137-悬索桥主缆除湿系统研究

悬索桥主缆除湿系统研究解放军理工大学缪小平彭关中贾代勇范良凯隋鲁彦摘要简述了国内外悬索桥主缆防腐蚀传统技术及其缺点，论述了悬索桥主缆通干燥空气除湿防腐新技术，通过送气管和送气罩将干空气送入主缆空隙，干空气在主缆空隙内流动，带走主缆内的水分，干空气变成湿空气从排气罩排出，降低主缆内空气相对湿度，从而避免主缆钢丝腐蚀。重点阐述了悬索桥主缆除湿系统设计方法，分析了除湿系统设计需要考虑的主要因素，探讨了相关设计参数的取值范围；对某待建悬索桥设计了主缆除湿系统，确定了合理的送气长度、干燥时间、送气流量及送气压力，并对主缆除湿系统进行了设备选型。关键词悬索桥主缆腐蚀除湿系统通风干燥1引言悬索桥造型优美，跨越能力大，是大跨径和特大跨径首选桥梁的结构形式。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。美国纽约市运输局在最近出版的一份关于悬索桥缆索状况的报告中得出结论：“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锈蚀，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；传统的主缆腐蚀防护技术只能减缓腐蚀速度，而不能彻底阻止腐蚀。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，有效地阻止了主缆钢丝腐蚀。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。2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[1]，主要采用以下三种方法：一是圆钢丝缠绕涂层法（19世纪40年代早期由JohnReobling开发）；二是合成护套防护法（20世纪60年代早期由Bethlehem钢铁公司和DuPont化学公司开发）；三是S形缠绕钢丝代替圆形钢丝。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，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，只是减缓了腐蚀的速度；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。3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5.3mm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。过滤除湿送风冷却送气管送气罩排气罩主缆图1主缆除湿系统的工作流程主缆除湿系统包括除去微颗粒的过滤装置，除去空气中水分的转轮除湿机，把空气送入送气夹的罗茨鼓风机，对干燥空气进行冷却的后冷却系统[2]。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，用罗茨鼓风机加压到大约10～220kPa（0.102～0.204kgf/cm2），然后通过后冷却器冷却到60℃以下，通过管道分流送入每一个送气夹，气流流量通过送气夹的调节阀调节至规定值，并从送气夹送入主缆，主缆除湿系统送气处理过程见图2。过滤器处理风机再生风机除湿转轮再生罗茨鼓风机吸湿后冷却器再生加热器图2主缆除湿系统送气处理过程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、国内的润扬大桥均安装了主缆除湿系统。4主缆除湿系统设计4.1设计考虑的主要因素4.1.1主缆内部状况主缆内部潮湿空气一般由两种原因造成，一种是主缆架设过程中雨水和水气的进入；另一种是除湿系统运行时外部潮湿空气和大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。外部潮湿空气和大气中的水分在一定程度上由于主缆表面的缠丝和索夹的密封而难以进入主缆，而且在主缆除湿系统运行时，主缆内外压差始终为正，也利于阻止湿气的进入。桥梁建成后，特别是除湿系统开始工作后，进入主缆内的湿气可以忽略不计；有关资料表明，日本明石大桥、国内润扬大桥在主缆架设过程中侵入的水分要大于建成后外部新进入的湿气。4.1.2主缆内气流分布主缆由索股、索夹和防护系统等组成，结构上很难让主缆达到完全气密，干燥空气在主缆内部通过，会从局部渗漏。出气口的空气流出量取决于入口处的空气流量、压强、泄漏率以及气流通过的距离。主缆内的干燥速度会随着主缆内气流总量的变化而变化，主缆内的气流量需要通过详细的计算来确定。4.1.3吸入空气条件悬索桥周围的空气被吸入除湿机，除湿后的干空气由罗茨鼓风机送入主缆，除湿机处理后的干空气的温湿度取决于悬索桥周围空气的温湿度，因此在主缆除湿系统设计过程中需考虑悬索桥所处位置的温湿度状况。悬索桥所处的腐蚀环境是大气环境。大气按温度高低可分为寒、温、亚热及热带。按大气所含污染物不同可分为乡村性大气、城市和工业性大气及海洋性大气；化学腐蚀和电化学腐蚀温度越高,水份越丰富时越是发展较快,因此地处亚热及热带地区较寒温地区腐蚀要快[3]。城市及工业区大气含有较多的燃烧废气SO2、CO、CO2,海洋大气中有较多NaCl和MgCl2颗粒[4]。