特大型桥梁除湿系统维护管理技术研究

摘要：除湿系统的广泛应用成功解决了钢结构大桥在长期处于较高湿度环境下出现较为严重腐蚀的现象。随之而来，除湿系统的日常维护和管理也成为了桥梁养护关键点之一。文章以湿度与钢结构腐蚀的关系及除湿系统基本工作原理为基础进行分析，探讨了除湿系统预防性养护技术，保障除湿系统长周期健康安全稳定运行的新课题。

关键词：特大型桥；除湿系统；预防性养护；湿度；腐蚀速率 文献标识码：A

中图分类号：U445 文章编号：1009-2374（2016）33-0092-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.046

进入21世纪以来，悬索大桥、斜拉桥、拱形桥、高架桥、钢箱梁结构高速公路等几十座大型各种钢结构大桥如雨后春笋般地在我国江、河、湖、海上建起，钢结构大桥的管养成为行业倍加关切的新课题，由于钢结构桥梁的特殊结构，湿度、温度和气压成为桥梁内部环境控制的重要指标。21世纪初，我国在大型钢结构桥梁中采用除湿系统进行干燥除湿防腐保护，使所有钢体内部接触的空气的相对湿度被控制在低湿范围内，从根本上降低钢箱梁、锚室、鞍室、缆索、索塔内部腐蚀生锈的可能性，以确保大桥的设计寿命及安全使用。因此，除湿系统维护的好与坏直接关系到桥梁的使用寿命和结构安全。为此，从钢结构的腐蚀原理出发认识湿度对于钢结构腐蚀的重要性；从除湿系统的基本结构和工作原理出发构建对除湿系统的基本认识；从如何提高除湿系统维护管理水平出发，保障除湿系统长周期安全稳定运行，最终达到保障桥梁结构安全延长使用寿命的目的。

1 湿度与钢结构腐蚀的关系

1.1 湿度的定义

绝对湿度：是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义，因为空气中能够含有的水蒸气的量随温度而变化，在不同的温度下绝对湿度也不同，因为随着温度的变化空气的体积在此变化。但绝对湿度越靠近最高湿度，它随温度的变化就越小。

相对湿度：是绝对湿度与最高湿度之间的百分比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。

1.2 钢结构腐蚀的基本过程

钢结构的腐蚀主要有大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀。其中大气腐蚀是最为常见和最为主要的腐蚀方式，主要原理：在潮湿的空气里，钢铁的表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量的氢离子与氢氧根离子，还溶解了氧气等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好在钢铁表面会形成无数微小的原电池，又由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行，也称原电池反应。钢铁制品在大气中腐蚀的主要方式是吸氧腐蚀和析氢腐蚀。反应过程如下：

第一，析氢腐蚀（钢铁表面吸附水膜酸性较强时）

反应方程式：Fe+2H2O=Fe（OH）2+H2↑

第二，吸氧腐蚀（钢铁表面吸附水膜酸性较弱时）

反应方程式：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

第三，氧化反应[析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的Fe（OH）2被氧所氧化]

反应方程式：4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3

第四，脱水反应[Fe（OH）3脱水生成Fe2O3铁锈]

反应方程式：4Fe（OH）3=2Fe2O3+6H2O

结论：钢铁的腐蚀过程离不开介质“水”。

1.3 湿度与钢结构腐蚀速率的关系

钢材的腐蚀速度与环境、湿度、温度以及有害介质的存在有关，从上述钢结构腐蚀的基本原理中发现钢铁的腐蚀过程都离不开介质“水”，因此环境中水蒸气的含量和湿度是钢结构腐蚀的决定性因素之一。

湿度和钢材腐蚀速率的关系如图1所示：

结论：大气的相对湿度在60%以下时，钢材的腐蚀是很轻微的，但当相对湿度增加到某一数值时（如图1所示，当达到60%以上时），钢材的腐蚀速度会突然升高，这一数值称为临界湿度。

