新型高分子材料在長江口深水航道北堤5號燈樁上的應用研究

摘要：東海海域傳統的燈樁大都采用鋼制結構，但隨著時間的推移，鋼制結構受到惡劣氣候、海洋環境和常規磨損的影響，需要定期的維護和保養以確保其性能和安全性。本文通過長江口深水航道北堤5號燈樁改造后效果評價，分析新型高分子材料在燈樁建造上的優劣勢和實用性，為新型高分子材料在海上導航和海洋安全領域的適用性，提供參考。

關鍵詞：高分子材料；傳統燈樁；應用實踐

0 引 言

傳統上，燈樁的維修和保養通常依賴于金屬材料和傳統維修工藝。然而，金屬材料抗紫外線能力、著色能力以及抗腐蝕能力，在復雜海域的條件下，無法具有持久穩定性。隨著科技進步，新型高分子材料的出現引發了在這一領域進行深入研究的興趣。玻璃纖維增強塑料（GFRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）、聚合物復合材料/聚氨酯（PU）這些高分子材料具有出色的耐腐蝕性、抗紫外線性能、輕質化特性以及可定制性，為燈樁的維修和保養帶來了全新的機遇。通過對各種高分子材料特性的對比和選擇，長江口深水航道北堤5號燈樁改造最終選擇以樁體中間灌裝聚氨醋、樁身采用線性低密度聚乙烯材料的方案進行改造和探討。

1 燈樁的技術要求

燈樁是一種海上導航助航設施，它通過發出特定頻率和顏色的燈光信號，幫助船只在夜間或能見度低的情況下識別方向和避開危險區域。燈樁可以是獨立的塔形結構，也可以是建在島嶼、巖石或其他固定物體上的。它們是9xXQy+Oqn9Svzug8PWjwB0r1Rpt2c5D0HmXQyc8uzDI=海上交通安全的重要組成部分，對于指引船只安全航行、避免觸礁和擱淺等事故起著至關重要的作用。

根據《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》《海區航標效能驗收規范》等相關技術規范，燈樁的建造需符合位置、燈質、涂色、結構等驗收指標外。由于燈樁是重復建造的建筑類型，按照統一的建筑模數、建筑標準、技術規定等進行設計在基本滿足使用要求和修建條件的情況下，盡可能具有通用互換性。新型高分子燈樁系列化設計有益于工程建設節約設計費用，使工程工藝定型，容易提高工人技術水平，工程建設質量得到保證，并能工程建設施工進度大大加快，有利于生產成本的大幅度降低。

2 傳統鋼質燈樁面臨的困境

鋼管燈樁腐蝕程度高，影響燈樁使用壽命是傳統鋼質燈樁面臨的最主要困境。鋼鐵在海洋環境中的腐蝕很不均勻，在浪花飛濺區的腐蝕最為嚴重，約是海水全浸區的 3?10 倍。鋼材普遍采用“涂層覆蓋+陰極保護技術”進行防護，在服役 3?5 年后，出現局部銹蝕現象，一般6?10年后，銹蝕嚴重，進入大修期，如圖1所示。但長江口海域工況惡劣，浪花飛濺區2年左右出現大規模銹蝕，而燈樁樁身一旦發生嚴重的腐蝕破壞，會大大縮短使用壽命。同時，浪濺區鋼管表面色脫落嚴重，降低了航標助航效能，增加維護難度，提高船舶及人力的維護成本。

3 高分子材料的特性與選擇

在選擇高分子材料時，必須綜合考量該材料的強度和剛度，確保材料具有足夠的強度和剛度，以支撐和穩定燈樁結構；鑒于燈樁通常在惡劣環境條件下運行，材料必須具有良好的抗腐蝕性，以防止損害，耐腐蝕性也是必須考量的因素之一。同時，因燈樁長期處在條件惡劣的海浪和陽光暴曬下，容易顏色褪色和表面劣化或受到船舶碰撞或其他物理傷害，還應考量其耐紫外線性、耐磨性和溫度穩定性，以確保該材料是可行的。綜合考量性能、成本和環境因素，并進行實際測試以驗證其燈樁維修中的可行性。這樣可以確保維修工作的質量、可持續性和經濟效益。這些類型包括但不限于以下幾種：

玻璃纖維增強塑料（GFRP），常用于制造耐候性和耐腐蝕的構件，由塑料基體和玻璃纖維增強材料組成，具有出色的耐腐蝕性、輕量化和高強度。

碳纖維增強塑料（CFRP）： 類似于GFRP，CFRP也是一種復合材料，但其使用碳纖維增強材料。它通常比GFRP更輕且具有更高的強度，但也更昂貴。

聚合物復合材料： 這包括各種聚合物基體與增強材料（如纖維或顆粒）的組合。聚合物復合材料可以根據需要進行定制，以滿足不同應用的要求。

聚氨酯（PU）： PU是一種彈性聚合物，具有出色的抗沖擊性和耐磨性。它可以用于制造燈樁底座或防撞保護部件。

4 長江口深水航道北堤5號燈樁應用實例

長江口是長江黃金水道的咽喉，河勢復雜多變。作為世界巨型河口航道治理的典范，長江口的工程建設者們通過整治與疏浚相結合的總體方案，通過實施一系列的重大工程，取得了良好的整治效果。隨著深水航道工程建設實施以來，助航設施建設一直及時跟進，為長江口船舶的通航提供了可靠的保障。但長江口工況惡劣，現有燈樁受地基影響、海況環境影響以及船舶通航影響，出現結構安全性降低、腐蝕速度高、表面色脫落快等現象，導致助航效能大幅降低，維護成本高啟。

