包覆防护系统在高桩码头钢管桩维护中的设计与应用

中图分类号：Ｕ ５６１．６７
文献标志码：Ａ
文章编号：１００３－３６８８（２０１１）０６－００３７－０３
Design and Application of Coating Protection System in Maintenance of Steel Tubular Piles for Piled Wharfs
桩未采用任何防护措施，近期检查钢管桩浪溅区和水位变 动区可见锈蚀严重，需对其进行维护。 3.1 包覆防护系统设计
针对本工程钢管桩腐蚀严重程度，设计采用钢管桩包 覆 防 护 系 统 ， 该 系 统 由 S105 底 漆 、 海 洋 矿 脂 防 锈 带 、
２０１１ 年第 ６ 期
熊建波，等：包覆防护系统在高桩码头钢管桩维护中的设计与应用
摘 要：结合我国华南地区处于海水环境的某码头工程钢管桩的维护，分析钢管桩的腐蚀特点，对比选择防腐蚀措
施，最终在钢管桩腐蚀最严重的浪溅区及水位变动区选用了包覆防护系统设计并进行工程实践论证。有效解决了该
区域传统措施防护年限不足的难题，取得优异的防护效果，为类似工程的设计及施工提供参考。
关键词：海水环境；浪溅区；水位变动区；钢管桩；包覆防护系统
图 4 包覆防锈带施工 3.2.4 安装护甲
防护套材质为 HDPE。其所用螺栓、垫圈和防滑螺母 均采用船用不锈钢制品 （SS316）。
因钢管桩长期处于海水直接腐蚀的环境，通常在新建 时会采取初步的防腐蚀措施：1） 预留腐蚀裕量。2） 大 气区采用涂层或金属喷涂层保护。3） 浪溅区和水位变动 区采用重防腐涂层或金属热喷涂层加封闭涂层，也可以采 用包覆有机复合层保护。4） 水下区单独设置电化学阴极 保护或与涂层联合保护。5） 泥下区采用电化学阴极保 护[4]。通常漆膜在浪溅区及水位变动区也远比其他区域更 易老化、剥落，难以达到预定的使用年限，而水位变动区 电化学阴极保护措施通常也难以达到理想效果，因此钢管 桩浪溅区及水位变动区部位的防护是钢管桩结构防护最薄 弱的环节之一[5]。 2 高桩码头钢管桩维护方案选择
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HDPE 护甲组成，范围为桩顶至最低潮位下 0.5 m，共3.17 m 长，该部位主要位于浪溅区和水位变动区。施工期间要 求不能影响码头正常靠泊装卸作业。 3.2 施工流程 3.2.1 钢管桩表面处理
采用水下打磨机清除钢桩表面的海生物、皱皮、附着 不牢的锈迹和其他杂物等附着物。经过处理后钢桩表面清 洁度满足 GB8923-88《 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等 级 》中要求的“St2”级标准。钢管桩表面凹痕等采用相适 应的矿脂漆糊填补平整。 3.2.2 涂刷底漆
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中国港湾建设
２０１１ 年第 ６ 期
大气区
浪溅区
平均高潮线
水位变动区
平均低潮线
涂料 涂料或包覆防护技术
水下区 泥下区
海底
电化学保护
腐蚀速率（/ 0.1 mm·a-1）
图 1 海水环境钢管桩腐蚀及防护示意图
此区域海水溶解氧充分，与水位变动区因氧浓度差形成腐 蚀电池，使该区域成为阳极区而遭受腐蚀。3） 发生在海 水与海泥交界处下方，由于此处钢结构分别处于海泥和海 水中，容易因周围的介质的不同而产生腐蚀电池[3]。
Abstract：Ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｍ ａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｌｅｓ ｆｏｒ ａ ｍ ａｒｉｎｅ ｗ ｈａｒｆｉｎ Ｓｏｕｔｈ Ｃ ｈｉｎａ ｂｅｉｎｇ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｄｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｌｅｓ ｗ ｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｍ ｅａｓｕｒｅｓ ａｇａｉｎｓｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｗ ｅｒｅ ｃｏｍ ｐａｒｅｄ．