海底隧道排水系统的腐蚀与防护

2022-03-18吕青松方祖磊金晓旖

腐蚀与防护 2022年2期

吕青松,方祖磊,金晓旖

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300133)

我国地域广阔，海岸线曲折绵长，而海峡就像一道道天堑，将两岸人民的生活交通、经济文化分割。海底隧道作为一种全天候的交通方式，是穿越海峡最好的选择之一，在众多海峡通道方案中得到广泛应用。作为连接隔海两地的百年工程，海底隧道服役于海洋强腐蚀性环境中，隧道内排水系统的服役环境苛刻，且未来的改造难度大，维修成本高，因此，排水系统的耐蚀性是决定隧道运营耐久性的重要因素。近年来，海底隧道排水系统的腐蚀防护引起了隧道工程界越来越多的关注和深入研究。

本工作主要结合国内已建海底隧道工程腐蚀案例，分析了排水系统发生海水腐蚀的主要原因及防护措施，通过比较几类常见排水管材的优缺点，提出了海底隧道排水系统的防腐蚀重点和建议。

1 海底隧道腐蚀情况

1.1 厦门翔安隧道

厦门翔安隧道是我国大陆首条独立设计、施工的海底隧道，于2005年4月开始建设，2010年4月开通运营。隧道全长8.7 km，其中海域段4.2 km，采用钻爆暗挖法修建，最大开挖断面为170 m2，属于典型超大开挖断面隧道。厦门翔安隧道的排水系统采用“单级收集，单级提升”方案，在隧道最低点设置海底泵房，收集全线隧道的废水，经排水泵一次性提升排出隧道。排水主管材采用内外涂环氧螺纹钢管，目前整体使用良好，无明显腐蚀，但普通碳钢管道的附件腐蚀严重，直接锈穿。海底泵房内个别管道采用316L不锈钢管，整体效果良好，但焊缝接头处有明显腐蚀，见图1。

(a) 整体情况 (b) 碳钢管道的附件 (c) 316L不锈钢管

1.2 青岛胶州湾隧道

青岛胶州湾隧道是山东省青岛境内连接黄岛区与市南区的过海通道，于2006年12月开始建设，2011年6月开通运营，是大陆第二条海底公路隧道。隧道全长6.17 km，其中海域段3.95 km，采用钻爆暗挖法修建，下穿胶州湾湾口海域。青岛胶州湾隧道排水系统采用“分级收集，多级提升”方案，全线共设置三座废水泵房，在隧道最低点设置海底泵房，隧道两端分别设置废水泵房，利用“接力”的形式排除隧道废水。排水管材采用缩合式衬塑钢管，目前整体状况良好，但管道连接处和外层防腐蚀涂料涂抹不到位的区域存在腐蚀现象，需定期巡检维护。

(a) 整体情况 (b) 局部腐蚀情况

2 海水腐蚀原因

海水盐度、pH、温度、溶解气体流速、微生物以及污染等因素的交互作用，使海水对管材的腐蚀成为一个极其复杂的过程。通常来说，海水腐蚀原因可分为海洋生物污损和化学腐蚀两大类。

2.1 生物污损

海洋生物污损是指生长在海水中的生物(包括动物、植物和微生物等)，通过附着、聚集等方式给人类海洋工程带来负面效益的现象。海洋生物污损不仅降低了设备的使用性能，还会影响设施和材料的有效运行。据统计，与海洋微生物附着有关的材料腐蚀占涉海材料腐蚀总量的70%～80%，参与金属腐蚀的微生物主要有细菌、真菌及藻类，尤其以细菌造成的腐蚀最多[1]。

海底隧道排水管道通常采用金属管材，而海水中参与金属腐蚀的微生物主要有硫酸盐还原菌、铁细菌等，硫酸盐还原菌引起的腐蚀约占整个海洋生物污损的一半，是最重要的腐蚀微生物，这类海洋微生物会加速金属管道的电化学反应，破坏管道的表面保护层，造成管道系统发生腐蚀泄漏。研究表明，海洋微生物引起的局部腐蚀破坏率高达1 mm/a[1]。

