新型高分子材料在长江口深水航道北堤5号灯桩上的应用研究

摘要：东海海域传统的灯桩大都采用钢制结构，但随着时间的推移，钢制结构受到恶劣气候、海洋环境和常规磨损的影响，需要定期的维护和保养以确保其性能和安全性。本文通过长江口深水航道北堤5号灯桩改造后效果评价，分析新型高分子材料在灯桩建造上的优劣势和实用性，为新型高分子材料在海上导航和海洋安全领域的适用性，提供参考。

关键词：高分子材料；传统灯桩；应用实践

0 引 言

传统上，灯桩的维修和保养通常依赖于金属材料和传统维修工艺。然而，金属材料抗紫外线能力、着色能力以及抗腐蚀能力，在复杂海域的条件下，无法具有持久稳定性。随着科技进步，新型高分子材料的出现引发了在这一领域进行深入研究的兴趣。玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、聚合物复合材料/聚氨酯（PU）这些高分子材料具有出色的耐腐蚀性、抗紫外线性能、轻质化特性以及可定制性，为灯桩的维修和保养带来了全新的机遇。通过对各种高分子材料特性的对比和选择，长江口深水航道北堤5号灯桩改造最终选择以桩体中间灌装聚氨醋、桩身采用线性低密度聚乙烯材料的方案进行改造和探讨。

1 灯桩的技术要求

灯桩是一种海上导航助航设施，它通过发出特定频率和颜色的灯光信号，帮助船只在夜间或能见度低的情况下识别方向和避开危险区域。灯桩可以是独立的塔形结构，也可以是建在岛屿、岩石或其他固定物体上的。它们是9xXQy+Oqn9Svzug8PWjwB0r1Rpt2c5D0HmXQyc8uzDI=海上交通安全的重要组成部分，对于指引船只安全航行、避免触礁和搁浅等事故起着至关重要的作用。

根据《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》《海区航标效能验收规范》等相关技术规范，灯桩的建造需符合位置、灯质、涂色、结构等验收指标外。由于灯桩是重复建造的建筑类型，按照统一的建筑模数、建筑标准、技术规定等进行设计在基本满足使用要求和修建条件的情况下，尽可能具有通用互换性。新型高分子灯桩系列化设计有益于工程建设节约设计费用，使工程工艺定型，容易提高工人技术水平，工程建设质量得到保证，并能工程建设施工进度大大加快，有利于生产成本的大幅度降低。

2 传统钢质灯桩面临的困境

钢管灯桩腐蚀程度高，影响灯桩使用寿命是传统钢质灯桩面临的最主要困境。钢铁在海洋环境中的腐蚀很不均匀，在浪花飞溅区的腐蚀最为严重，约是海水全浸区的 3〜10 倍。钢材普遍采用“涂层覆盖+阴极保护技术”进行防护，在服役 3〜5 年后，出现局部锈蚀现象，一般6〜10年后，锈蚀严重，进入大修期，如图1所示。但长江口海域工况恶劣，浪花飞溅区2年左右出现大规模锈蚀，而灯桩桩身一旦发生严重的腐蚀破坏，会大大缩短使用寿命。同时，浪溅区钢管表面色脱落严重，降低了航标助航效能，增加维护难度，提高船舶及人力的维护成本。

3 高分子材料的特性与选择

在选择高分子材料时，必须综合考量该材料的强度和刚度，确保材料具有足够的强度和刚度，以支撑和稳定灯桩结构；鉴于灯桩通常在恶劣环境条件下运行，材料必须具有良好的抗腐蚀性，以防止损害，耐腐蚀性也是必须考量的因素之一。同时，因灯桩长期处在条件恶劣的海浪和阳光暴晒下，容易颜色褪色和表面劣化或受到船舶碰撞或其他物理伤害，还应考量其耐紫外线性、耐磨性和温度稳定性，以确保该材料是可行的。综合考量性能、成本和环境因素，并进行实际测试以验证其灯桩维修中的可行性。这样可以确保维修工作的质量、可持续性和经济效益。这些类型包括但不限于以下几种：

玻璃纤维增强塑料（GFRP），常用于制造耐候性和耐腐蚀的构件，由塑料基体和玻璃纤维增强材料组成，具有出色的耐腐蚀性、轻量化和高强度。

碳纤维增强塑料（CFRP）： 类似于GFRP，CFRP也是一种复合材料，但其使用碳纤维增强材料。它通常比GFRP更轻且具有更高的强度，但也更昂贵。

聚合物复合材料： 这包括各种聚合物基体与增强材料（如纤维或颗粒）的组合。聚合物复合材料可以根据需要进行定制，以满足不同应用的要求。

聚氨酯（PU）： PU是一种弹性聚合物，具有出色的抗冲击性和耐磨性。它可以用于制造灯桩底座或防撞保护部件。

4 长江口深水航道北堤5号灯桩应用实例

长江口是长江黄金水道的咽喉，河势复杂多变。作为世界巨型河口航道治理的典范，长江口的工程建设者们通过整治与疏浚相结合的总体方案，通过实施一系列的重大工程，取得了良好的整治效果。随着深水航道工程建设实施以来，助航设施建设一直及时跟进，为长江口船舶的通航提供了可靠的保障。但长江口工况恶劣，现有灯桩受地基影响、海况环境影响以及船舶通航影响，出现结构安全性降低、腐蚀速度高、表面色脱落快等现象，导致助航效能大幅降低，维护成本高启。

