大桥钢箱梁除湿系统

 摘　要:以浙江舟山桃夭门大桥钢箱梁内部除湿为例,阐述了钢箱梁除湿原理,从除湿机选型、送风管路和除湿装置及空气平衡装置设置、系统控制方案等方面介绍了钢箱梁内部除湿系统设计和安装技术。
关键词:桥梁;斜拉桥;钢箱梁;除湿系统;防腐
中图分类号:U445.7　　　　　　　文献标志码:A　　　　　　　文章编号:1671-2668(2010)06-0144-04

桃夭门大桥是舟山大陆连岛工程的第三座特大桥,横跨桃夭门水道,为七跨连续半漂浮体系混合式斜拉桥,主跨546.6 m,为扁平流线型钢箱梁,采用综合防腐技术。桥跨布置见图1。

桃夭门大桥主要技术标准:四车道一级公路;设计行车速度为60 km/h;设计荷载为汽车-超20级、挂车-120;桥面净宽22.5 m;通航净高为设计最高通航水位以上32 m,通航净宽为280 m;桥址区离地面20 m高度处百年一遇10 min平均最大风速为42.8 m/s,计入海岛地形系数后设计风速为55m/s;地震基本烈度为6度。
1　桥位区气候条件
舟山群岛气候上表现为大陆性向海洋性转换的过渡性气候,气象要素的经向梯度大,季节滞后,温暖湿润、雨热同季,灾害性天气类型多、频次高。大桥工程区累计年平均气温16℃左右,一年中日最高气温≥35℃的平均天数为2.4~8.4 d,日最高气温≥30℃的平均天数为53~58 d,日最低气温≤0℃的平均天数为14~16 d;年平均相对湿度在80%左右,年平均日照数为1 880~2 258 h;地区年平均降水量为900~1 400 mm,全年平均降水天数(日降雨量≥0.1 mm)为130~160 d,最长连续降水天数为16~22 d,主要表现为3—4月的春季连阴雨天气;常年盛行风向以西北风和东南偏南风为主,台风一般出现在每年的5—11月,其中大部分发生在7—9月,约占全年的86%。
2　钢箱梁除湿原理
为延长大桥的使用寿命,应尽可能使更多的钢结构表面长期处于干燥空气中。在钢箱梁内安装除湿系统,可以保证箱室内部空气的相对湿度水平,使大桥钢箱梁内始终处于一个防生锈的循环风流空间,达到长期的防腐目的。
转轮除湿机的主体结构为一不断转动的蜂窝状干燥转轮。干燥转轮是除湿机中吸收水分的关键部件,由特殊复合耐热材料制成的波纹状介质所构成,波纹状介质中载有吸湿剂。这种设计,结构紧凑,而且可以提供湿空气与吸湿介质充分接触的巨大表面积,大大提高除湿机的除湿效率。
除湿转轮两侧由具有高密封性能材料制成的隔板分成两个扇形区:一个为处理湿空气端的270°扇形区域,另一个为再生空气端的90°扇形区域,再生区域中一部分为热回收区域。当待处理的潮湿空气(称为处理空气)进入转轮270°扇形区域时,空气中水分子被转轮内的吸湿剂吸收,干燥后的空气则通过处理风机送至干空气出口。除湿过程中除湿转轮不断缓慢转动,处理空气区域的转轮扇面吸收水分子,变成饱和状态后,自动转到再生空气端扇形区域,进入再生过程。再生过程中,再生空气(一般为室外空气)的一部分经加热器加热,另一部分进入热回收扇面经预热后一起进入转轮再生区扇面。在高温状态下,转轮中水分子被脱附,散失到再生空气中,再生空气由于在脱附过程中散失了热量,自身温度降低,变成了含湿量较大的湿空气(废气)并由再生风机排至室外。该过程周而复始,空气不断除湿,转轮不断再生,连续进行除湿,从而达到除湿目的。
3　钢箱梁除湿系统设计与安装
3.1　设计要求
3.1.1　除湿空间范围
钢箱梁内全部为钢板密封,无产湿设备,无人员长时间停留;桃夭门大桥中跨两端钢箱梁体积为546.6×2.8×23.6=36 119 m3,钢梁箱体内部带有4条纵向实横隔板,纵横隔墙上均设有检查人孔,可以利用这些人孔通风。
3.1.2　空气参数
相对湿度<50%;空气温度无要求;大桥周围空气的极端条件,最高温度35℃,最大湿度75%。
3.2　系统设计
3.2.1　除湿机选型