如果悬索桥处于海洋大气环境中，空气中的含盐量较大，进入除湿机干燥的空气需要先除去空气中含有的盐份。4.2设计参数（1）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）主缆由很多根5.0~5.5mm的钢丝组成，主缆中钢丝之间有很多小的空隙，主缆的表面有缠丝和涂装防护，在索夹位置通过敛缝来保证气密性，通过这些主缆结构阻止了外界水分的进入，然而，要使主缆完全气密是不可能的，主缆与外界之间仍会有少量的空气交换。因此，向主缆内输送的气流通过主缆表面会有一定程度的泄漏，根据明石、来岛和润扬大桥的设计经验，泄漏量取0.005/m。（3）根据明石、来岛和润扬大桥的设计经验，送气夹内空气压力应不大于3000Pa。（4）干燥时间取决于送气长度、空气泄漏率和送气流量，干燥时间按一年进行设计。（5）经转轮除湿机除湿升温后的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%。4.3主缆除湿系统设计4.3.1送气长度送气长度即为送气夹与出气夹之间的距离。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[2]。表1明石大桥、来岛大桥及润扬大桥的送气长度悬索桥主缆直径最小送气长度最大送气长度明石大桥1122mm78m115m来岛一桥431mm92m183m来岛二桥653mm109m143m来岛三桥636mm122m163m润扬大桥912mm161m212m基于该悬索桥的跨径，送气长度的水平距离分别取120m、150m和195m；送气长度及送气设备布置见图3。送气罩排气罩除湿设备mm图3送气长度及送气设备布置4.3.2存水量计算主缆单位长度存水量计算公式：2w=D41式中：w为主缆单位长度存水量，kgm；D为主缆直径，m；为主缆空隙率；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，主缆内水分保持为：2w=0.72140.20.0514.083kgm主缆空隙率为20%，主缆内存水量按空隙的7.5%计算，主缆内水分保持为：2w=0.72140.20.07516.124kgm4.3.3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是不变的。主缆泄漏量示意图见图4。0123n-1nQq1q2q3qn-1qn图4主缆泄漏量示意图在图4中，初始气流量为Q，泄漏量是iq，设泄漏率为x，则泄漏量：1iiqxQ每一段气流量和泄漏量可以表示为：1iixQQ(1)11iixxqQ(2)4.3.4干燥时间计算温度为20℃时，空气饱和含水量为17.2g/m3，因此，如果相对湿度由30%变化到100%，1m3空气内所含水分增加量可近似表示为：317.21003010012.04agm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i通过的空气流量为iQ，则干燥时间可用下面的公式表达：iitWaQ(3)如果基于上述公式，干燥某一长度区间l的时间可以按下式计算。iTWadlQ(4)当泄漏量为零时，各断面的流量为常数，此式可改写成：iTWlaQ(5)4.3.5送气流量及送气压力计算设定干燥时间为一年，已知送气长度，根据公式（1）～（5）可计算出所需的干燥空气流量；送气夹送气压力根据主缆沿程阻力、局部阻力公式进行计算[5,6]，计算结果见表2。表2送气长度、送气流量、送气压力间的关系送气长度（水平）送气长度（倾斜）存水率时间泄漏率0.0/m泄漏率0.005/m泄漏率0.01/m送气流量（m3/min）送气夹送气压力（Pa）送气流量（m3/min）送气夹送气压力（Pa）送气流量（m3/min）送气夹送气压力（Pa）1201227.5%1年0.1189350.16311350.23314421501555%1年0.10011020.15214140.24219451952105%1年0.13517930.24126130.4684459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150m和195m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，150m和195m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，送气流量可按以下取，送气长度为120m、150m和195m的送气流量分别取0.3m3/min、0.3m3/min、0.4m3/min。4.4设计方案分析4.4.1送气设备位置及气流量由3.3.4节可知，送气水平长度为120m、150m和195m所需的送气流量分别为0.3m3/min、0.3m3/min和0.4m3/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除湿机组安装位置气流量送气段数量气流量/送气罩数量A主塔内2.8m3/min120.8m3/min×2个送气罩+0.6m3/min×2个送气罩B钢箱梁内2.4m3/min80.6m3/min×4个送