呂青松,方祖磊,金曉旖

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300133)

我國地域廣闊，海岸線曲折綿長，而海峽就像一道道天塹，將兩岸人民的生活交通、經(jīng)濟(jì)文化分割。海底隧道作為一種全天候的交通方式，是穿越海峽最好的選擇之一，在眾多海峽通道方案中得到廣泛應(yīng)用。作為連接隔海兩地的百年工程，海底隧道服役于海洋強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中，隧道內(nèi)排水系統(tǒng)的服役環(huán)境苛刻，且未來的改造難度大，維修成本高，因此，排水系統(tǒng)的耐蝕性是決定隧道運(yùn)營耐久性的重要因素。近年來，海底隧道排水系統(tǒng)的腐蝕防護(hù)引起了隧道工程界越來越多的關(guān)注和深入研究。

本工作主要結(jié)合國內(nèi)已建海底隧道工程腐蝕案例，分析了排水系統(tǒng)發(fā)生海水腐蝕的主要原因及防護(hù)措施，通過比較幾類常見排水管材的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了海底隧道排水系統(tǒng)的防腐蝕重點(diǎn)和建議。

1 海底隧道腐蝕情況

1.1 廈門翔安隧道

廈門翔安隧道是我國大陸首條獨(dú)立設(shè)計(jì)、施工的海底隧道，于2005年4月開始建設(shè)，2010年4月開通運(yùn)營。隧道全長8.7 km，其中海域段4.2 km，采用鉆爆暗挖法修建，最大開挖斷面為170 m2，屬于典型超大開挖斷面隧道。廈門翔安隧道的排水系統(tǒng)采用“單級收集，單級提升”方案，在隧道最低點(diǎn)設(shè)置海底泵房，收集全線隧道的廢水，經(jīng)排水泵一次性提升排出隧道。排水主管材采用內(nèi)外涂環(huán)氧螺紋鋼管，目前整體使用良好，無明顯腐蝕，但普通碳鋼管道的附件腐蝕嚴(yán)重，直接銹穿。海底泵房內(nèi)個別管道采用316L不銹鋼管，整體效果良好，但焊縫接頭處有明顯腐蝕，見圖1。

(a) 整體情況 (b) 碳鋼管道的附件 (c) 316L不銹鋼管

1.2 青島膠州灣隧道

青島膠州灣隧道是山東省青島境內(nèi)連接黃島區(qū)與市南區(qū)的過海通道，于2006年12月開始建設(shè)，2011年6月開通運(yùn)營，是大陸第二條海底公路隧道。隧道全長6.17 km，其中海域段3.95 km，采用鉆爆暗挖法修建，下穿膠州灣灣口海域。青島膠州灣隧道排水系統(tǒng)采用“分級收集，多級提升”方案，全線共設(shè)置三座廢水泵房，在隧道最低點(diǎn)設(shè)置海底泵房，隧道兩端分別設(shè)置廢水泵房，利用“接力”的形式排除隧道廢水。排水管材采用縮合式襯塑鋼管，目前整體狀況良好，但管道連接處和外層防腐蝕涂料涂抹不到位的區(qū)域存在腐蝕現(xiàn)象，需定期巡檢維護(hù)。

(a) 整體情況 (b) 局部腐蝕情況

2 海水腐蝕原因

海水鹽度、pH、溫度、溶解氣體流速、微生物以及污染等因素的交互作用，使海水對管材的腐蝕成為一個極其復(fù)雜的過程。通常來說，海水腐蝕原因可分為海洋生物污損和化學(xué)腐蝕兩大類。

2.1 生物污損

海洋生物污損是指生長在海水中的生物(包括動物、植物和微生物等)，通過附著、聚集等方式給人類海洋工程帶來負(fù)面效益的現(xiàn)象。海洋生物污損不僅降低了設(shè)備的使用性能，還會影響設(shè)施和材料的有效運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與海洋微生物附著有關(guān)的材料腐蝕占涉海材料腐蝕總量的70%～80%，參與金屬腐蝕的微生物主要有細(xì)菌、真菌及藻類，尤其以細(xì)菌造成的腐蝕最多[1]。

