悬索桥主缆通风除湿系统的设计

彭关中，缪小平，贾代勇，范良凯，张春雨，隋鲁彦

1)解放军理工大学工程兵工程学院，南京210007;2)解放军76160部队，广州510055

悬索桥造型优美、跨越能力大，是大跨径和特大跨径桥梁首选的结构形式.悬索桥主要由主塔、锚碇、鞍座、主缆、吊索、桥面承载梁体及附件构成，设计寿命一般为100年.主缆是悬索桥的主要受力构件之一，是不可更换构件，因此，被称为悬索桥的“生命线”.主缆长期暴露在大气环境中，经受着各种不利环境的侵蚀，导致主缆钢丝易产生腐蚀.主缆钢丝腐蚀严重地危及到悬索桥的安全性，腐蚀减少了有效的索股面积和强度.文献［1］指出，由于腐蚀，纽约市区的几乎所有大型悬索桥都存在强度损失的问题，主缆强度损失的范围从微乎其微到约35%(Williamsburg桥).从国外打开检查多座悬索桥主缆缠丝时发现，主缆表面均产生了较为严重的锈蚀，且锈蚀发生在主缆表面与缠绕钢丝接触的部位和一些索股的内层，主要分布在主缆侧面和底部［2-5］;传统的主缆腐蚀防护技术只能减缓腐蚀速度，不能彻底阻止腐蚀.日本从1994年开始进行主缆除湿系统的研究，通过罗茨鼓风机将干燥空气送入主缆，降低主缆内空气相对湿度，有效阻止了主缆钢丝腐蚀［6-7］.在欧洲和亚洲一些国家，如丹麦的小贝尔特大桥，瑞典的高海岸大桥，法国的阿基坦大桥，日本的明石大桥、来岛一桥、来岛二桥、来岛三桥和中国的润扬长江公路大桥，均安装了主缆除湿系统.主缆除湿系统能彻底阻止主缆钢丝的腐蚀，提高主缆钢丝的使用寿命，进而提高全桥的使用寿命，是悬索桥主缆防护技术的发展方向.本文对悬索桥主缆除湿系统设计方法进行了研究，首次自主为国内某悬索桥设计了主缆除湿系统，确定了合理的送气长度、除湿时间、送气流量及送气压力，并对主缆除湿系统进行了设备选型，为今后国内悬索桥主缆除湿系统的设计提供了参考.

1 主缆防腐传统技术及缺点

悬索桥主缆钢丝腐蚀防护传统方法的原理是通过“防护腻子+缠绕钢丝+外防护涂层”的方式来进行防腐的［8］，主要采用以下3种方法:一是圆钢丝缠绕涂层法(19世纪40年代由John Reobling开发);二是合成护套防护法(20世纪60年代由Bethlehem钢铁公司和Du Pont化学公司开发);三是S形缠绕钢丝代替圆形钢丝［9］.

防护腻子容易出现开裂和氧化等现象，嵌缝材料直接暴露于大气中，易产生老化开裂现象;外涂装材料在空气中也容易出现老化开裂.主缆架设过程中雨水和水气的侵入以及大桥使用过程中空气中的水分通过开裂位置及钢丝缠绕层的裂缝侵入主缆内，水分在主缆内因外界气温上升而汽化、因外界气温下降而在主缆表面大范围凝结［10-11］，这种易生锈状态反复进行，导致了主缆的腐蚀.传统的防腐方法无法从本质上阻止腐蚀的发生，只能减缓腐蚀速度;要阻止主缆钢丝腐蚀的发生，只有将主缆内的水分排出，确保主缆内的空气环境不会引起钢丝腐蚀［12］.

2 主缆除湿系统

主缆除湿系统的目的是降低主缆内部的相对湿度，使主缆处于一个相对封闭、干燥的环境中，避免主缆内的钢丝锈蚀.国内的润扬长江公路大桥的主缆是由直径5.3 mm的镀锌钢丝组合而成的，其间有20%左右的空隙，主缆外表设有密闭护套层.主缆除湿系统通过送气管和送气罩将干空气注入主缆钢丝空隙，干空气在主缆空隙内流动，降低主缆空隙内的空气湿度，最后干空气变成湿空气从排气罩排出.主缆护套层将干燥的主缆内部环境与外界大气隔离，保持主缆内干燥状态.主缆除湿系统工作流程为:粗过滤空气→精过滤处理→除湿机除湿→高压风机送风→冷却→送气管输气→送气罩送气→主缆内除湿→排气罩排气，主缆除湿系统工作流程见图1.

