彭關(guān)中，繆小平，賈代勇，范良凱，張春雨，隋魯彥

1)解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，南京210007;2)解放軍76160部隊，廣州510055

懸索橋造型優(yōu)美、跨越能力大，是大跨徑和特大跨徑橋梁首選的結(jié)構(gòu)形式.懸索橋主要由主塔、錨碇、鞍座、主纜、吊索、橋面承載梁體及附件構(gòu)成，設(shè)計壽命一般為100年.主纜是懸索橋的主要受力構(gòu)件之一，是不可更換構(gòu)件，因此，被稱為懸索橋的“生命線”.主纜長期暴露在大氣環(huán)境中，經(jīng)受著各種不利環(huán)境的侵蝕，導(dǎo)致主纜鋼絲易產(chǎn)生腐蝕.主纜鋼絲腐蝕嚴重地危及到懸索橋的安全性，腐蝕減少了有效的索股面積和強度.文獻［1］指出，由于腐蝕，紐約市區(qū)的幾乎所有大型懸索橋都存在強度損失的問題，主纜強度損失的范圍從微乎其微到約35%(Williamsburg橋).從國外打開檢查多座懸索橋主纜纏絲時發(fā)現(xiàn)，主纜表面均產(chǎn)生了較為嚴重的銹蝕，且銹蝕發(fā)生在主纜表面與纏繞鋼絲接觸的部位和一些索股的內(nèi)層，主要分布在主纜側(cè)面和底部［2-5］;傳統(tǒng)的主纜腐蝕防護技術(shù)只能減緩腐蝕速度，不能徹底阻止腐蝕.日本從1994年開始進行主纜除濕系統(tǒng)的研究，通過羅茨鼓風(fēng)機將干燥空氣送入主纜，降低主纜內(nèi)空氣相對濕度，有效阻止了主纜鋼絲腐蝕［6-7］.在歐洲和亞洲一些國家，如丹麥的小貝爾特大橋，瑞典的高海岸大橋，法國的阿基坦大橋，日本的明石大橋、來島一橋、來島二橋、來島三橋和中國的潤揚長江公路大橋，均安裝了主纜除濕系統(tǒng).主纜除濕系統(tǒng)能徹底阻止主纜鋼絲的腐蝕，提高主纜鋼絲的使用壽命，進而提高全橋的使用壽命，是懸索橋主纜防護技術(shù)的發(fā)展方向.本文對懸索橋主纜除濕系統(tǒng)設(shè)計方法進行了研究，首次自主為國內(nèi)某懸索橋設(shè)計了主纜除濕系統(tǒng)，確定了合理的送氣長度、除濕時間、送氣流量及送氣壓力，并對主纜除濕系統(tǒng)進行了設(shè)備選型，為今后國內(nèi)懸索橋主纜除濕系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考.

1 主纜防腐傳統(tǒng)技術(shù)及缺點

懸索橋主纜鋼絲腐蝕防護傳統(tǒng)方法的原理是通過“防護膩子+纏繞鋼絲+外防護涂層”的方式來進行防腐的［8］，主要采用以下3種方法:一是圓鋼絲纏繞涂層法(19世紀40年代由John Reobling開發(fā));二是合成護套防護法(20世紀60年代由Bethlehem鋼鐵公司和Du Pont化學(xué)公司開發(fā));三是S形纏繞鋼絲代替圓形鋼絲［9］.

防護膩子容易出現(xiàn)開裂和氧化等現(xiàn)象，嵌縫材料直接暴露于大氣中，易產(chǎn)生老化開裂現(xiàn)象;外涂裝材料在空氣中也容易出現(xiàn)老化開裂.主纜架設(shè)過程中雨水和水氣的侵入以及大橋使用過程中空氣中的水分通過開裂位置及鋼絲纏繞層的裂縫侵入主纜內(nèi)，水分在主纜內(nèi)因外界氣溫上升而汽化、因外界氣溫下降而在主纜表面大范圍凝結(jié)［10-11］，這種易生銹狀態(tài)反復(fù)進行，導(dǎo)致了主纜的腐蝕.傳統(tǒng)的防腐方法無法從本質(zhì)上阻止腐蝕的發(fā)生，只能減緩腐蝕速度;要阻止主纜鋼絲腐蝕的發(fā)生，只有將主纜內(nèi)的水分排出，確保主纜內(nèi)的空氣環(huán)境不會引起鋼絲腐蝕［12］.