海底隧道排水管道通常采用金屬管材，而海水中參與金屬腐蝕的微生物主要有硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌等，硫酸鹽還原菌引起的腐蝕約占整個海洋生物污損的一半，是最重要的腐蝕微生物，這類海洋微生物會加速金屬管道的電化學(xué)反應(yīng)，破壞管道的表面保護(hù)層，造成管道系統(tǒng)發(fā)生腐蝕泄漏。研究表明，海洋微生物引起的局部腐蝕破壞率高達(dá)1 mm/a[1]。

海底泵房位于隧道最低點(diǎn)，一般靠近隧道中部位置，距離兩端風(fēng)井較遠(yuǎn)，故隧道排水系統(tǒng)呈現(xiàn)長距離高承壓的特點(diǎn)。為了降低排水管道的沿程水損，通常會犧牲流速，這就容易造成泥沙淤積，滋生的微生物附著在管道內(nèi)壁對管材造成點(diǎn)蝕。同時管道內(nèi)流動的泥沙容易對防腐蝕涂層造成損傷，且不易被發(fā)現(xiàn)，這增加了管道系統(tǒng)的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2.2 化學(xué)腐蝕

海底隧道排水系統(tǒng)主要用于輸送的介質(zhì)為滲漏水和消防水，海水中的腐蝕性離子主要有氯離子、鎂離子、鈣離子、硫酸根離子等，其中對排水系統(tǒng)腐蝕最嚴(yán)重的是氯離子，且腐蝕位置多發(fā)生在焊接接頭處。對廈門海底隧道和青島膠州灣海底隧道周邊圍巖的水質(zhì)進(jìn)行分析(見表1)，發(fā)現(xiàn)同一海底隧道兩端近海域位置地下水中的離子含量變化很大[3]，對于分級提升的排水系統(tǒng)，排水管道的防腐蝕要求宜結(jié)合水質(zhì)情況分類考慮。

表1 廈門過海隧道與青島膠州灣海底隧道周邊圍巖的水質(zhì)分析結(jié)果

3 防腐蝕對策

3.1 管材選擇

從排水管材自身的物理、化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，宜選擇耐蝕性較好的材料，通常為銅合金和不銹鋼。

銅合金材料很少受海洋生物污損，在海洋、船舶、電力等領(lǐng)域應(yīng)用較多。但是銅合金管材價(jià)格昂貴，安裝維護(hù)復(fù)雜，不適用于海底隧道排水系統(tǒng)。

不銹鋼管材具有良好的耐熱阻燃性，安裝方便，且其在海水中的腐蝕速率隨浸泡時間的延長呈現(xiàn)下降趨勢，防海水腐蝕性能優(yōu)異。然而，低級別不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力偏弱，易出現(xiàn)穿孔泄漏。2205不銹鋼的抗腐蝕性能雖然優(yōu)于奧氏體不銹鋼，但由于價(jià)格昂貴，推薦在海底泵房內(nèi)的重要設(shè)備上應(yīng)用。表2所示為兩種常用不銹鋼的合金元素含量[4]。

表2 不銹鋼材料的合金元素含量[4]

3.2 涂層防護(hù)

管道的涂層防腐蝕是在金屬表面上形成一層絕緣的連續(xù)覆蓋層，將金屬與海水進(jìn)行絕緣(防止海水直接接觸到金屬)，即設(shè)置一個高電阻使電化學(xué)反應(yīng)無法正常發(fā)生，是排水管道最常用的防腐蝕措施之一。新型綠色涂層材料應(yīng)是同時具備生物毒殺和防止海洋生物附著的天然防污化合物。

目前常見的涂層防護(hù)技術(shù)分為管道外防腐蝕和內(nèi)防腐蝕技術(shù)。其中,外防腐蝕涂層材料的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表3。

表3 管道外防腐蝕涂層材料的優(yōu)缺點(diǎn)

