沉管隧道钢壳在海水中的加速腐蚀_高倩钰.pdf

沉管隧道钢壳在海水中的加速腐蚀高倩钰1)，曹航1)，金文良2)，张晓虎1)，刘媛媛1)1)中冶建筑研究总院有限公司，北京1000882)深中通道管理中心，中山528400通信作者，E-mail:摘要沉管隧道置于不易检查和维护的海泥区域，其钢壳结构受到海水的侵蚀，会缩短其服役周期，腐蚀严重则会影响沉管隧道的安全运行.深中通道（又称“深中大桥”）是国内首个钢壳式沉管隧道，耐久性要求 100 年，针对深中通道钢壳混凝土沉管的服役环境及超高的耐久性要求等诸多特征，且目前国内外可以借鉴的工程和研究很少，因此需要研究揭示钢壳外壁在海洋环境下的腐蚀机理和腐蚀发展规律.本文采用室内腐蚀模拟加速试验及电化学分析测试等，对深中通道沉管隧道钢壳所用 Q390C 低合金高强度结构钢在模拟海水条件下的腐蚀发生发展规律进行研究.研究发现 Q390C 在海水中腐蚀产物主要为 Fe3O4、-FeOOH 和-FeOOH 及少量 CaCO3，其均匀腐蚀和局部腐蚀速率都呈指数关系下降，最终趋于稳定.关键词深中通道；沉管钢壳；Q390C；海水腐蚀；加速腐蚀；腐蚀研究分类号TB304AcceleratedcorrosionofthesteelshellofanimmersedtubetunnelinseawaterGAO Qian-yu1)，CAO Hang1)，JIN Wen-liang2)，ZHANG Xiao-hu1)，LIU Yuan-yuan1)1)CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.Ltd.MCCGroup,Beijing100088,China2)ShenzhongLinkManagementCenter,Zhongshan528400,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTChinaisrichinmarineresources,andwiththedevelopmentofitseconomyandtheimprovementofitstransportationlevel,theuseofimmersedtunneltechnologyisincreasinglymoreextensive.TheShenzhenZhongshanBridgeisthefirststeelshellimmersedtunnelinChina.Theimmersedtunnelislocatedinaseamudareathatisnoteasytoinspectandmaintain,anditssteelshellstructureiserodedbyseawater,whichshortensitsservicecycle,andseverecorrosionaffectsitssafeoperation.Itsdurabilityrequirementis100years.FortheserviceenvironmentandultrahighdurabilityrequirementsoftheShenzhenZhongshanBridgesteelshellconcreteimmersedpipeandmanyothercharacteristics,atpresent,fewengineeringandresearchreferencesathomeandabroadcanbeused.Thus,thecorrosiondevelopmentlawoftheouterwallofanimmersedsteelshellinamarineenvironmentmustbestudiedandrevealed.Inthiswork,dissolvedoxygen(15.2mgL1)wasartificiallyaddedtoasimulatedseawatersolutionasadepolarizingagenttorealizetheaccelerationprocessofacorrosionsimulationaccelerationtestinthelaboratory.Thetestsetcyclewas1,7,15,30,90,180,and365d,andthetesttemperaturewas25.Throughtheelectrochemicalimpedancespectroscopy(EIS),theTafelpolarizationcurve,scanningelectron microscopy(SEM),energy dispersive spectroscopy(EDS),X-ray diffraction(XRD),confocal laser scanning microscopy(CLSM),andotheranalyticalandtestingmethodsofsampleswithdifferenttestcycles,thecorrosionoccurrenceanddevelopmentlawofQ390Clow-alloyhigh-strengthstructuralsteelusedindeepmediumchannelimmersedtunnelsteelshellsundersimulatedseawaterconditionswasstudied.ThecorrosionproductsofQ390CsteelinseawateraremainlyfoundtobeFe3O4,-FeOOH,-FeOOH,andasmallamountofCaCO3,andtheiruniformcorrosionandlocalcorrosionratesdecreaseexponentiallyandeventuallytendtostabilize.CLSMtestshowsthatthesurfaceofthespecimenbeginstocorrodeuniformlyafteratestcycleof15d,andthepittingcorrosionpit收稿日期:20220909基金项目:广东省重点领域研发计划项目（2019B111105002）工程科学学报，第45卷，第6期：941948，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:941948,June2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.09.09.001;http:/depthofthespecimenwithatestcycleof365dcanreach99m.Thelong-termacceleratedcorrosiontestofthesteelshellofanimmersedtunnelinseawaterinthispaperisofgreatimportancetoensurethelong-lifedurabilityofimmersedtunnelsinmarineengineeringandsimilarconstructionprojects.KEY WORDSShenzhen Zhongshan Bridge；immersed steel shell；Q390C；seawater corrosion；accelerated corrosion；corrosionresearch近年来，随着交通基础设施的全面发展，沉管隧道技术在国内外应用日益普遍.而我国许多大城市都位于河道两侧及支流河口一带，为了发展经济，开拓新的交通通道迫在眉睫.沉管隧道具有埋设深度浅、通行能力大、与两岸道路连接较好、增加隧道周边用地价值、防水效果好等优势，沉管隧道工程建设在国民经济活动和交通领域起着至关重要的作用12.目前，沉管隧道施工技术已应用于国内外工程，如港珠澳大桥海底沉管隧道、丹麦瑞典阿勒海峡沉管隧道、丹麦德国费尔曼湾沉管隧道和美国 FortMcHenry 隧道35.深中通道是全球第一条大面积使用钢壳混凝土复合结构的沉管隧道6，其耐久性防护体系由防腐涂层、牺牲阳极的阴极保护及腐蚀裕量 3 部分组成7，其设计使用寿命为 100 年.沉管隧道置于后期不易检查和维护的回填石和海底海泥区域，钢壳混凝土沉管隧道钢壳外壁处于复杂腐蚀环境中，在制造和安装过程中涂层缺陷、回填石块造成的冲击及海水对涂层的老化侵蚀等综合因素影响下，形成了“复杂体系”的电化学腐蚀过程78.目前国内外对沉管钢壳结构外壁在复杂海洋环境中多种因素作用下的电化学腐蚀机理及腐蚀发生发展规律研究较少，故针对深中通道钢壳混凝土沉管的严苛服役环境及超高的耐久性要求等诸多特征，开展研究揭示沉管钢壳外壁在海洋环境下的腐蚀机理及腐蚀发展规律，对保障沉管隧道钢壳长寿命耐久性具有重要意义.海水侵蚀会降低海洋工程钢结构的强度，严重影响钢结构的安全性能和使用寿命.海洋环境腐蚀情况十分复杂，受水温、盐分和 pH 等因素的影响912.目前常用的海洋工程钢腐蚀环境评价方法为实海挂片试验法，但实海挂片试验方法时间长、成本高且存在试样丢失的风险，不能适应新型工程钢材料的推广应用，因此可以采用实验室模拟加速试验方法在短时间内对海洋工程钢的耐腐蚀性进行研究和评价.国内外的海水模拟加速试验大多是采用搅拌和加热的方式，如实况海水冲刷腐蚀实验13、周浸和干湿交替复合循环和湿热交替等加速腐蚀实验1415.综合多方面考虑，通过搅拌和加热的方式进行模拟加速效果均受到一定限制.本文通过加入去极化剂增加了阴极去极化作用，从而达到了加速腐蚀程度的目的.为减小试验误差，开展为期 1 年的室内腐蚀模拟加速试验及电化学分析测试，对深中通道沉管隧道钢壳所用 Q390C 钢在模拟海水条件下的腐蚀行为进行了分析和探讨.1试验方法试验材料为低合金钢 Q390C，综合力学性能好，焊接性、冷加工性能和耐蚀性能好，并具有良好的低温韧性1617，其主要化学成分见表 1，电解质为模拟海水.腐蚀试样尺寸50mm13mm3mm，电化学试样尺寸 10mm10mm3mm，背面用铜导线连接并用环氧树脂密封，工作面积为 1cm2.电化学测试设备为 PARSTATP3000A 电化学工作站，使用三电极体系，参比电极为饱和甘汞（SCE），辅助电极为铂片.为了模拟 Q390C 钢的使用环境，使用基于 ASTMD11141-98 标准1819的人工海水作为试验溶液.该溶液的化学成分包括 24.53gL1NaCl、11.10gL1MgCl26H2O、4.09gL1Na2SO4、0.20gL1NaHCO3、0.70gL1KCl、1.16gL1CaCl2、0.10gL1KBr.试验采用人为添加溶解氧质量浓度为 15.2mgL1来加速试验的进程20，用溶解氧仪测定海水中的溶解 O2浓度，模拟海水溶液 pH值参考实际海水参数为 7.88.2.依次采用 240#、400#、600#、800#和 1200#砂纸研磨试样表面，然后用蒸馏水和无水乙醇擦拭，用精度为 0.01mg 的分析天平称量各试样的原始表表1Q390C 的化学成分(质量分数)Table1ChemicalcompositionofQ390C%CSiMnSPCrNiTiVAlFe0.200.501.700.030.030.300.500.050.130.015Bal.942工程科学学报，第45卷，第6期质量21.试验过程中设定的时间周期为 1、7、15、30、90、180 和 365d，每个试验周期有 3 个平行试样，试验温度为 25.试验采用挂片法，试验设备为自制试验箱.试验结束后依据 GB/T16545201522采用化学除锈法清除试样表面腐蚀产物，除锈溶液的成分组成为 0.5LH2O+0.5LHCl+20g 六次甲基四胺，除锈后用水和无水乙醇清洗，冷风吹干2223，干燥 1d 后，用分析天平称