2 主纜除濕系統(tǒng)

主纜除濕系統(tǒng)的目的是降低主纜內(nèi)部的相對濕度，使主纜處于一個相對封閉、干燥的環(huán)境中，避免主纜內(nèi)的鋼絲銹蝕.國內(nèi)的潤揚長江公路大橋的主纜是由直徑5.3 mm的鍍鋅鋼絲組合而成的，其間有20%左右的空隙，主纜外表設(shè)有密閉護套層.主纜除濕系統(tǒng)通過送氣管和送氣罩將干空氣注入主纜鋼絲空隙，干空氣在主纜空隙內(nèi)流動，降低主纜空隙內(nèi)的空氣濕度，最后干空氣變成濕空氣從排氣罩排出.主纜護套層將干燥的主纜內(nèi)部環(huán)境與外界大氣隔離，保持主纜內(nèi)干燥狀態(tài).主纜除濕系統(tǒng)工作流程為:粗過濾空氣→精過濾處理→除濕機除濕→高壓風(fēng)機送風(fēng)→冷卻→送氣管輸氣→送氣罩送氣→主纜內(nèi)除濕→排氣罩排氣，主纜除濕系統(tǒng)工作流程見圖1.

圖1 主纜除濕系統(tǒng)工作流程Fig.1 Work flow of dehumidification system for main cables

主纜除濕系統(tǒng)包括過濾裝置、轉(zhuǎn)輪除濕機、羅茨鼓風(fēng)機和后冷卻器.外部空氣在過濾裝置中除去顆粒后被送入轉(zhuǎn)輪除濕機進行除濕，用羅茨鼓風(fēng)機加壓至約10～20 kPa表壓，通過后冷卻器冷卻到60℃以下，再將管道分流送入每一送氣罩，氣流流量通過送氣罩的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至規(guī)定值，并從送氣罩送入主纜，主纜除濕系統(tǒng)送氣處理過程見圖2［13-14］.

圖2 主纜除濕系統(tǒng)送氣處理過程Fig.2 Air supply treatment process of dehumidification system for main cables

3 主纜除濕系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)

1)主纜內(nèi)的水分來源主要有2個途徑，一是由于施工過程中可能受雨水侵襲，二是主纜使用過程中受動載作用的影響，防護膩子的老化和外護層的破損，空氣中的水蒸氣和雨天中的雨水侵入;根據(jù)存水量試驗及國內(nèi)外主纜除濕系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，主纜中跨靠近跨中的區(qū)段含水量較大，含水率按主纜空隙的7.5%計算，其余位置按5%計算.

2)向主纜內(nèi)輸送的氣流通過主纜表面會有一定程度的泄漏，根據(jù)日本明石、來島和國內(nèi)潤揚大橋的設(shè)計經(jīng)驗，主纜每米長度泄漏率取0.005，送氣罩內(nèi)空氣壓力應(yīng)不大于3 000 Pa.

3)除濕時間取決于送氣長度、空氣泄漏率和送氣流量，除濕時間按1年進行設(shè)計.

4)經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕機除濕升溫后的干空氣在主纜內(nèi)流動時溫度降低、相對濕度升高;主纜內(nèi)干空氣溫度和相對濕度取值分別為20℃和30%，相對濕度的變化率為70%.

3.2 送氣長度

送氣長度為送氣罩與排氣罩之間的距離.某待建懸索橋主纜送氣罩、排氣罩的位置布置參考了相關(guān)的工程，表1是明石大橋、來島大橋及潤揚大橋的送氣長度［15］.

基于該懸索橋的跨徑，送氣長度的水平距離分別取120、150和195 m;送氣長度及送氣設(shè)備布置見圖3.

表1 大橋的送氣長度Table1 Air supply length of the Bridges

圖3 送氣長度及送氣設(shè)備Fig.3 Air supply length and air supply equipment

3.3 存水量計算

單位長度主纜存水量計算公式為

其中，W為主纜單位長度存水量;D為主纜直徑;φ為主纜空隙率;θ為主纜含水率.

主纜中跨(水平位置最低)的主纜存水量按7.5%計算，其他部分按5%計算.

主纜空隙率為20%，主纜內(nèi)存水量按空隙的5%計算，單位長度主纜內(nèi)水分為

主纜空隙率為20%，主纜內(nèi)存水量按空隙的7.5%計算，單位長度主纜內(nèi)水分為

3.4 氣流量及泄漏量計算

空氣泄漏量是變化的，取決于主纜內(nèi)外的氣壓差以及主纜的氣密條件，假設(shè)單位長度的泄漏率不變.主纜泄漏量示意圖見圖4.

圖4 主纜泄漏量示意圖Fig.4 Leakage schematic diagram of main cables

圖4中，初始氣流量為Q，泄漏量是qi.設(shè)泄漏率為x，則泄漏量q=xQi-1，i為主纜某處距進氣罩的距離.