Ｃ ｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ａ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗ ａｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｌｅｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｓｐｌａｓｈ ａｎｄ ｔｉｄａｌ ｚｏｎｅｓ，ｗ ｈｅｒｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｍ ｏｓｔ ｓｅｒｉｏｕｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗ ａｓ ｉｍ ｐｌｅｍ ｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｗ ｈｅｎ ａ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍ ｅａｓｕｒｅ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｎｄ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａ ｇｏｏｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｇｉｏｎ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａｌｓｏ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆｓｉｍ ｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ． Key words：ｓｅａｗ ａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ；ｓｐｌａｓｈ ｚｏｎｅ；ｔｉｄａｌｚｏｎｅ；ｓｔｅｅｌｐｉｐｅ ｐｉｌｅｓ；ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
受现场涨落潮时间的限制，浪溅区及水位变动区钢管 桩的维护施工十分不便，较新建工程施工困难，甚至不少 码头出现了重复维修的问题，严重影响了正常营运。因此 如何高效地做好桩柱的防护是码头维护的重点，对于此区 域维护的方案一直是近年维护维修探讨的热点[6]。目前，钢 管桩浪溅区和水位变动区的维护设计中常采用的有：重防 腐涂料或水下重防腐涂料，热缩套材料，包覆防护系统材 料[7]。当前国内钢管桩的维护普遍采用重防腐涂料，一般 采用对钢结构进行表面处理达到 Sa2.5 级然后现场涂装涂 料，但在工程现场进行钢管桩表面喷砂和涂装作业，施工 难度大，现场粉尘污染严重，且其喷砂除锈和涂装效果受 水汽和涨落潮的影响而得不到保证，除锈及涂装的范围只 能为钢管桩水面以上区域。为此，有施工单位开发可以外 挂在钢管桩上的套箱，在套箱内部进行喷砂除锈作业，避 免了污染，使喷砂除锈效果得以保证，并且在施工期间不 受涨落潮影响，能很大程度上保证施工质量。缺点是增加 了施工成本，且工人在套箱内进行喷砂和涂装作业施工条 件严酷，工效低。为此，目前已开发水下可以直接涂敷在 钢结构上的水下重防腐涂料，有的产品需要进行水下带磨 料高压水清洗至 Sa2.0 等级，然后水下涂刷，有的产品是
均匀涂刷 S105 底漆，在钢桩表面形成均匀的薄膜， 保证无漏涂、气泡、凝块和流挂等缺陷。水下操作时由潜 水员戴上防护手套直接涂抹。底漆涂覆效果见图 3。
图 3 钢管桩表面底漆涂覆 3.2.3 包覆缠绕矿脂防锈带
缠绕采用海洋矿脂冷缠防锈带。由钢桩顶开始向下螺 旋状包覆，采用 55 %宽度的搭边，且每卷防锈带之间有 150 mm 以上的头尾重叠，以达到双层防护的效果。缠绕 时用滚筒式磁力棒紧按使其紧贴于桩的表面，并保持防锈 带与桩表面之间不产生褶皱和气泡。包覆效果见图 4。
２０１１ 年 １２ 月 第 ６ 期 总第 １７７ 期
中国港湾建设
China Harbour Engineering
Dec．，２０１１ Ｔｏｔａｌ １７７，Ｎ ｏ．６
包覆防护系统在高桩码头钢管桩 维护中的设计与应用
熊建波 1，张华章 2，张前平 3，潘德强 1
（１．中交四航工程研究院有限公司，交通运输部水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 ５１０２３０； ２．中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 ５１０２３０；３．精锐化学 （上海） 有限公司，上海 ２０１３１５）