2 除湿系统的基本结构和工作原理

2.1 特大型桥梁除湿系统的基本结构

由除湿机、混合箱、排风系统、湿度采集系统和控制系统五部分构成。

除湿机由干燥转轮、加热器、处理风机、驱动马达和再生风机五个构件构成，同时干燥转轮按照功能又划分为处理区域、再生区域、热回收区域三个区域。

2.2 除湿系统基本工作原理

除湿机工作原理：需要被处理的空气（处理空气）吹入转轮的处理区域，其结构为很多细小的空气通道，它是一种特殊的耐热材料作为母体制成的，并且母体上附着了硅胶和氯化锂这种独特的设计使干燥转轮具有巨大的吸湿表面和紧凑的外形。这些吸湿材料从空气中吸收水分，从而使经过的空气变成干燥空气并从转轮的另一侧送出。同时，一股被隔开的气流（再生空气）被加热并吹入转轮的再生区域。这股经过加热的空气使得转轮再生区域内的水分蒸发，从而使这股空气本身吸湿而变成湿空气并排到湿度控制空间以外，在上述过程进行的同时，转轮一直是在缓慢的旋转（大约每小时10转）。这使得总有一部分需要再生的转轮由经过加热的再生空气获得再生；再生后的转轮又转到处理区域与处理空气相接触并进行吸湿，使得除湿过程成为一个连续循环的过程。在再生区域增加了热回收区域，因此可以使15%的再生能耗得到回收。

除湿系统的工作原理：通过智能型湿度仪实时监测环境湿度，当湿度达到启动阈值时，除湿机启动，处理空气在进行除湿处理后在达到要求标准后，干燥空气进入混合箱（保证向空间区域送风的压力平衡），湿空气排出湿度控制空间以外，再通过送风机将干燥空气送入湿度控制区域，并往复循环启动，保证湿度控制区域始终控制在要求范围内。

根据统计发现：由于桥梁特定的地理位置周围空气湿度基本处于超标环境；除湿系统的运行时间每日每台达3小时，运行非常频繁；由于频繁启动、运行时间较长及运行环境恶劣，除湿系统故障率较高。

3.2 除湿系统维护管理模式及现状

科学的设备管理是设备全系统、全效率、全方位、全寿命周期的综合性的、系统的学科，国际上设备管理体系的历史进展可分4个阶段——事后维修管理阶段、设备预防性管理阶段、设备系统管理阶段、设备综合管理阶段。由于除湿系统受安装地点的限制，目前主要的维护和管理手段：运用远程监控系统对除湿系统运行情况进行监控，发现问题及时进行处理的一个方式，完全属于事后维修管理阶段；管理上严重缺乏定期巡查、定期维护保养、定期检测和养护规划等预防性养护技术措施。对如何采取预防性维护以及对除湿系统预防性养护的内容、范围和频率没有系统和科学的认识，因此个人认为如何对除湿系统进行预防性养护，变被动维修为主动防护，降低设备故障的发生频率，提高设备的运行效率，提高设备的寿命周期是做好除湿系统各项维护工作的重中之重。

3.3 除湿系统预防性养护技术措施

3.3.1 定期巡查：每月一次进入设备安装现场，对除湿设备外观、环境、运行状态的巡视或简单的功能测试（详见表5）。

3.3.2 定期维护：按照设备运行要求，定期进入设备安装现场，为防止出现突发故障，延长设备寿命，对除湿设备进行采取必要的维护措施。如除尘、更换皮带、更换过滤网、加注润滑油、拆解维护等大、中、小修维护项目，使系统设备处于更好的工作状态，降低系统故障率的技术措施（详见表5）。

3.3.3 定期检测：按照设备设计规范和运行要求，定期进入设备安装现场，测试各项性能指标，对除湿系统进行功能定级，为预防性维护、申请更换设备零部件或整改提供维护维修依据（详见表5）。

3.3.4 统计分析及养护规划：按照设备标准化管理模式建立设备档案，对设备运行情况、故障情况、检修情况及检测情况做原始性、准确性和全面性的记录。为全面把握系统状态，改善系统的可靠性和降低故障率提供基础数据；为有效控制维护成本提供客观的基础分析；为设备更新换代及设备养护规划提供科学决策依据。

4 结语

湿度决定了钢结构防腐的成与败，同时也影响着钢结构自然使用寿命；除湿系统的长周期安全稳定运行决定了钢结构内部的湿度。因此，除湿系统的维护和管理必将成为钢结构桥梁养护的重中之重。我们作为桥梁的管理者，只有从思想上重视，从实际中抓落实，从技术上下功夫，实现除湿系统预防性养护的科学化、规范化、专业化和信息化管理，才不辱我们作为桥梁守护者的使命。

参考文献

[1] 刘福云，邢峻，周海玲.室内潮湿状态下钢结构的腐 蚀与防护[J].钢结构，2008，（4）.

[2] 周敏，魏厚培，张华.现代设备工程学[M].北京： 冶金工业出版社，2011.

[3] 南京长江第二大桥、南京长江第四大桥除湿系统设计 文件及竣工资料[S].

作者简介：张焱（1972-），男，江苏丹阳人，南京公路发展集团工程技术部副经理，中级工程师（电气），研究方向：电气技术或电气自动化。

（责任编辑：王 波）