图1 主缆除湿系统工作流程Fig.1 Work flow of dehumidification system for main cables

主缆除湿系统包括过滤装置、转轮除湿机、罗茨鼓风机和后冷却器.外部空气在过滤装置中除去颗粒后被送入转轮除湿机进行除湿，用罗茨鼓风机加压至约10～20 kPa表压，通过后冷却器冷却到60℃以下，再将管道分流送入每一送气罩，气流流量通过送气罩的调节阀调节至规定值，并从送气罩送入主缆，主缆除湿系统送气处理过程见图2［13-14］.

图2 主缆除湿系统送气处理过程Fig.2 Air supply treatment process of dehumidification system for main cables

3 主缆除湿系统设计

3.1 设计参数

1)主缆内的水分来源主要有2个途径，一是由于施工过程中可能受雨水侵袭，二是主缆使用过程中受动载作用的影响，防护腻子的老化和外护层的破损，空气中的水蒸气和雨天中的雨水侵入;根据存水量试验及国内外主缆除湿系统设计经验，主缆中跨靠近跨中的区段含水量较大，含水率按主缆空隙的7.5%计算，其余位置按5%计算.

2)向主缆内输送的气流通过主缆表面会有一定程度的泄漏，根据日本明石、来岛和国内润扬大桥的设计经验，主缆每米长度泄漏率取0.005，送气罩内空气压力应不大于3 000 Pa.

3)除湿时间取决于送气长度、空气泄漏率和送气流量，除湿时间按1年进行设计.

4)经转轮除湿机除湿升温后的干空气在主缆内流动时温度降低、相对湿度升高;主缆内干空气温度和相对湿度取值分别为20℃和30%，相对湿度的变化率为70%.

3.2 送气长度

送气长度为送气罩与排气罩之间的距离.某待建悬索桥主缆送气罩、排气罩的位置布置参考了相关的工程，表1是明石大桥、来岛大桥及润扬大桥的送气长度［15］.

基于该悬索桥的跨径，送气长度的水平距离分别取120、150和195 m;送气长度及送气设备布置见图3.

表1 大桥的送气长度Table1 Air supply length of the Bridges

图3 送气长度及送气设备Fig.3 Air supply length and air supply equipment

3.3 存水量计算

单位长度主缆存水量计算公式为

其中，W为主缆单位长度存水量;D为主缆直径;φ为主缆空隙率;θ为主缆含水率.

主缆中跨(水平位置最低)的主缆存水量按7.5%计算，其他部分按5%计算.

主缆空隙率为20%，主缆内存水量按空隙的5%计算，单位长度主缆内水分为

主缆空隙率为20%，主缆内存水量按空隙的7.5%计算，单位长度主缆内水分为

3.4 气流量及泄漏量计算

空气泄漏量是变化的，取决于主缆内外的气压差以及主缆的气密条件，假设单位长度的泄漏率不变.主缆泄漏量示意图见图4.

图4 主缆泄漏量示意图Fig.4 Leakage schematic diagram of main cables

图4中，初始气流量为Q，泄漏量是qi.设泄漏率为x，则泄漏量q=xQi-1，i为主缆某处距进气罩的距离.

每一段气流量和泄漏量［16］可表示为

3.5 除湿时间计算

温度20℃时，空气饱和含湿量为17.28 g/m3，即14.68 g/kg干空气;20℃时，相对湿度为30%，空气含湿量为5.29 g/m3，即4.43 g/kg干空气;因此，如果相对湿度由30%变化到100%，1 m3空气的除湿量为

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

干空气会泄漏到主缆外，因此通过空气的流量会根据主缆的位置发生变化，此外，主缆钢丝之间空隙中的水分的蒸发速度很快，因而，假定主缆某一位置通过的空气流量为Qi，则除湿时间［17］为

由式(4)可得，干燥某一长度区间的时间为

当泄漏量为零时，各断面的流量为常数，则

其中，Δti和t为除湿时间;Qi为干空气流量;a为1 m3空气的除湿量;l为主缆某区间的长度.

