海底隧道排水系統的腐蝕與防護

呂青松,方祖磊,金曉旖

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300133)

我國地域廣闊，海岸線曲折綿長，而海峽就像一道道天塹，將兩岸人民的生活交通、經濟文化分割。海底隧道作為一種全天候的交通方式，是穿越海峽最好的選擇之一，在眾多海峽通道方案中得到廣泛應用。作為連接隔海兩地的百年工程，海底隧道服役于海洋強腐蝕性環境中，隧道內排水系統的服役環境苛刻，且未來的改造難度大，維修成本高，因此，排水系統的耐蝕性是決定隧道運營耐久性的重要因素。近年來，海底隧道排水系統的腐蝕防護引起了隧道工程界越來越多的關注和深入研究。

本工作主要結合國內已建海底隧道工程腐蝕案例，分析了排水系統發生海水腐蝕的主要原因及防護措施，通過比較幾類常見排水管材的優缺點，提出了海底隧道排水系統的防腐蝕重點和建議。

1 海底隧道腐蝕情況

1.1 廈門翔安隧道

廈門翔安隧道是我國大陸首條獨立設計、施工的海底隧道，于2005年4月開始建設，2010年4月開通運營。隧道全長8.7 km，其中海域段4.2 km，采用鉆爆暗挖法修建，最大開挖斷面為170 m2，屬于典型超大開挖斷面隧道。廈門翔安隧道的排水系統采用“單級收集，單級提升”方案，在隧道最低點設置海底泵房，收集全線隧道的廢水，經排水泵一次性提升排出隧道。排水主管材采用內外涂環氧螺紋鋼管，目前整體使用良好，無明顯腐蝕，但普通碳鋼管道的附件腐蝕嚴重，直接銹穿。海底泵房內個別管道采用316L不銹鋼管，整體效果良好，但焊縫接頭處有明顯腐蝕，見圖1。

(a) 整體情況 (b) 碳鋼管道的附件 (c) 316L不銹鋼管

1.2 青島膠州灣隧道

青島膠州灣隧道是山東省青島境內連接黃島區與市南區的過海通道，于2006年12月開始建設，2011年6月開通運營，是大陸第二條海底公路隧道。隧道全長6.17 km，其中海域段3.95 km，采用鉆爆暗挖法修建，下穿膠州灣灣口海域。青島膠州灣隧道排水系統采用“分級收集，多級提升”方案，全線共設置三座廢水泵房，在隧道最低點設置海底泵房，隧道兩端分別設置廢水泵房，利用“接力”的形式排除隧道廢水。排水管材采用縮合式襯塑鋼管，目前整體狀況良好，但管道連接處和外層防腐蝕涂料涂抹不到位的區域存在腐蝕現象，需定期巡檢維護。

(a) 整體情況 (b) 局部腐蝕情況

2 海水腐蝕原因

海水鹽度、pH、溫度、溶解氣體流速、微生物以及污染等因素的交互作用，使海水對管材的腐蝕成為一個極其復雜的過程。通常來說，海水腐蝕原因可分為海洋生物污損和化學腐蝕兩大類。

2.1 生物污損

海洋生物污損是指生長在海水中的生物(包括動物、植物和微生物等)，通過附著、聚集等方式給人類海洋工程帶來負面效益的現象。海洋生物污損不僅降低了設備的使用性能，還會影響設施和材料的有效運行。據統計，與海洋微生物附著有關的材料腐蝕占涉海材料腐蝕總量的70%～80%，參與金屬腐蝕的微生物主要有細菌、真菌及藻類，尤其以細菌造成的腐蝕最多[1]。

海底隧道排水管道通常采用金屬管材，而海水中參與金屬腐蝕的微生物主要有硫酸鹽還原菌、鐵細菌等，硫酸鹽還原菌引起的腐蝕約占整個海洋生物污損的一半，是最重要的腐蝕微生物，這類海洋微生物會加速金屬管道的電化學反應，破壞管道的表面保護層，造成管道系統發生腐蝕泄漏。研究表明，海洋微生物引起的局部腐蝕破壞率高達1 mm/a[1]。

海底泵房位于隧道最低點，一般靠近隧道中部位置，距離兩端風井較遠，故隧道排水系統呈現長距離高承壓的特點。為了降低排水管道的沿程水損，通常會犧牲流速，這就容易造成泥沙淤積，滋生的微生物附著在管道內壁對管材造成點蝕。同時管道內流動的泥沙容易對防腐蝕涂層造成損傷，且不易被發現，這增加了管道系統的腐蝕風險[2]。