每一段氣流量和泄漏量［16］可表示為

3.5 除濕時間計算

溫度20℃時，空氣飽和含濕量為17.28 g/m3，即14.68 g/kg干空氣;20℃時，相對濕度為30%，空氣含濕量為5.29 g/m3，即4.43 g/kg干空氣;因此，如果相對濕度由30%變化到100%，1 m3空氣的除濕量為

a=17.28-5.29=11.99(g/m3)

干空氣會泄漏到主纜外，因此通過空氣的流量會根據(jù)主纜的位置發(fā)生變化，此外，主纜鋼絲之間空隙中的水分的蒸發(fā)速度很快，因而，假定主纜某一位置通過的空氣流量為Qi，則除濕時間［17］為

由式(4)可得，干燥某一長度區(qū)間的時間為

當泄漏量為零時，各斷面的流量為常數(shù)，則

其中，Δti和t為除濕時間;Qi為干空氣流量;a為1 m3空氣的除濕量;l為主纜某區(qū)間的長度.

3.6 送氣流量及送氣壓力計算

設(shè)定除濕時間為1年，已知送氣長度，根據(jù)式(1)～(5)，可計算出所需的干燥空氣流量;送氣罩送氣壓力根據(jù)主纜沿程阻力、局部阻力公式進行計算［18-19］，計算結(jié)果見表2，lsp為主纜的水平投影長度.

表2 送氣長度、送氣流量、送氣壓力間的關(guān)系Table2 Relationship of air supply length，air supply flow and air supply pressure

由表2可知，送氣流量取決于送氣長度，并在很大程度上取決于送氣的壓力，對于該懸索橋的送氣長度，基于橋跨長度，中間索夾段按150 m和195 m分段的方案都是可行的，為了把干空氣輸送到主纜全長范圍，主纜上的管路設(shè)施都是需要的，為了減少氣罩的安裝個數(shù)，送氣長度越長越理想.但是，如果強調(diào)干燥主纜的效率，那么，送氣長度短一些更為理想，這樣可以使很大的干空氣氣流通過主纜，而且如果送氣長度越長，某一點的送氣流量和送氣壓力就可能越大，此外，為了減小斂縫處的漏氣，送氣壓力越小越好.

目前尚無泄漏量的數(shù)據(jù)，標準的泄漏率應(yīng)在0.005/m左右，對于表2中檢驗的氣流量，150 m和195 m方案中的氣壓還是較低的，氣流量還有些余地.因此，為了使除濕盡可能高效，送氣流量可按以下選取:送氣長度為120、150和195 m的送氣流量分別取 0.3、0.3 和0.4 m3/min.

4 設(shè)計方案分析及設(shè)備選型

4.1 送氣設(shè)備位置及氣流量

由前述可知，送氣水平長度為120、150和195 m所需的送氣流量分別為 0.3、0.3和0.4 m3/min.送氣設(shè)備的送氣流量見表3，系統(tǒng)送氣流量分布見圖5.

表3 除濕機組安裝位置及氣流量 單位:m3/minTable3 Installation position and air flow of dehumidifier

圖5 送氣流量分布及機組布置圖Fig.5 Air supply flow distribution and dehumidifier arrangement

4.2 送氣長度、泄漏率和氣流量之間的關(guān)系

根據(jù)式(2)可計算出主纜不同位置的氣流量，如圖6.在送氣流量和泄漏率相等的條件下，隨著送氣長度的增加，主纜內(nèi)的空氣流量漸減.在泄漏率相等的條件下，主纜內(nèi)的空氣流量取決于送氣流量，送氣流量越大主纜內(nèi)相同位置的氣流量越大，反之，送氣流量越小主纜相同位置的氣流量越小.在送氣流量相等的條件下，主纜內(nèi)的空氣流量取決于泄漏率，泄漏率越大主纜內(nèi)相同位置的空氣流量越小，反之，泄漏率越小主纜內(nèi)相同位置的空氣流量越大.因此，要減少主纜的漏氣量，降低主纜的泄漏率至關(guān)重要.

4.3 送氣長度、泄漏率和除濕時間之間的關(guān)系

圖6 主纜內(nèi)不同位置的氣流量Fig.6 Air flow of different position in main cables

根據(jù)式(5)可計算出主纜不同位置的除濕時間，見圖7.在送氣流量和泄漏率相等的條件下，隨著送氣長度的增加，除濕時間也相應(yīng)地增加.在泄漏率相等的條件下，除濕時間取決于送氣流量，送氣流量越大主纜相同位置的除濕時間越短，反之，送氣流量越小主纜相同位置的除濕時間越長.在送氣流量相等的條件下，除濕時間取決于泄漏率，泄漏率越大主纜相同位置的除濕時間越長，反之，泄漏率越小主纜相同位置的除濕時間越短.因此，要縮短主纜的除濕時間，可采取降低泄漏率和增加送氣流量的措施.

