理解钢铁:基础和材料

压钢是用于在钢筋或其他结构元素受到服务负荷之前将压缩力引入钢筋的一类高强度钢。 基本原则是,在钢筋放置之前(加压前)或之后(加压后),将钢筋的强度向上拉近,使钢筋的长度更长、更薄,并改进裂缝控制。

钢本身由AISI 1080或1090等高碳合金制造,这些合金是冷浚或热处理的,以实现产能强度从1,680兆帕(标准钢丝)到2,100多兆帕(预压钢丝)不等,常见的配置包括七线(1×7,1×19),单线和线条. 为加强在侵略环境中的防腐蚀性,前置钢往往涂装环氧、镀锌甚至陶瓷,或者用不锈钢合金如UNS S30400或S31600制成.

使防腐钢对近海和水下使用至关重要的关键属性

腐蚀抵抗和保护系统

近海和水下结构经常暴露在氯化 ⁇ laden海水中,这种海水可以快速降解无防护钢。 现代的防腐钢采用多个保护层:主要金属涂层(如刺激),聚合物层(如聚丙烯或聚乙烯),有时还存在不锈钢配方产生的被动氧化层。 这些系统在设计适当时,即使经过几十年的浸润,也使腐蚀率降低到可忽略不计的程度。

高强度抵抗和肥胖症

强化钢的高抗拉强度使设计者能够使用能降低材料成本和死负荷的细小、轻量级的部件。 同样重要的是其疲劳耐受性,因为海洋结构必须承受数百万个波浪作用、电流和可变活负荷的循环。 钢的微结构 — — 精细珍珠或温和的马滕斯 — — 提供了极好的耐力极限,经常超过1亿个在海上应用中常见的压力范围内的循环。

低放松和诡异的特征

长期因钢松或混凝土蠕动造成的前置损失会损害结构性能。 低前置松动钢(如ASTM A416 270级)经过稳定热处理,在20°C的1000小时后,松动将限制在2.5%以下。 这种特性在深水结构中至关重要,因为重新加热是不切实际的或不可能的。

近海和水下结构的广泛应用

固定近海平台

在重力结构(GBS)和钢夹克平台中,预压混凝土用于亚结构、甲板和基块。预压有助于在深度超过150米时抵御水压,并在地震事件期间提供电阻。 例如,北海的Troll A平台使用预压混凝土船体,高370米,钢质的倾斜以射线方式排列,以高效转移负荷。

浮式生产系统

浮装生产储存和卸载船只、张力-腿平台(TLP)和斜坡浮标包含预加固的混凝土,供船体和锚固附件使用。钢管穿过混凝土的管道,一旦结构浮出水面,就会变张。 这种方法可以降低船体重量,同时在连续六度波浪下保持疲劳寿命。

海底管道和上升器

海底管道往往依靠预加固的混凝土加固层来提供负浮力和机械防护,在这些系统中,钢质的倾斜层嵌入混凝土层,并加固张力,以防止管道铺设作业和随后的海底沉淀过程中发生裂缝,同样,灵活的起重器使用螺旋式的预压钢作为拉伸装甲层,使其能够承受内压和气流和船舶运动产生的轴承。

水下隧道和浸渍管元素

铁管隧道,如奥雷松德连接线或香港祖海艾马考桥,都是用浮在位置上然后沉入准备好的地基的路段建造的。 每个路段都是一个预设的混凝土箱基,纵向钢管为支撑覆水柱和交通负荷提供必要的弯曲阻力。 腐蚀防护至关重要;电管被放置在密封的管道内,后来用沟渠或蜡来排除水分。

海岸保护和海墙

悬浮板堆积和隔膜墙用于港口、防波堤和海岸防护。 这些元素从高瞬间能力中获益,在抵御波浪冲击和冲刷时,可以将其推向30米或以上的深处。 钢质的窗体通常被环氧合起来,并固定在基岩或密集土壤中。

近海可再生能源基金会

随着风力发电场向更深的水面移动,支撑的混凝土重力基和单层基正在日益受欢迎。 钢质基以光圈或环形结构排列,处理涡轮塔和环境力量的弯曲和轴承合负荷。 这一设计降低了基质质量,降低了制造和安装成本。