2.2 化學腐蝕

海底隧道排水系統主要用于輸送的介質為滲漏水和消防水，海水中的腐蝕性離子主要有氯離子、鎂離子、鈣離子、硫酸根離子等，其中對排水系統腐蝕最嚴重的是氯離子，且腐蝕位置多發生在焊接接頭處。對廈門海底隧道和青島膠州灣海底隧道周邊圍巖的水質進行分析(見表1)，發現同一海底隧道兩端近海域位置地下水中的離子含量變化很大[3]，對于分級提升的排水系統，排水管道的防腐蝕要求宜結合水質情況分類考慮。

表1 廈門過海隧道與青島膠州灣海底隧道周邊圍巖的水質分析結果

3 防腐蝕對策

3.1 管材選擇

從排水管材自身的物理、化學性質出發，宜選擇耐蝕性較好的材料，通常為銅合金和不銹鋼。

銅合金材料很少受海洋生物污損，在海洋、船舶、電力等領域應用較多。但是銅合金管材價格昂貴，安裝維護復雜，不適用于海底隧道排水系統。

不銹鋼管材具有良好的耐熱阻燃性，安裝方便，且其在海水中的腐蝕速率隨浸泡時間的延長呈現下降趨勢，防海水腐蝕性能優異。然而，低級別不銹鋼的抗點蝕能力偏弱，易出現穿孔泄漏。2205不銹鋼的抗腐蝕性能雖然優于奧氏體不銹鋼，但由于價格昂貴，推薦在海底泵房內的重要設備上應用。表2所示為兩種常用不銹鋼的合金元素含量[4]。

表2 不銹鋼材料的合金元素含量[4]

3.2 涂層防護

管道的涂層防腐蝕是在金屬表面上形成一層絕緣的連續覆蓋層，將金屬與海水進行絕緣(防止海水直接接觸到金屬)，即設置一個高電阻使電化學反應無法正常發生，是排水管道最常用的防腐蝕措施之一。新型綠色涂層材料應是同時具備生物毒殺和防止海洋生物附著的天然防污化合物。

目前常見的涂層防護技術分為管道外防腐蝕和內防腐蝕技術。其中,外防腐蝕涂層材料的優缺點對比見表3。

表3 管道外防腐蝕涂層材料的優缺點

管道內防腐蝕措施主要為內襯和內涂防腐蝕涂層。管道的內襯和內涂防腐蝕涂層，需要預制，待管道整體內防腐蝕處理完成后，再運至施工現場進行安裝，安裝過程中稍有不慎，就需重新切割焊接管材，易造成防腐蝕層發生損壞。

管道現場接頭的防腐蝕也是影響管道防腐蝕效果的重要因素。制得良好的接頭補口，要求管道表面處理等級至少達到Sa2.5，且選用高質量熱縮帶材料，并達到管體涂層性能，推薦采用無縫鋼管代替焊接鋼管。

3.3 電化學防護

海水作為一種中性電解質溶液，管道在海水中主要發生吸氧腐蝕，反應見式(1)：

(1)

電化學防腐蝕作為涂層防腐蝕的一種補充手段，通常有犧牲陽極法和外加電流陰極保護法。犧牲陽極需要有足夠負的開路電位和閉路電位，常用的犧牲陽極材料有鋁合金、鋅合金和鎂合金，其中鋁合金材料的使用壽命長，適用于海底管道，尤其鋁-鋅-銦系合金的應用最為廣泛。

海底隧道排水管道可通過鋼芯直接將陽極焊接在管體上，對焊接影響區進行徹底清理，暴露的鋼表面采用熱縮帶等進行防腐蝕。陽極內表面和端面應涂厚度大于100 μm 的浸沒級環氧涂層，陽極外表面不能有涂層和其他物質[5]。

4 常見管材性能對比

由于長期服役于高鹽、高濕的強腐蝕性環境中，海底隧道的排水系統需要選擇耐海水腐蝕性優良的材料，特別是日常維護檢修困難的過海軌道交通隧道。國內海底隧道工程常見排水管材有內外涂塑復合管、襯塑鋼管、316L不銹鋼管、內襯外涂復合鋼管等。