以上计算结果为理论计算值,没有考虑安全系数,需考虑如下因素,并进行修正:
(1) 除湿机一般以主流空气的进口状态温度30℃、相对湿度50%、密度1.2 kg/m3为标准工况,而计算中的工况与该工况有明显差别,故需对主流空气量进行修正。
(2) 在以固体为吸收剂的除湿机吸湿过程中,主流空气的除湿过程为等焓升温过程,主流空气离开除湿机时的温度较高,相对湿度较低,肯定达到设计要求。但主流空气与箱内空气混合后,温度迅速下降,相对湿度上升,必须提高除湿机处理空气的能力,同时温度的变化导致空气密度和空气体积发生变化。因此,单纯地以空气体积为计算单位并不能正确反映空气的处理量,需要修正。
(3) 确定除湿机的处理能力时,考虑的是除湿机的理想工作状态,即除湿机内部的材料都没有老化,设备处于良好的工作状态。然而在实际工作中,除湿机总是不处于理想工作状态中。因此,必须提高除湿机的工作能力,才能达到设计要求。综合上述因素进行修正,取安全系数为1.1~1.2,这样调整后求得主流空气的换气量
Q=1 805.95×1.2=2 167.14 m3/h
除湿量
D=21.2×1.2=25.44 kg/h
根据该桥的换气量和除湿量,选用瑞典蒙特公司(Munters)生产的高效转轮除湿机。各类型除湿机的技术指标见表1。
根据表1,选用4台ML1100型高效转轮除湿机,既满足送风量和除湿量的要求,也不会造成过大的资源浪费。

3.2.2　系统划分
由于桃夭门大桥钢箱梁较长(全长546.6 m),内部带有4条60 m长实隔墙,实隔墙不利于气流的通畅。因此,根据实隔墙分布情况,把全桥按纵横中心线划分为4个区域,每个区域设置1个干空气循环除湿系统。经过对给定空气参数的计算,对以上4个区域,采用4台ML1100型高效转轮除湿机组成4个干燥风循环系统,每2个系统由一个湿度控制箱控制。每个系统的干燥风循环机组由除湿机、加压风机、混合箱、连接风管、电气盘和湿度控制仪表等组成,每个循环系统的装机功率为12.75 kW,4个系统的总装机功率为51 kW。
按照大桥结构布置的要求,同时考虑循环风系统的划分及今后设备维修方便等因素,将4套干燥空气循环机组分成两大组,分别集中设置在横向中心线的两侧,每侧放置2套机组。系统布置基本上以大桥纵向和横向中心线划分成四大区域,形成中心对称。考虑到尽可能使区域内的循环距离最短,有利于减少风管阻力和风量分配及调解,将机组布置在每半个桥的中部左右位置(见图2)。


3.2.3　送风管路
钢箱梁梁体为顺直封闭结构,利用箱内U形肋作为干燥空气送风管。每个系统经除湿机处理的干空气通过加压风机用风管送至上部预留的U形肋槽管内(槽管全桥贯通),再由U形肋槽管分别送至各个区域的最远端。全桥共利用贯通箱梁全长的2~4条U形肋槽管,每个风系统分别独立用风管连接肋槽管的进风管口,并通过肋槽管将干燥空气输送到各个区域。肋槽管的分支管上开有调解风量的阀门,使送往各支路风管的风量平衡。
3.2.4　除湿装置及内部空气平衡装置
除湿装置由除湿机和循环机组组成,安装在一个大的钢板底座上,钢板底座焊接在箱梁底肋板上。除湿机内装由蒙特公司发明和制造的高效合成硅胶转轮,该转轮具有超强的吸湿性,并能自动缓慢地旋转,使转轮在除湿过程中同时得到再生。转轮可以长期运转,不需添加吸湿剂,并能抗腐蚀、耐高温。除湿机的转轮再生所需的室外空气由箱梁底板上的通风孔引进,经过电加热后送往转轮的再生侧。再生后的湿空气也由桥底的孔洞排至室外。
为了控制大桥箱体内由于空气温度变化造成的压力膨胀,保持和平衡室内外压差,在箱梁的4个区域内底板处设置4套空气压力平衡阀,按照设定的室内外压差,自动开启或关闭与室外连通管道的风阀,对内部空气压力进行平衡。
3.2.5　系统控制方案
内部除湿系统需要较高的自动化控制系统来操控,因此,每台除湿机各备有一套完整的本机湿度控制单元,按每台除湿机的划分区域,在适当的地点设置湿度传感器,根据湿度传感器的设定自动控制除湿机的开启,由此控制箱体内各区域的相对湿度,并能达到经济运行的目的。该系统同时与大桥监控中心计算机控制系统相连,通过在场设置的除湿数据采集器,将每台除湿机湿度传感器信号及除湿机控制面板上的运行信号经转换后传输给远程监控中心计算机,形成资料库,以便在运行过程中对系统工作情况进行实时监控。
4　结　语
从桃夭门大桥建成后3年多的使用情况来看,其钢梁内部除湿系统一直处于良好的工作状态,钢箱梁内部没有出现锈蚀现象。
转轮干燥循环法作为大桥防腐手段以其技术上和经济上的巨大优势在全世界范围内的钢结构大桥中被普遍采用,在国内,自1995年来,这一先进技术在众多大型项目中得到应用,其运行控制也被纳入大桥运行的总监控系统中。钢结构大桥采用内部除湿系统进行防腐符合科学发展趋势,先进且合理。