管道內(nèi)防腐蝕措施主要為內(nèi)襯和內(nèi)涂防腐蝕涂層。管道的內(nèi)襯和內(nèi)涂防腐蝕涂層，需要預(yù)制，待管道整體內(nèi)防腐蝕處理完成后，再運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝，安裝過程中稍有不慎，就需重新切割焊接管材，易造成防腐蝕層發(fā)生損壞。

管道現(xiàn)場接頭的防腐蝕也是影響管道防腐蝕效果的重要因素。制得良好的接頭補(bǔ)口，要求管道表面處理等級至少達(dá)到Sa2.5，且選用高質(zhì)量熱縮帶材料，并達(dá)到管體涂層性能，推薦采用無縫鋼管代替焊接鋼管。

3.3 電化學(xué)防護(hù)

海水作為一種中性電解質(zhì)溶液，管道在海水中主要發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)見式(1)：

(1)

電化學(xué)防腐蝕作為涂層防腐蝕的一種補(bǔ)充手段，通常有犧牲陽極法和外加電流陰極保護(hù)法。犧牲陽極需要有足夠負(fù)的開路電位和閉路電位，常用的犧牲陽極材料有鋁合金、鋅合金和鎂合金，其中鋁合金材料的使用壽命長，適用于海底管道，尤其鋁-鋅-銦系合金的應(yīng)用最為廣泛。

海底隧道排水管道可通過鋼芯直接將陽極焊接在管體上，對焊接影響區(qū)進(jìn)行徹底清理，暴露的鋼表面采用熱縮帶等進(jìn)行防腐蝕。陽極內(nèi)表面和端面應(yīng)涂厚度大于100 μm 的浸沒級環(huán)氧涂層，陽極外表面不能有涂層和其他物質(zhì)[5]。

4 常見管材性能對比

由于長期服役于高鹽、高濕的強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中，海底隧道的排水系統(tǒng)需要選擇耐海水腐蝕性優(yōu)良的材料，特別是日常維護(hù)檢修困難的過海軌道交通隧道。國內(nèi)海底隧道工程常見排水管材有內(nèi)外涂塑復(fù)合管、襯塑鋼管、316L不銹鋼管、內(nèi)襯外涂復(fù)合鋼管等。

4.1 內(nèi)外涂塑復(fù)合管

內(nèi)外涂塑復(fù)合管是以鋼管為基材，在鋼管內(nèi)、外壁噴涂或滾涂融溶一層厚度為0.5～1.0 mm的聚乙烯(PE )、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、環(huán)氧(EP)、聚丙烯( PP )等有機(jī)物而構(gòu)成的鋼塑復(fù)合型管材。此類管材具有耐海水腐蝕性能好，承壓性能優(yōu)，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用壽命達(dá)30 a之久。但由于內(nèi)、外防腐蝕涂層厚度較薄，實(shí)際應(yīng)用中，存在管道涂層剝離，法蘭接口處涂層受螺栓擠壓破壞等現(xiàn)象，這會造成管道喪失防腐蝕能力。除此以外，該產(chǎn)品的防腐蝕性能受生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量影響，差異較大。

廈門翔安隧道采用該種管材，以螺紋鋼管為基材，內(nèi)外噴涂300～400 μm環(huán)氧樹脂涂層。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，目前管道整體使用良好，管外壁無明顯腐蝕，僅個別涂層破壞處有點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

4.2 襯塑鋼管

襯塑鋼管是以鋼管為基管，內(nèi)壁去除焊筋后，襯入與鋼管等內(nèi)徑的聚乙烯(PE)管材，最后加壓加熱一定時間成型的復(fù)合管材。此類管材的內(nèi)襯層較厚，價(jià)格適中，可避免因管道內(nèi)防腐蝕層較薄而發(fā)生的涂層剝離、損壞。但由于成品襯塑鋼管無外防腐蝕層，需后期涂刷防腐蝕涂料，工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這類管材的外防腐蝕效果一般，需定期維護(hù)巡檢。

