪的再生側(cè)，另一部分進(jìn)入熱回收扇面經(jīng)預(yù)熱后一起進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)扇面，這樣利用了余熱、降低了能耗。再生后的濕空氣排出，轉(zhuǎn)輪除濕工作過程見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)輪吸附除濕

除濕設(shè)備系統(tǒng)的組成包括凈化過濾裝置、除濕機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和后冷卻系統(tǒng)。外部空氣在過濾裝置中除去顆粒后被送入轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)進(jìn)行除濕，用羅茨鼓風(fēng)機(jī)加壓到10～220 k Pa，然后通過后冷卻器冷卻到60℃以下，再通過集氣箱將動(dòng)壓空氣穩(wěn)定為靜壓，最后通過管道分流送入每一個(gè)送氣索夾。主纜除濕系統(tǒng)送氣處理過程見圖3。

圖3 主纜除濕系統(tǒng)送氣處理過程

3 除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要因素與安裝方法

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要因素

（1）主纜內(nèi)部條件。主纜內(nèi)部潮濕空氣一般由2種原因造成：主纜架設(shè)過程中雨水和水氣的進(jìn)入；除濕系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)主纜內(nèi)的空氣進(jìn)行干燥時(shí)，外部新進(jìn)入的濕氣。主纜內(nèi)不同位置的濕度及產(chǎn)生的條件不同，干燥速度變化很大，因此送入干空氣的流量和時(shí)間應(yīng)根據(jù)主纜內(nèi)的濕度條件設(shè)定。

（2）主纜內(nèi)氣流。主纜由索股、索夾和防護(hù)系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)上很難讓主纜達(dá)到完全氣密，干燥空氣在主纜內(nèi)部通過，會(huì)從局部泄漏。主纜內(nèi)的干燥速度會(huì)隨著主纜內(nèi)氣流總量的變化而變化，主纜內(nèi)的氣流量需要通過分析來確定。

（3）吸入空氣條件。橋梁周圍的空氣被吸入除濕機(jī)，干燥后送入主纜。大橋所處地理位置不同，橋址處的空氣含鹽量、溫度和濕度也不同，這些含鹽量、溫度、濕度等條件對(duì)除濕機(jī)輸出的空氣條件影響很大，因此空氣條件因素必須在設(shè)計(jì)中考慮。

3.2 主纜除濕系統(tǒng)的安裝方法

主纜除濕送氣設(shè)備一般可安裝在2主塔上橫梁上（內(nèi)）和中跨跨中附近節(jié)段鋼箱梁內(nèi)，這樣布置使得每個(gè)除濕送氣設(shè)備的送氣距離相對(duì)均等。其中中跨跨中附近節(jié)段鋼箱梁內(nèi)送氣設(shè)備應(yīng)在鋼箱梁廠內(nèi)制作時(shí)安裝完成，2主塔上橫梁上的送氣設(shè)備在上橫梁施工完成后可借助塔吊吊至上橫梁安裝。對(duì)于主纜上的送氣管道，通常為聚乙烯管（PE管），管道在主纜索股牽引完成后可利用索股牽引系統(tǒng)牽引到位后臨時(shí)展放于貓道，待安裝主纜檢修道扶手繩后，再提升管道固定至扶手繩（固定可用螺旋鋼絲或不銹鋼扎帶），管道在牽引過程中和貓道上展放期間一定要注意保護(hù)，防止損傷。待送氣管道就位后再與送氣索夾處短配管連接，短配管另一端連接到到預(yù)先安裝的送氣索夾，最后安裝溫濕度計(jì)、流量計(jì)、壓力計(jì)、控制閥、安全閥、電力及監(jiān)測(cè)線纜。所有的安裝和配管連接完成后，可進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的送氣試驗(yàn)與調(diào)試。

4 實(shí)例介紹

南京長(zhǎng)江第四大橋主橋橋型為雙塔3跨懸索橋，主跨為1 418 m，其跨徑布置為166 m＋410.2 m＋1 418 m＋363.4 m＋118.4 m＝2 476 m。主纜除濕系統(tǒng)由干燥空氣制備機(jī)房（簡(jiǎn)稱送氣站）、送氣管道與閥門、主纜送（排）氣索夾以及電氣控制系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮采用蜂窩式轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)系統(tǒng)，適合于本橋址環(huán)境下運(yùn)行使用。

主纜除濕防腐系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考了日本長(zhǎng)大公司和瑞典蒙特公司的技術(shù)，將兩者結(jié)合形成了比較有特色的設(shè)計(jì)方案，主要特點(diǎn)是采用了送氣站和集氣箱。總體設(shè)計(jì)方案為3個(gè)送氣站，分別位于主塔上橫梁上和跨中M01號(hào)鋼箱梁段內(nèi)，送氣站內(nèi)布置了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)、過濾器、空調(diào)室內(nèi)機(jī)、控制儀表。按照不同送氣量要求，塔頂送氣站采用了ML690E型（額定處理風(fēng)量690 m3／h）轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，鋼箱梁送氣站采用了ML420E（額定處理風(fēng)量420 m3／h）型轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)。送氣站出口空氣進(jìn)入集氣箱進(jìn)行分配，送至進(jìn)氣索夾處的空氣指標(biāo)要力爭(zhēng)滿足如下要求：Q≥90 m3／h，t≤40℃，RH≤40%，H14級(jí)凈化，2 000 Pa≤p＜3 000 Pa等。主纜除濕系統(tǒng)的布置見圖4。目前這一系統(tǒng)已基本安裝完成，即將進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行，系統(tǒng)的建成及運(yùn)行將為以后建設(shè)的同類橋梁提供經(jīng)驗(yàn)與建議。

圖4 南京長(zhǎng)江四橋主纜除濕系統(tǒng)布置

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是當(dāng)今世界上懸索橋發(fā)展最快的國(guó)家之一，目前我國(guó)已經(jīng)建成的特大跨徑懸索橋有江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋、珠江黃埔大橋、四渡河大橋、陽(yáng)邏長(zhǎng)江大橋、舟山西猴門大橋、貴州壩陵河大橋、矮寨大橋、泰州大橋和南京長(zhǎng)江第四大橋，在建的有鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋和馬鞍山長(zhǎng)江大橋。在我國(guó)，橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性已越來越多地受到業(yè)主和設(shè)計(jì)者的關(guān)注與重視。傳統(tǒng)的懸索橋主纜防腐涂裝體系主要采用“防腐膩?zhàn)樱p繞鋼絲＋外防護(hù)涂層”的防護(hù)結(jié)構(gòu)，這種體系雖然短期內(nèi)有效，但不能徹底解決主纜腐蝕問題。主纜干燥空氣除濕防腐系統(tǒng)是懸索橋主纜鋼絲防腐新技術(shù)，近年來已被引進(jìn)應(yīng)用于我國(guó)數(shù)座大跨徑懸索橋中。除濕防腐系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)防護(hù)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有：可完全阻止腐蝕發(fā)生，可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后期更新維護(hù)工作量小。基于以上特點(diǎn)，相信將來會(huì)有更多的橋梁業(yè)主采用這種主纜防腐新技術(shù)。

［1］ 葉覺明，歐陽(yáng)愷.懸索橋主纜防腐技術(shù)應(yīng)用和探討［J］.腐蝕與防護(hù)，2004，25（12）：529－531，534.

［2］ 楊 寧.大跨懸索橋的主纜除濕防腐系統(tǒng)［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

［3］ 葉覺明，龔志剛.用干燥空氣除濕方法防止主纜腐蝕［J］.世界橋梁，2010（1）：66－71.