4.4 除濕系統(tǒng)設(shè)備選型

主纜除濕系統(tǒng)主要由過濾器、轉(zhuǎn)輪除濕機、送氣鼓風(fēng)機、冷卻器、以及送氣罩、排氣罩和配管等主要設(shè)備組成.

4.4.1 過濾裝置

現(xiàn)行過濾裝置主要包括預(yù)過濾器、CP過濾器和HEPA過濾器.其中，預(yù)過濾器是用來除去可能堵塞除濕機轉(zhuǎn)輪的顆粒，單個過濾裝置的除塵效率大約為85%;CP過濾器是用來除去預(yù)過濾裝置不能除去的顆粒，單個過濾裝置除塵效率為90%;HEPA過濾器是用來除去微顆粒，此裝置可以除去99.97%以上0.1 μm的顆粒，還能除去CP過濾器不能除去的鹽分子.這些過濾器置于一個柜內(nèi)，組成過濾裝置，通過設(shè)置壓差計監(jiān)控防止過濾器堵塞.

圖7 主纜不同位置的除濕時間Fig.7 Dehumidification time of different position in main cables

4.4.2 除濕裝置

轉(zhuǎn)輪除濕機由處理風(fēng)機、再生風(fēng)機、除濕轉(zhuǎn)輪(硅膠)、再生加熱器組成，主纜除濕系統(tǒng)送氣處理過程:在除濕過程中，轉(zhuǎn)輪緩慢旋轉(zhuǎn)，待處理的濕空氣經(jīng)過空氣過濾器后用處理風(fēng)機送入3/4轉(zhuǎn)輪的蜂窩狀通道，硅膠吸收空氣中的水分，空氣被干燥后由羅茨鼓風(fēng)機送入后冷卻器進行冷卻，冷卻后的空氣通過送風(fēng)管道送入主纜;在轉(zhuǎn)輪吸濕的同時，再生空氣又反向于待處理的空氣流向通過再生加熱器，經(jīng)其余1/4轉(zhuǎn)輪的蜂窩狀通道帶走硅膠上的水分，再經(jīng)再生風(fēng)機排出室外.根據(jù)轉(zhuǎn)輪除濕機進風(fēng)量及除濕性能，選擇5臺ML270型轉(zhuǎn)輪除濕機.

4.4.3 送氣裝置

送氣系統(tǒng)由固定輸出流量的羅茨鼓風(fēng)機、梁內(nèi)及塔內(nèi)送氣配管、主纜上的送氣配管及送氣罩、排氣罩組成［20］.送氣罩內(nèi)空氣壓力應(yīng)小于3 000 Pa，經(jīng)阻力計算可知，邊塔選用5臺羅茨風(fēng)機型號均為LT-080.羅茨風(fēng)機選用變頻調(diào)速裝置時，避免選用離心風(fēng)機、水泵專用的變頻調(diào)速器，而應(yīng)選用恒轉(zhuǎn)矩負載類的通用變頻調(diào)速器.后冷卻器采用空-空熱交換器;主纜的送氣配管要能耐久使用，采用聚乙烯管.

4.5 能耗分析

主纜除濕系統(tǒng)耗能設(shè)備為轉(zhuǎn)輪除濕機和羅茨鼓風(fēng)機，每臺轉(zhuǎn)輪除濕機的功率為3.06 kW;經(jīng)計算，送風(fēng)量為2.4 m3/min的羅茨鼓風(fēng)機功率為2.44 kW，共3臺;送風(fēng)量為2.8 m3/min的羅茨鼓風(fēng)機功率為2.74 kW，共2臺;主纜除濕系統(tǒng)總功率為28.1 kW.

4.6 后期運行

在維護階段，主纜中的水分已經(jīng)除去了，送干燥空氣的目的主要是除去從主纜護套層的微小裂縫和排氣口滲入的水分，維持主纜內(nèi)空氣的干燥，輸送系統(tǒng)可采用間隙或低速運行的方式進行.

結(jié) 語

從國外多座懸索橋主纜纏絲打開檢查的過程中發(fā)現(xiàn)，主纜表面均產(chǎn)生了較為嚴重的腐蝕，腐蝕主要分布在主纜側(cè)面和底部.這說明傳統(tǒng)的主纜防腐方法只能減緩主纜腐蝕的速度，不能阻止主纜鋼絲腐蝕的發(fā)生;而主纜除濕系統(tǒng)能徹底避免主纜鋼絲發(fā)生腐蝕，進而提高橋梁的使用壽命，因此主纜除濕系統(tǒng)是懸索橋主纜鋼絲腐蝕防護的發(fā)展方向，值得在國內(nèi)大力推廣主纜除濕系統(tǒng)防腐技術(shù).

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