3.6 送气流量及送气压力计算

设定除湿时间为1年，已知送气长度，根据式(1)～(5)，可计算出所需的干燥空气流量;送气罩送气压力根据主缆沿程阻力、局部阻力公式进行计算［18-19］，计算结果见表2，lsp为主缆的水平投影长度.

表2 送气长度、送气流量、送气压力间的关系Table2 Relationship of air supply length，air supply flow and air supply pressure

由表2可知，送气流量取决于送气长度，并在很大程度上取决于送气的压力，对于该悬索桥的送气长度，基于桥跨长度，中间索夹段按150 m和195 m分段的方案都是可行的，为了把干空气输送到主缆全长范围，主缆上的管路设施都是需要的，为了减少气罩的安装个数，送气长度越长越理想.但是，如果强调干燥主缆的效率，那么，送气长度短一些更为理想，这样可以使很大的干空气气流通过主缆，而且如果送气长度越长，某一点的送气流量和送气压力就可能越大，此外，为了减小敛缝处的漏气，送气压力越小越好.

目前尚无泄漏量的数据，标准的泄漏率应在0.005/m左右，对于表2中检验的气流量，150 m和195 m方案中的气压还是较低的，气流量还有些余地.因此，为了使除湿尽可能高效，送气流量可按以下选取:送气长度为120、150和195 m的送气流量分别取 0.3、0.3 和0.4 m3/min.

4 设计方案分析及设备选型

4.1 送气设备位置及气流量

由前述可知，送气水平长度为120、150和195 m所需的送气流量分别为 0.3、0.3和0.4 m3/min.送气设备的送气流量见表3，系统送气流量分布见图5.

表3 除湿机组安装位置及气流量 单位:m3/minTable3 Installation position and air flow of dehumidifier

图5 送气流量分布及机组布置图Fig.5 Air supply flow distribution and dehumidifier arrangement

4.2 送气长度、泄漏率和气流量之间的关系

根据式(2)可计算出主缆不同位置的气流量，如图6.在送气流量和泄漏率相等的条件下，随着送气长度的增加，主缆内的空气流量渐减.在泄漏率相等的条件下，主缆内的空气流量取决于送气流量，送气流量越大主缆内相同位置的气流量越大，反之，送气流量越小主缆相同位置的气流量越小.在送气流量相等的条件下，主缆内的空气流量取决于泄漏率，泄漏率越大主缆内相同位置的空气流量越小，反之，泄漏率越小主缆内相同位置的空气流量越大.因此，要减少主缆的漏气量，降低主缆的泄漏率至关重要.

4.3 送气长度、泄漏率和除湿时间之间的关系

图6 主缆内不同位置的气流量Fig.6 Air flow of different position in main cables

根据式(5)可计算出主缆不同位置的除湿时间，见图7.在送气流量和泄漏率相等的条件下，随着送气长度的增加，除湿时间也相应地增加.在泄漏率相等的条件下，除湿时间取决于送气流量，送气流量越大主缆相同位置的除湿时间越短，反之，送气流量越小主缆相同位置的除湿时间越长.在送气流量相等的条件下，除湿时间取决于泄漏率，泄漏率越大主缆相同位置的除湿时间越长，反之，泄漏率越小主缆相同位置的除湿时间越短.因此，要缩短主缆的除湿时间，可采取降低泄漏率和增加送气流量的措施.

4.4 除湿系统设备选型

主缆除湿系统主要由过滤器、转轮除湿机、送气鼓风机、冷却器、以及送气罩、排气罩和配管等主要设备组成.

4.4.1 过滤装置

现行过滤装置主要包括预过滤器、CP过滤器和HEPA过滤器.其中，预过滤器是用来除去可能堵塞除湿机转轮的颗粒，单个过滤装置的除尘效率大约为85%;CP过滤器是用来除去预过滤装置不能除去的颗粒，单个过滤装置除尘效率为90%;HEPA过滤器是用来除去微颗粒，此装置可以除去99.97%以上0.1 μm的颗粒，还能除去CP过滤器不能除去的盐分子.这些过滤器置于一个柜内，组成过滤装置，通过设置压差计监控防止过滤器堵塞.

