桥梁腐蚀在线监测系统方案——为重大基础设施全生命周期安全保驾护航

 桥梁腐蚀在线监测系统方案——为重大基础设施全生命周期安全保驾护航

 

截至2023年底，全国公路桥梁约108万座，其中特大桥10239座，大桥17.77万座。随着服役年限延长，加之环境侵蚀、荷载效应等因素影响，桥梁结构不可避免地发生材料老化与性能退化。海洋环境下的氯离子侵入、大气中的酸性污染物沉降、除冰盐的渗透作用，均会加速混凝土中钢筋的锈蚀进程，进而导致结构承载能力下降，极端情况下可能引发突发性灾害事故。

 

在海洋复杂严酷环境下，对桥隧结构的腐蚀进行准确监测仍面临诸多挑战。将物理技术与电化学技术综合应用，结合先进算法，开发新型智能监测系统，是当前行业攻关的重点方向。传统的定期巡检方式存在响应滞后、数据不连续、覆盖盲区等问题，已难以满足现代桥梁全寿命周期安全管理的需求。

 

政策驱动

2020年12月，交通运输部印发《关于进一步提升公路桥梁安全耐久水平的意见》，明确提出到2025年跨江跨海跨峡谷等特殊桥梁结构健康监测系统全面建立，到2035年公路桥梁结构健康监测系统全面建立的工作目标。至2023年底，已基本完成首批644座长大桥梁监测系统建设。

2025年，交通运输部进一步发布《公路长大桥梁结构监测时空大数据应用指引》，从数据应用维度规范桥梁监测行为，推动桥梁养护向数字化、智能化转型。核心目标是推动从“被动应对”转向“主动预警”，要求2025年底前完成特定桥梁监测，2030年扩大覆盖，并建立长效闭环管理机制。

 

核心设备技术方案

（一）钢筋混凝土腐蚀监测方案

钢筋锈蚀是混凝土桥梁最主要的退化形式。

CST710 一体式混凝土腐蚀监测仪是一款实时在线监测钢筋混凝土腐蚀的设备，采用一体式设计，将采集仪和多功能腐蚀监测探头集成为一体，预埋入混凝土中进行监测，可以实时监测混凝土电阻率、Cl- 浓度、pH 值、半电池电位和钢筋锈蚀速率等参数。广泛用于建筑、公路和桥梁隧道结构中混凝土内钢筋混凝土腐蚀速率的在线监测。CST710 是工业现场监测钢筋腐蚀和混凝土化学环境参数、预示钢筋混凝土结构耐久性、安全性及服役寿命的有力工具。

 

CST710一体式混凝土腐蚀监测仪

 

CST730阳极梯腐蚀监测仪采用电化学阻抗技术，配备6阵列阳极梯传感器，腐蚀速度测量范围覆盖0.1μm/a至10mm/a，支持6路电位、6路电流和6路阻抗的同时监测，适用于复杂腐蚀环境分析。可用于建筑、桥梁等混凝土结构的表层砂浆层的碳化速率监测，钢筋锈蚀速度监测。

 

CST730 阳极梯腐蚀监测仪

（二）大气腐蚀监测方案

桥梁主缆、斜拉索锚头、钢结构等露天构件的腐蚀监测同样是重要课题。

CST480系列大气腐蚀监测仪专为桥梁等金属构筑物在大气环境中的腐蚀监测而设计，采用精密电阻探针技术，结合高精度AV电桥原理，具有极高的金属减薄分辨率，并能自动补偿环境温度漂移。其中，CST480AS-S、CST480MS、CST4804等型号可适用于桥梁、输电杆塔等金属构筑物的大气环境腐蚀监测。监测仪通过有线RS485/RJ45接口或GPRS无线网络将数据传输至远程监控平台，用户可实时监控腐蚀状态，量化腐蚀速率和腐蚀等级，为预测金属构筑物剩余寿命提供科学依据。

 

CST480系列大气腐蚀监测仪

 

（三）涂层老化监测方案

桥梁钢箱梁、主缆防护层等部位的有机涂层是隔离腐蚀环境的第一道防线，其老化状态直接关系到结构安全。

CST1808 涂层阻抗在线监测仪通过测量大气和水体环境中涂层探头阻抗谱随时间的变化趋势，对涂层的老化状态进行巡检。也将采用固定式涂层探头，将探头粘贴在工件涂装表面，实现原位涂层老化过程的长期监测，为涂层损伤的预防性维修提供实时数据。本仪器可测量自然或者人工加速环境下涂层/金属基体的界面电容、阻抗实部、阻抗虚部和相位角等数据，进而计算出涂层含水率、电导率和涂层老化率。适用于大气、水体或人工环境下涂层老化与损伤状态的在线监测。