4.1 內外涂塑復合管

內外涂塑復合管是以鋼管為基材，在鋼管內、外壁噴涂或滾涂融溶一層厚度為0.5～1.0 mm的聚乙烯(PE )、乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)、環氧(EP)、聚丙烯( PP )等有機物而構成的鋼塑復合型管材。此類管材具有耐海水腐蝕性能好，承壓性能優，價格低廉等優點，設計使用壽命達30 a之久。但由于內、外防腐蝕涂層厚度較薄，實際應用中，存在管道涂層剝離，法蘭接口處涂層受螺栓擠壓破壞等現象，這會造成管道喪失防腐蝕能力。除此以外，該產品的防腐蝕性能受生產工藝、產品質量影響，差異較大。

廈門翔安隧道采用該種管材，以螺紋鋼管為基材，內外噴涂300～400 μm環氧樹脂涂層。實地考察發現，目前管道整體使用良好，管外壁無明顯腐蝕，僅個別涂層破壞處有點蝕現象。

4.2 襯塑鋼管

襯塑鋼管是以鋼管為基管，內壁去除焊筋后，襯入與鋼管等內徑的聚乙烯(PE)管材，最后加壓加熱一定時間成型的復合管材。此類管材的內襯層較厚，價格適中，可避免因管道內防腐蝕層較薄而發生的涂層剝離、損壞。但由于成品襯塑鋼管無外防腐蝕層，需后期涂刷防腐蝕涂料，工程實踐中發現這類管材的外防腐蝕效果一般，需定期維護巡檢。

青島膠州灣隧道排水管道采用縮合式襯塑鋼管，以無縫鋼管為基材，縮合式內襯PE管，外涂防腐蝕涂料，目前整體效果良好，但需定期巡檢維護，現場發現管道連接處和管道外壁防腐涂料涂抹不到位處存在局部腐蝕現象。

4.3 316L不銹鋼管

316L不銹鋼管具有強耐蝕性和高承壓性，且管材自身具備防腐蝕能力，無需涂層。316L不銹鋼管在海水中的腐蝕速率低于0.002 mm/a，且隨著浸泡時間的延長，腐蝕速率程下降趨勢，能夠耐海洋環境腐蝕[6]，同時316L不銹鋼管可切割、焊接，維護方便，承壓性能好，但價格昂貴，在海水浸沒情況下，存在點蝕象。

翔安隧道廢水泵房內個別排水管道采用316L不銹鋼管，其防腐蝕性能明顯強于碳鋼和304不銹鋼。

4.4 內襯外涂復合鋼管

內襯外涂復合鋼管是一種內外涂塑鋼，其通過內涂橡塑(一般為PE)，使其自成管殼，厚度達到襯塑效果，內涂塑管殼壁厚達3 mm，海水在塑料管殼內流動，與外部鋼管分離，避免海水對鋼管的浸入式腐蝕。其外涂層與普通內外涂塑鋼管相仿，可作加強級T3PE處理，亦可采用普通外涂環氧樹脂。

這類管材的優點如下：內涂層厚度可達到3.0～4.0 mm，形成獨立的管體，不因收縮比與線脹系數不同而發生防腐層脫離；外涂層采用3層結構的PE，底層采用與金屬附著好的環氧樹脂。根據以往工程經驗，內外涂塑復合管單一采用環氧樹脂防腐蝕層，由于防腐蝕層韌性不及聚乙烯材料，易在運輸、安裝過程中受到沖擊、碰撞、割劃受損，管材表面的破損點會逐漸擴成腐蝕面，防腐蝕效果大大降低，使用幾年后，就會出現銹蝕情況，所以海底隧道工程設計應重視加強外防腐蝕設計，在環氧涂層的外層再涂覆聚乙烯涂層，給環氧樹脂層增加一層保護，以加強防腐蝕效果的持久性。

上述4種管材的優缺點性能對比見表4。

表4 幾種管材的優缺點比較

5 總結與建議

(1) 隨著新技術、新裝備和新材料的應用，海底隧道排水系統的防腐蝕性能應與時俱進，以實現隧道輕維護，少檢修，高穩定的目標。提高排水系統耐蝕性，對提高隧道的使用壽命，控制投資造價，方便運維管理有顯著作用。

(2) 海底隧道兩端近海域位置地下水中的離子含量變化很大，特別對于分級提升的排水系統，排水管道的防腐蝕要求宜結合水質情況分類考慮。

(3) 對于涂層防腐蝕管材，由于焊接鋼管的接頭位置是腐蝕的薄弱點，建議采用無縫鋼管代替焊接鋼管，并做好接頭補口防腐蝕。

(4) 排水管材應選擇耐蝕性好，施工方便，價格合理的材料，同時也需兼顧排水系統重要程度。