北堤5號燈樁充分考慮了長江口航道的使用條件和要求，為確保其穩定性、耐久性和安全性并延長燈樁的使用壽命，減少了維護成本，選擇了以下方案，如圖2、圖3所示：

首先，材料方面，浮筒使用線性低密度聚乙烯材料是明智之舉，因為它具有高強度、輕質、耐腐蝕等優點。這對于燈樁的浮力和穩定性至關重要，尤其是在海洋環境中；中間灌裝聚氨醋的方式是一項有益的設計，因為它有效地隔離了海水和紫外線，減少了對燈樁的腐蝕和損壞。這有助于延長燈樁的使用壽命，并減少維護成本。結構材料使用不銹鋼材料是合理的選擇，因為它具有良好的塑性和焊接性，這有助于確保燈樁結構的耐久性和穩定性。

連接和荷載性能，爬梯連接和固定采用四角固定處和一體成型燒制內襯鋼管的方法增強了連接強度。這確保了工作人員登爬時的安全性，并延長了使用壽命。燈樁爬梯的安全負載為1噸，這確保了在必要時，人員和設備能夠安全登爬和維修燈樁。

最后，在結構改造方面，浮筒外形結構將浮筒的凸臺和內凹設計形成了集牟結構，這有助于防止海水灌入樁體。這是一項關鍵設計元素，可以保護燈樁的穩定性和長期性能；浮筒結構采用三層結構的浮筒設計非常有趣，尤其是內部填充聚氨醋發泡。這種結構有助于增強殼體和聚氨醋之間的黏結，規避了縮殼的問題，從而提高了浮筒的耐久性。采用新型工藝處理和高強度不銹鋼內襯以及浮筒燒制成一體的方法，增強了浮筒組合的強度。這確保了燈樁的可靠性，尤其是在承受額外載荷時。

5北堤5燈樁改造后效果評價

通過北堤5號燈樁的改造案例（見圖4），線性低密度聚乙烯（LDPE）結構燈樁在改造的過程中，有以下明顯的優點：

輕質化： LDPE結構燈樁非常輕，相對于傳統的鋼筋混凝土結構燈樁來說重量較輕。這使得它們更容易安裝和維護，減少了建造和維護的成本。

易加工性： LDPE是一種易于加工和成型的材料，可以制造出各種形狀和結構的燈樁。這使得定制化設計變得更加容易。

環保： LDPE是可回收材料，有助于減少廢棄物的產生，并降低對有限資源的依賴。這符合可持續性管理的原則。

結構多樣性： LDPE結構燈樁可以設計成多種形狀和顏色，以滿足不同導航需求。它們通常具有醒目的顏色和可見性，有助于導航。

易于安裝： 由于其輕質化，LDPE結構燈樁的安裝相對容易，通常無須使用大型吊裝設備。這降低了安裝成本和難度。

經過一段時間試運行，航標現場巡檢發現新型高分子材料應用的樁身顏色更加醒目，避免了因表面油漆脫落造成樁身顏色暗淡情況的發生，樁身結構耐腐蝕性及抗紫外線性能得到了進一步驗證。樁身模塊化結構設計以及材料的多種可塑性，安裝相對容易，對后續燈樁結構改造更加有利，大大提高維修效率。在海上惡劣環境下，具有較好的耐磨性，可以更好地延長了改造后燈樁的使用壽命，進而降低了維護成本。通過對北堤5號燈樁樁身新型高分子材料現場改造試驗，目前整體效果良好。

6 結 論

燈樁通常建設在沿海及有人或無人的艱苦島嶼上，對材料施工的適用地點要求極高。傳統鋼筋混凝土材質適用于近海口岸及重型機械設備能夠到達的地方，鋁合金材質適用于可搭設大型腳架并且工期較充裕的近海及有人島嶼，線性低密度聚乙烯結構燈樁具有輕質、耐腐蝕、抗紫外線、環保、易加工、易安裝等特點，適用于環境極端艱苦且要求短時間內完成的無人島礁。高分子燈樁作為一種經濟實用、環保綠色的新型材料燈樁，技術可靠，工藝先進，施工方便，綠色環保，為燈樁建造、管理、養護等方面帶來良好的工作成效，在航海保障中將發揮積極的作用，行業應用前景廣闊。

參考文獻

[1] GB16161-2021，中國海區水上助航標志形狀顯示規定[S]，2021.

[2] JT/T 759-2009，海區效能驗收規范[S]，2009.

[3] JTS152-2012，水運工程鋼結構設計規范[S]，2012.

[4] JTS153-3-2020，海港工程鋼結構防腐蝕技術規范，[S]，2020

[5] 賈云帆，徐艷.采用新型高分子材料的球鋼支座摩擦副性能比較和測試方案設計[J].結構工程師，2021，37（4）：25-32.

[6] 蘇夢園，申晨，張碩等.新型高分子材料管道創新研究[J].科技創新與生產力，2019（12）：74-76.

[7] 肖湛.新型高分子材料與應用[J].時代金融，2017（33）：253.VIII. 附錄

作者簡介：

陳磊，學士，工程師，從事航標管理，（E-mail）317942076@qq.com，13636678494