青島膠州灣隧道排水管道采用縮合式襯塑鋼管，以無縫鋼管為基材，縮合式內(nèi)襯PE管，外涂防腐蝕涂料，目前整體效果良好，但需定期巡檢維護(hù)，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)管道連接處和管道外壁防腐涂料涂抹不到位處存在局部腐蝕現(xiàn)象。

4.3 316L不銹鋼管

316L不銹鋼管具有強(qiáng)耐蝕性和高承壓性，且管材自身具備防腐蝕能力，無需涂層。316L不銹鋼管在海水中的腐蝕速率低于0.002 mm/a，且隨著浸泡時間的延長，腐蝕速率程下降趨勢，能夠耐海洋環(huán)境腐蝕[6]，同時316L不銹鋼管可切割、焊接，維護(hù)方便，承壓性能好，但價(jià)格昂貴，在海水浸沒情況下，存在點(diǎn)蝕象。

翔安隧道廢水泵房內(nèi)個別排水管道采用316L不銹鋼管，其防腐蝕性能明顯強(qiáng)于碳鋼和304不銹鋼。

4.4 內(nèi)襯外涂復(fù)合鋼管

內(nèi)襯外涂復(fù)合鋼管是一種內(nèi)外涂塑鋼，其通過內(nèi)涂橡塑(一般為PE)，使其自成管殼，厚度達(dá)到襯塑效果，內(nèi)涂塑管殼壁厚達(dá)3 mm，海水在塑料管殼內(nèi)流動，與外部鋼管分離，避免海水對鋼管的浸入式腐蝕。其外涂層與普通內(nèi)外涂塑鋼管相仿，可作加強(qiáng)級T3PE處理，亦可采用普通外涂環(huán)氧樹脂。

這類管材的優(yōu)點(diǎn)如下：內(nèi)涂層厚度可達(dá)到3.0～4.0 mm，形成獨(dú)立的管體，不因收縮比與線脹系數(shù)不同而發(fā)生防腐層脫離；外涂層采用3層結(jié)構(gòu)的PE，底層采用與金屬附著好的環(huán)氧樹脂。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)外涂塑復(fù)合管單一采用環(huán)氧樹脂防腐蝕層，由于防腐蝕層韌性不及聚乙烯材料，易在運(yùn)輸、安裝過程中受到?jīng)_擊、碰撞、割劃受損，管材表面的破損點(diǎn)會逐漸擴(kuò)成腐蝕面，防腐蝕效果大大降低，使用幾年后，就會出現(xiàn)銹蝕情況，所以海底隧道工程設(shè)計(jì)應(yīng)重視加強(qiáng)外防腐蝕設(shè)計(jì)，在環(huán)氧涂層的外層再涂覆聚乙烯涂層，給環(huán)氧樹脂層增加一層保護(hù)，以加強(qiáng)防腐蝕效果的持久性。

上述4種管材的優(yōu)缺點(diǎn)性能對比見表4。

表4 幾種管材的優(yōu)缺點(diǎn)比較

5 總結(jié)與建議

(1) 隨著新技術(shù)、新裝備和新材料的應(yīng)用，海底隧道排水系統(tǒng)的防腐蝕性能應(yīng)與時俱進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)隧道輕維護(hù)，少檢修，高穩(wěn)定的目標(biāo)。提高排水系統(tǒng)耐蝕性，對提高隧道的使用壽命，控制投資造價(jià)，方便運(yùn)維管理有顯著作用。

(2) 海底隧道兩端近海域位置地下水中的離子含量變化很大，特別對于分級提升的排水系統(tǒng)，排水管道的防腐蝕要求宜結(jié)合水質(zhì)情況分類考慮。

(3) 對于涂層防腐蝕管材，由于焊接鋼管的接頭位置是腐蝕的薄弱點(diǎn)，建議采用無縫鋼管代替焊接鋼管，并做好接頭補(bǔ)口防腐蝕。

(4) 排水管材應(yīng)選擇耐蝕性好，施工方便，價(jià)格合理的材料，同時也需兼顧排水系統(tǒng)重要程度。