海底泵房位于隧道最低点，一般靠近隧道中部位置，距离两端风井较远，故隧道排水系统呈现长距离高承压的特点。为了降低排水管道的沿程水损，通常会牺牲流速，这就容易造成泥沙淤积，滋生的微生物附着在管道内壁对管材造成点蚀。同时管道内流动的泥沙容易对防腐蚀涂层造成损伤，且不易被发现，这增加了管道系统的腐蚀风险[2]。

2.2 化学腐蚀

海底隧道排水系统主要用于输送的介质为渗漏水和消防水，海水中的腐蚀性离子主要有氯离子、镁离子、钙离子、硫酸根离子等，其中对排水系统腐蚀最严重的是氯离子，且腐蚀位置多发生在焊接接头处。对厦门海底隧道和青岛胶州湾海底隧道周边围岩的水质进行分析(见表1)，发现同一海底隧道两端近海域位置地下水中的离子含量变化很大[3]，对于分级提升的排水系统，排水管道的防腐蚀要求宜结合水质情况分类考虑。

表1 厦门过海隧道与青岛胶州湾海底隧道周边围岩的水质分析结果

3 防腐蚀对策

3.1 管材选择

从排水管材自身的物理、化学性质出发，宜选择耐蚀性较好的材料，通常为铜合金和不锈钢。

铜合金材料很少受海洋生物污损，在海洋、船舶、电力等领域应用较多。但是铜合金管材价格昂贵，安装维护复杂，不适用于海底隧道排水系统。

不锈钢管材具有良好的耐热阻燃性，安装方便，且其在海水中的腐蚀速率随浸泡时间的延长呈现下降趋势，防海水腐蚀性能优异。然而，低级别不锈钢的抗点蚀能力偏弱，易出现穿孔泄漏。2205不锈钢的抗腐蚀性能虽然优于奥氏体不锈钢，但由于价格昂贵，推荐在海底泵房内的重要设备上应用。表2所示为两种常用不锈钢的合金元素含量[4]。

表2 不锈钢材料的合金元素含量[4]

3.2 涂层防护

管道的涂层防腐蚀是在金属表面上形成一层绝缘的连续覆盖层，将金属与海水进行绝缘(防止海水直接接触到金属)，即设置一个高电阻使电化学反应无法正常发生，是排水管道最常用的防腐蚀措施之一。新型绿色涂层材料应是同时具备生物毒杀和防止海洋生物附着的天然防污化合物。

目前常见的涂层防护技术分为管道外防腐蚀和内防腐蚀技术。其中,外防腐蚀涂层材料的优缺点对比见表3。

表3 管道外防腐蚀涂层材料的优缺点

管道内防腐蚀措施主要为内衬和内涂防腐蚀涂层。管道的内衬和内涂防腐蚀涂层，需要预制，待管道整体内防腐蚀处理完成后，再运至施工现场进行安装，安装过程中稍有不慎，就需重新切割焊接管材，易造成防腐蚀层发生损坏。

管道现场接头的防腐蚀也是影响管道防腐蚀效果的重要因素。制得良好的接头补口，要求管道表面处理等级至少达到Sa2.5，且选用高质量热缩带材料，并达到管体涂层性能，推荐采用无缝钢管代替焊接钢管。

3.3 电化学防护

海水作为一种中性电解质溶液，管道在海水中主要发生吸氧腐蚀，反应见式(1)：

(1)

电化学防腐蚀作为涂层防腐蚀的一种补充手段，通常有牺牲阳极法和外加电流阴极保护法。牺牲阳极需要有足够负的开路电位和闭路电位，常用的牺牲阳极材料有铝合金、锌合金和镁合金，其中铝合金材料的使用寿命长，适用于海底管道，尤其铝-锌-铟系合金的应用最为广泛。

海底隧道排水管道可通过钢芯直接将阳极焊接在管体上，对焊接影响区进行彻底清理，暴露的钢表面采用热缩带等进行防腐蚀。阳极内表面和端面应涂厚度大于100 μm 的浸没级环氧涂层，阳极外表面不能有涂层和其他物质[5]。