高桩码头是利用桩基将作用在码头上的荷载传递到深 层地基的系船建筑物。其能够适应复杂的地质条件和自然 环境，且具有波浪反射小、泊稳条件好、施工速度快等优 点，所以在我国沿海地区得到广泛应用[1]。高桩码头的桩基 大多为采用普通碳钢和低合金钢制成的钢管桩，极易与周 围介质发生电化学反应而受到严重腐蚀，大大缩短了钢管 桩的使用寿命，因而钢管桩的防护问题一直是业界广泛关 注的焦点。本文结合华南某码头钢管桩维护中的腐蚀防护 设计，通过对腐蚀特点进行分析、腐蚀措施进行对比，最
收稿日期：２０１１－０４－２９
修回日期：２０１１பைடு நூலகம்１１－０１
作者简介：熊建波 （１９７９ — ），男，博士研究生，高级工程师，从事港
航工程建设耐久性技术的科研、设计、施工和技术管理工作。
终选用包裹防护系统设计并进行了工程实践，为类似工程 设计及施工提供参考。 1 钢管桩腐蚀防护
按照我国现行行业规范 JTS153-3—2007《 海港工程钢 结构防腐蚀技术规范 》 中的相关规定，海工钢结构如钢管 桩的部位分为：海洋大气区，浪溅区，水位变动区，水下 区，泥下区。这些区域的腐蚀特点如图 1 所示。由该图可 见，海水环境钢结构腐蚀速度有 3 个峰值：1） 发生在平 均高潮线以上的浪溅区，是钢结构腐蚀最严重的区域。这 是因为在这一区域浪花飞溅、干湿交替，氧的供应最充 分。据统计，同一钢种在浪溅区遭受腐蚀的速度比水下区 高出 3 ~ 10 倍[2]。2） 发生在平均低潮线以下 0.5 ～ 1.0 m 处。
XIONG Jian-bo1，ZHANG Hua-zhang2，ZHANG Qian-ping3，PAN De-qiang1
（1. CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，Key Laboratory of Harbor & Marine Structure Durability Technology Ministry of Communications，Guangzhou，Guangdong 510230，China；2. Engineering Design Institute Co.，Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510230，China； 3. SUPERCHEM Surface Chemistry （Shangha）i Company Limited，Shanghai 201315，China）
目前国内外用到的包覆防护系统主要采用缠绕矿脂防 腐带外加 HDPE 护套的形式，包覆防护系统示意图见图 2 所示，该系统可适用于截面为圆形、六边形、方形等形状 的钢管桩结构。
防腐底漆
矿脂防锈带
螺栓、螺母 HDPE 护甲
桩
图 2 包覆防护系统示意图
3 钢管桩包覆防护系统的应用 我国华南某码头 2000 年建成投产，其码头主体钢管
包覆防护系统是一种物理隔绝有害侵蚀物的方法，它 在钢管桩表面手动除锈达到 St2 后，采用包覆一层聚氯乙 烯带；或者采用先涂覆含有阻锈成分的底漆或防腐蚀膏， 然后缠绕一层矿脂防锈带，最后采用高密度聚乙烯 （HDPE） 或玻璃钢护甲包覆在防锈带外部，起到紧固作用 并能防止外部冲击破坏；或者包覆一层由底涂、中间防锈 层和外部保护层复合在一起的包覆防护体。包覆后的钢管 桩，隔绝了水和氧侵入钢桩表面，从而有效防止了钢管桩 表面发生电化学腐蚀反应。相对于其他防护方式，此方法 对钢管桩表面处理要求低，施工方法简单快捷，水上和水 下均能施工，施工速度快，质量容易控制，可最大限度降 低码头运营损失。此项技术在国内外已有成功应用的工程 案例，实践表明可提供对钢管桩更为长效的保护。从钢管 桩维护全周期成本来看，浪溅区及水位变动区范围内采用 包覆防护系统更为科学和经济。
水下钢结构表面手动除锈 St3 级后，直接刷涂或抹涂，但 目前这些产品的使用效果受施工质量的影响非常大，且耐 久性效果在国内工程中尚未得到验证。
钢管防腐热收缩带是一种新型的性能良好钢管防腐材 料，最早用于石油管线等的防腐，通常为三层结构，包含 防腐涂料底漆、热熔胶中间层、交联聚乙烯外层。其加热 后熔融流动、能够涂布在基材上，对金属有良好黏结力， 施工操作简便[8]。热缩套使用时，钢结构表面需进行喷砂 除锈，且需在现场加热，因此，其在现场施工中的质量难 以得到保证，国内有工程采用该体系使用未到 10 a 即出现 起鼓破坏而需要再次维修。