图7 主缆不同位置的除湿时间Fig.7 Dehumidification time of different position in main cables

4.4.2 除湿装置

转轮除湿机由处理风机、再生风机、除湿转轮(硅胶)、再生加热器组成，主缆除湿系统送气处理过程:在除湿过程中，转轮缓慢旋转，待处理的湿空气经过空气过滤器后用处理风机送入3/4转轮的蜂窝状通道，硅胶吸收空气中的水分，空气被干燥后由罗茨鼓风机送入后冷却器进行冷却，冷却后的空气通过送风管道送入主缆;在转轮吸湿的同时，再生空气又反向于待处理的空气流向通过再生加热器，经其余1/4转轮的蜂窝状通道带走硅胶上的水分，再经再生风机排出室外.根据转轮除湿机进风量及除湿性能，选择5台ML270型转轮除湿机.

4.4.3 送气装置

送气系统由固定输出流量的罗茨鼓风机、梁内及塔内送气配管、主缆上的送气配管及送气罩、排气罩组成［20］.送气罩内空气压力应小于3 000 Pa，经阻力计算可知，边塔选用5台罗茨风机型号均为LT-080.罗茨风机选用变频调速装置时，避免选用离心风机、水泵专用的变频调速器，而应选用恒转矩负载类的通用变频调速器.后冷却器采用空-空热交换器;主缆的送气配管要能耐久使用，采用聚乙烯管.

4.5 能耗分析

主缆除湿系统耗能设备为转轮除湿机和罗茨鼓风机，每台转轮除湿机的功率为3.06 kW;经计算，送风量为2.4 m3/min的罗茨鼓风机功率为2.44 kW，共3台;送风量为2.8 m3/min的罗茨鼓风机功率为2.74 kW，共2台;主缆除湿系统总功率为28.1 kW.

4.6 后期运行

在维护阶段，主缆中的水分已经除去了，送干燥空气的目的主要是除去从主缆护套层的微小裂缝和排气口渗入的水分，维持主缆内空气的干燥，输送系统可采用间隙或低速运行的方式进行.

结 语

从国外多座悬索桥主缆缠丝打开检查的过程中发现，主缆表面均产生了较为严重的腐蚀，腐蚀主要分布在主缆侧面和底部.这说明传统的主缆防腐方法只能减缓主缆腐蚀的速度，不能阻止主缆钢丝腐蚀的发生;而主缆除湿系统能彻底避免主缆钢丝发生腐蚀，进而提高桥梁的使用寿命，因此主缆除湿系统是悬索桥主缆钢丝腐蚀防护的发展方向，值得在国内大力推广主缆除湿系统防腐技术.

/References:

［1］Ye Jueming，Li Rongqing.State-of-the-art and prospecting of main cable protection of modern suspension bridges［J］.Bridge Construction，2009(6):67-71.(in Chinese)叶觉明，李荣庆.现代悬索桥主缆防护现状与展望［J］.桥梁建设，2009(6):67-71.

［2］Shoichi S，Kazuhiko F.Corrosion protection of suspension bridge cables［J］.Construction of Civil Engineering Structures，1997，38(7):35-37.

［3］Jens Vejlby T，Matthew L B.Little belt suspension bridgecorrosion protection of the main cables and maintenance of major components［C］//The 4th International Cable Supported Bridge Operators Conference.Copenhagen(Denmark):ICSBO，2004.

［4］Hou Suwei，Qiang Shizhong，Liu Minghu，et al.Experimental investigation of tribological properties between CFRP main cable and clamp［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2012，29(3):201-206.(in Chinese)侯苏伟，强士中，刘明虎，等.CFRP主缆与索夹摩擦学性能试验研究 ［J］.深圳大学学报理工版，2012，29(3):201-206.

［5］Peng Guanzhong，Miao Xiaoping，Fan Liangkai，et al.Research progress on corrosion prevention technology of main cables for suspension bridge［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2011，23(1):99-102.(in Chinese)彭关中，缪小平，范良凯，等.悬索桥主缆腐蚀防护技术的研究进展 ［J］.腐蚀科学与防护技术，2011，23(1):99-102.