工程挑战和缓解战略

海洋条件下的腐蚀

最持久的挑战是腐蚀,特别是在喷洒区和涂层可能受损的地区。 氯化物引发的夹层、压力腐蚀裂解(SCC)和氢腐蚀(HE)是危害。 工程师通过在临界区为斜面上加注双倍不锈钢(如2205、2507),应用强固涂层(聚变环氧、特罗韦尔应用乳腺),以及安装带斜阳极或电流的阴极保护系统来抵消这些危害。

高铁中的氢化物

高强度先压钢容易从阴极防护中吸收氢,特别是如果钢保护过严,这会导致延迟断裂。 缓解包括控制应用电流密度,使用耐氢过敏合金,避免镉或锌涂层,在一定条件下产生氢。 测试标准如NACE TM0177, 用于使钢材达到酸性服务。

风波和当前自行车的发音

软钢加载是所有岸外结构的设计驱动力。 压钢在锚地特别脆弱,因为压力集中。 软钢加载的特性,如小号形状的轴承板和楔形抓控的平稳过渡,都是必不可少的。 使用磁粒子测试(MPT)或超声导波进行定期检查,可以在传播前探测到刚出现的裂缝。

安装和进入困难

水下紧张趋势具有挑战性,因为可见度、水流和专用设备需求有限。安装液压机的遥控车辆(ROV)进行紧张,而水下泵则进行疏导。对于加固后部分,所有管道都必须经过压力测试,以确保在加固前的紧水性。在加固前(岸上)和加固后(现场)之间,取决于运输和组装限制。

维护和监测

一旦一个结构投入使用,就很难检查管子内的电线。 辐射、热学或时间-域反射测量等无损方法被使用。 永久性的监测系统 — — 光纤传感器、声波排放阵列或E-束阵列 — — 在整个结构寿命期间可以跟踪、放松和断裂事件。 常规状况调查,加上阴极保护潜力检查,是认证的强制性条件(如DNA、ABS、劳埃德)。

创新塑造海洋建设中钢铁先行前程.

超高性能混凝土和混合系统

UHPC与前置钢结合,可以使结构更轻、更耐用。 UHPC的密集基质几乎消除了氯化物入侵,即使涂层失效也保护了窗体。 使用碳纤维强化聚合物(CFRP)的混合系统与钢质结合,正在研究中,为严重海洋环境的腐蚀提供了完全的免疫力。

具有集成感应的智能天冬

新的导线包括光纤菌株测量仪或实时报告张力和温度的磁性传感器。 这些“智能”系统能够进行适应性维护,并提供遇险预警,从而减少了对昂贵潜水员检查的需要。

可持续钢铁

制造商正在开发使用氢化铁和电化炉回收的加压钢的低碳变体。 这些钢虽然仍处于初期阶段,但可以大大降低岸外混凝土结构的碳足迹,与全球去碳化目标保持一致。

结论

防腐钢已成为近海和水下工程不可或缺的材料。 防腐钢的强度高、可控放松和耐腐蚀涂层的结合使工程师能够设计出在世界最活跃环境中安全运行几十年的结构。 防腐钢的设计、防护系统和监测技术的持续进步将进一步扩大防腐钢的能力,使港口更深、岸边风轮机更长、海岸基础设施更具有弹性。 要使业界充分实现这些好处,在安装和生命周期维护制度期间严格质量控制必须始终是一个优先事项。

关于设计标准和近期研究的进一步解读,考虑以下资源:

  • ASTM A416/A416M –低 ⁇ 松化的标准规格,七 ⁇ 钢筋为预构混凝土.
  • 图纸公告89 — “钢铁:海洋结构的腐蚀保护”(国际贝顿联合会,2018年)。
  • DNV ⁇ OS ⁇ C502 – 近海混凝土结构(德语:Det Norske Veritas).
  • NACE TM0177 – H2S环境中的金属抗硫性应力裂解和应力腐蚀裂解的实验室测试.