4 常见管材性能对比

由于长期服役于高盐、高湿的强腐蚀性环境中，海底隧道的排水系统需要选择耐海水腐蚀性优良的材料，特别是日常维护检修困难的过海轨道交通隧道。国内海底隧道工程常见排水管材有内外涂塑复合管、衬塑钢管、316L不锈钢管、内衬外涂复合钢管等。

4.1 内外涂塑复合管

内外涂塑复合管是以钢管为基材，在钢管内、外壁喷涂或滚涂融溶一层厚度为0.5～1.0 mm的聚乙烯(PE )、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、环氧(EP)、聚丙烯( PP )等有机物而构成的钢塑复合型管材。此类管材具有耐海水腐蚀性能好，承压性能优，价格低廉等优点，设计使用寿命达30 a之久。但由于内、外防腐蚀涂层厚度较薄，实际应用中，存在管道涂层剥离，法兰接口处涂层受螺栓挤压破坏等现象，这会造成管道丧失防腐蚀能力。除此以外，该产品的防腐蚀性能受生产工艺、产品质量影响，差异较大。

厦门翔安隧道采用该种管材，以螺纹钢管为基材，内外喷涂300～400 μm环氧树脂涂层。实地考察发现，目前管道整体使用良好，管外壁无明显腐蚀，仅个别涂层破坏处有点蚀现象。

4.2 衬塑钢管

衬塑钢管是以钢管为基管，内壁去除焊筋后，衬入与钢管等内径的聚乙烯(PE)管材，最后加压加热一定时间成型的复合管材。此类管材的内衬层较厚，价格适中，可避免因管道内防腐蚀层较薄而发生的涂层剥离、损坏。但由于成品衬塑钢管无外防腐蚀层，需后期涂刷防腐蚀涂料，工程实践中发现这类管材的外防腐蚀效果一般，需定期维护巡检。

青岛胶州湾隧道排水管道采用缩合式衬塑钢管，以无缝钢管为基材，缩合式内衬PE管，外涂防腐蚀涂料，目前整体效果良好，但需定期巡检维护，现场发现管道连接处和管道外壁防腐涂料涂抹不到位处存在局部腐蚀现象。

4.3 316L不锈钢管

316L不锈钢管具有强耐蚀性和高承压性，且管材自身具备防腐蚀能力，无需涂层。316L不锈钢管在海水中的腐蚀速率低于0.002 mm/a，且随着浸泡时间的延长，腐蚀速率程下降趋势，能够耐海洋环境腐蚀[6]，同时316L不锈钢管可切割、焊接，维护方便，承压性能好，但价格昂贵，在海水浸没情况下，存在点蚀象。

翔安隧道废水泵房内个别排水管道采用316L不锈钢管，其防腐蚀性能明显强于碳钢和304不锈钢。

4.4 内衬外涂复合钢管

内衬外涂复合钢管是一种内外涂塑钢，其通过內涂橡塑(一般为PE)，使其自成管壳，厚度达到衬塑效果，内涂塑管壳壁厚达3 mm，海水在塑料管壳内流动，与外部钢管分离，避免海水对钢管的浸入式腐蚀。其外涂层与普通内外涂塑钢管相仿，可作加强级T3PE处理，亦可采用普通外涂环氧树脂。

这类管材的优点如下：内涂层厚度可达到3.0～4.0 mm，形成独立的管体，不因收缩比与线胀系数不同而发生防腐层脱离；外涂层采用3层结构的PE，底层采用与金属附着好的环氧树脂。根据以往工程经验，内外涂塑复合管单一采用环氧树脂防腐蚀层，由于防腐蚀层韧性不及聚乙烯材料，易在运输、安装过程中受到冲击、碰撞、割划受损，管材表面的破损点会逐渐扩成腐蚀面，防腐蚀效果大大降低，使用几年后，就会出现锈蚀情况，所以海底隧道工程设计应重视加强外防腐蚀设计，在环氧涂层的外层再涂覆聚乙烯涂层，给环氧树脂层增加一层保护，以加强防腐蚀效果的持久性。

上述4种管材的优缺点性能对比见表4。