［6］Kazuhiko F.Dry air injection test for corrosion protection of suspension bridge cables［J］.Honshu Technical Report，1997，21(84):46-51.

［7］Larsen K R，Writer S.Dry air combats corrosion on suspension bridge cables［J］.Materials Performance，2008(4):30-33.

［8］Yang Ning.Main Cable Dehumidification System of Long Span Suspension Bridge［D］.Shanghai:Tongji University，2006.(in Chinese)杨 宁.大跨悬索桥的主缆除湿防腐系统 ［D］.上海:同济大学，2006.

［9］Peng Guanzhong，Miao Xiaoping，Fan Liangkai，et al.Research status and progress on corrosion protection painting for main cables of suspension bridge ［J］.Painting Industry，2011(5):60-63.(in Chinese)彭关中，缪小平，范良凯，等.悬索桥主缆防腐涂装的研究现状及进展 ［J］.涂料工业，2011(5):60-63.

［10］Yu Mingde，Shen Ruili，Tang Maolin，et al.Research on temperature field of main cable section of xihoumen bridge［J］.Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27(3):53-58.(in Chinese)俞明德，沈锐利，唐茂林，等.西堠门大桥主缆横断面温度场研究 ［J］.建筑科学与工程学报，2010，27(3):53-58.

［11］Xu Haiying，Zhao Shaojie.Calculation of temperature field of main cable of suspension bridge［J］.Journal of Railway Engineering Society，2012(1):45-50.(in Chinese)徐海鹰，赵少杰.悬索桥主缆温度场计算 ［J］.铁道工程学报，2012(1):45-50.

［12］Bloomstine M L.State-of-the-art main cable corrosion protection by dehumidification［C］//3rd New York Bridge Conference.New York(USA):IEEE，2005.

［13］Jia Daiyong，Yuan Yinkui，Miao Xiaoping，et al.Experiment research of dry air floating resistance for ventilation in the cables of suspension bridge ［J］.Fluid Machinery，2003，31(10):9-11.(in Chinese)贾代勇，袁印奎，缪小平，等.悬索桥主缆通风干燥空气流动阻力的实验研究 ［J］.流体机械，2003，31(10):9-11.

［14］Chen Ce.Latest research progress of main cable dehumidification system of suspension bridge in china［J］.China Engineering Science，2010，12(4):95-99.(in Chinese)陈 策.我国悬索桥主缆除湿系统研究的最新进展［J］.中国工程科学，2010，12(4):95-99.

［15］Peng Guanzhong，Miao Xiaoping，Fan Liangkai，et al.A-nalysis and experiment research on dehumidification and anti-corrosion system of main cable of suspension bridge based on waste heat recovery ［J］.Building Science，2011，27(2):33-37.(in Chinese)彭关中，缪小平，范良凯，等.基于余热回收的悬索桥主缆除湿防腐系统节能分析与实验研究 ［J］.建筑科学，2011，27(2):33-37.

［16］Peng Guanzhong.Mechanism and Application Study for Suspension Bridge Cables'Drying［D］.Nanjing:PLA U-niversity of Science and Technology，2011.(in Chinese)彭关中.悬索桥主缆干燥机理及应用研究 ［D］.南京:解放军理工大学，2011.

［17］Chen Sheng.Main Cable Dehumidification System of Long Span Suspension Bridge［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2012.(in Chinese)陈 胜.大跨悬索桥主缆防护的分析研究 ［D］.大连:大连理工大学，2012.

［18］Sui Luyan.Research on the Ventilation Dehumidification System of the Main Cable of the Suspension Bridge［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2009.(in Chinese)隋鲁彦.悬索桥主缆通风除湿技术研究 ［D］.南京:解放军理工大学，2009.

［19］He Minglai.Research on Dehumidification Technology of Dry Air in the Main Cable of Suspension Bridge［D］.Nanjing:PLA University of Science and Technology，2011.(in Chinese)何明来.悬索桥主缆干燥空气除湿技术研究［D］.南京:解放军理工大学，2011.

［20］Keita S，Shun-Ichi N.Environmental factors affecting corrosion of galvanized steel wires［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2004，16:1-7.