北堤5号灯桩充分考虑了长江口航道的使用条件和要求，为确保其稳定性、耐久性和安全性并延长灯桩的使用寿命，减少了维护成本，选择了以下方案，如图2、图3所示：

首先，材料方面，浮筒使用线性低密度聚乙烯材料是明智之举，因为它具有高强度、轻质、耐腐蚀等优点。这对于灯桩的浮力和稳定性至关重要，尤其是在海洋环境中；中间灌装聚氨醋的方式是一项有益的设计，因为它有效地隔离了海水和紫外线，减少了对灯桩的腐蚀和损坏。这有助于延长灯桩的使用寿命，并减少维护成本。结构材料使用不锈钢材料是合理的选择，因为它具有良好的塑性和焊接性，这有助于确保灯桩结构的耐久性和稳定性。

连接和荷载性能，爬梯连接和固定采用四角固定处和一体成型烧制内衬钢管的方法增强了连接强度。这确保了工作人员登爬时的安全性，并延长了使用寿命。灯桩爬梯的安全负载为1吨，这确保了在必要时，人员和设备能够安全登爬和维修灯桩。

最后，在结构改造方面，浮筒外形结构将浮筒的凸台和内凹设计形成了集牟结构，这有助于防止海水灌入桩体。这是一项关键设计元素，可以保护灯桩的稳定性和长期性能；浮筒结构采用三层结构的浮筒设计非常有趣，尤其是内部填充聚氨醋发泡。这种结构有助于增强壳体和聚氨醋之间的黏结，规避了缩壳的问题，从而提高了浮筒的耐久性。采用新型工艺处理和高强度不锈钢内衬以及浮筒烧制成一体的方法，增强了浮筒组合的强度。这确保了灯桩的可靠性，尤其是在承受额外载荷时。

5北堤5灯桩改造后效果评价

通过北堤5号灯桩的改造案例（见图4），线性低密度聚乙烯（LDPE）结构灯桩在改造的过程中，有以下明显的优点：

轻质化： LDPE结构灯桩非常轻，相对于传统的钢筋混凝土结构灯桩来说重量较轻。这使得它们更容易安装和维护，减少了建造和维护的成本。

易加工性： LDPE是一种易于加工和成型的材料，可以制造出各种形状和结构的灯桩。这使得定制化设计变得更加容易。

环保： LDPE是可回收材料，有助于减少废弃物的产生，并降低对有限资源的依赖。这符合可持续性管理的原则。

结构多样性： LDPE结构灯桩可以设计成多种形状和颜色，以满足不同导航需求。它们通常具有醒目的颜色和可见性，有助于导航。

易于安装： 由于其轻质化，LDPE结构灯桩的安装相对容易，通常无须使用大型吊装设备。这降低了安装成本和难度。

经过一段时间试运行，航标现场巡检发现新型高分子材料应用的桩身颜色更加醒目，避免了因表面油漆脱落造成桩身颜色暗淡情况的发生，桩身结构耐腐蚀性及抗紫外线性能得到了进一步验证。桩身模块化结构设计以及材料的多种可塑性，安装相对容易，对后续灯桩结构改造更加有利，大大提高维修效率。在海上恶劣环境下，具有较好的耐磨性，可以更好地延长了改造后灯桩的使用寿命，进而降低了维护成本。通过对北堤5号灯桩桩身新型高分子材料现场改造试验，目前整体效果良好。

6 结 论

灯桩通常建设在沿海及有人或无人的艰苦岛屿上，对材料施工的适用地点要求极高。传统钢筋混凝土材质适用于近海口岸及重型机械设备能够到达的地方，铝合金材质适用于可搭设大型脚架并且工期较充裕的近海及有人岛屿，线性低密度聚乙烯结构灯桩具有轻质、耐腐蚀、抗紫外线、环保、易加工、易安装等特点，适用于环境极端艰苦且要求短时间内完成的无人岛礁。高分子灯桩作为一种经济实用、环保绿色的新型材料灯桩，技术可靠，工艺先进，施工方便，绿色环保，为灯桩建造、管理、养护等方面带来良好的工作成效，在航海保障中将发挥积极的作用，行业应用前景广阔。

参考文献

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[2] JT/T 759-2009，海区效能验收规范[S]，2009.

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[5] 贾云帆，徐艳.采用新型高分子材料的球钢支座摩擦副性能比较和测试方案设计[J].结构工程师，2021，37（4）：25-32.

[6] 苏梦园，申晨，张硕等.新型高分子材料管道创新研究[J].科技创新与生产力，2019（12）：74-76.

[7] 肖湛.新型高分子材料与应用[J].时代金融，2017（33）：253.VIII. 附录

作者简介：

陈磊，学士，工程师，从事航标管理，（E-mail）317942076@qq.com，13636678494