 

CST1808涂层阻抗在线监测仪

 

案例赏析

某桥梁主缆腐蚀大气监测项目

桥梁用的悬索、斜拉索、桥上锚头等金属由于空气污染、凝露、雨水冲刷等造成大气腐蚀，会影响其安全服役。及时掌握和了解主缆锈蚀程度及承载能力，对于悬索桥的运营和维护意义重大。为了更好地评价悬索防护方法的有效性，对保护层内的腐蚀微环境以及钢丝腐蚀状态进行在线监测是必要的。通过CST480AS大气腐蚀监测系统对桥梁主缆钢丝的腐蚀内环境进行实时监测，获取桥梁主缆钢丝的腐蚀速率、腐蚀等级、腐蚀余量等，可实现远程监控和状态预警，为桥梁主缆的养护和运维提供数据支撑。

 

某悬索桥梁腐蚀监测设备安装现场

l 项目内容及目的

1) 主缆大气腐蚀监测采用CP-45高灵敏度电阻腐蚀监测传感器，探头旋入主缆内部，兼顾防水和可更换需求。

2) 通信采用RS485双绞线和Modbus-RTU协议，数据通过收发器传送到主塔顶部的通讯机房，并由光纤接入监控中心；

3) 腐蚀监测数据反馈到空气除湿系统和缓蚀剂加注阀，用于自动调节空气湿度和缓蚀剂注入量。

 

悬索主缆大气腐蚀监测系统设计方案示意图

l 主要监测数据及功能：

1) 监测悬索桥梁上下游主缆不同跨度安装点的腐蚀状态及对应的腐蚀等级；分析桥梁监测点的温湿度、大气压强、腐蚀速率、总腐蚀量等参数随时间的变化趋势。

2) 监测数据基于RS485组网，可通过总线方式实现网络化读取，也可通过无线数据收发器将数据直接上传到远程监控平台，用户从局域网中任何一台终端，即可以实时查看现场桥梁的腐蚀状态。

 

CST480AS大气腐蚀监测仪实物图和大气腐蚀探头现场安装图

l 设备、探头及数据传输方式

采用设备：CST480AS大气腐蚀监测仪、CST610无线数据收发器
采用探头：大气腐蚀监测探头

供电方式：自动切换供电模式，建设期采用电池供电、运营期采用市电
数据传输方式：无线数据传输与有线RS485传输方式可同时运行、腐蚀监测数据管理平台

 

 

主缆大气腐蚀监测系统安装布局示意图

 

 

主缆大气腐蚀在线监测系统软件界面图

 

某桥梁斜拉索锚头的腐蚀在线监测

斜拉桥是国内近十几年桥梁建设的主流桥型，它具有比其它结构形式更加经济的优越性，因而得到了很大的发展。斜拉索锚头作为斜拉桥最重要构件之一，其防腐保护是非常重要的。如今，由于保护措施的逐渐完善，斜拉桥斜拉索索体已经得到了很好的保护，而斜拉索与锚具结合部位由于保护措施较少从而成为斜拉索防腐蚀的薄弱环节，国内已有多座斜拉桥由于斜拉索腐蚀破坏尤其是斜拉索与锚具结合部位的腐蚀而导致换索，造成了巨大的经济损失和不良社会影响。

l 项目内容及目的：

1) 斜拉索锚头的腐蚀在线监测；

2) RS485组网，实现网络化腐蚀监测体系。

l 主要监测数据及功能：

1) 在接近相同的外部环境和条件下，分别同时测量参考臂和测量臂的电阻，得到电阻比值和参考电阻，从而计算腐蚀速率，得到斜拉索锚头在大气中的腐蚀速率；

2) 基于RS485组网，可通过总线方式实现网络化腐蚀监测数据的读取

l 设备、探头及数据传输方式

采用设备：CST480AS大气腐蚀监测仪

采用探头：大气腐蚀监测探头

数据传输方式：RS485组网，提供Modbus协议

 

某桥梁斜拉索锚头的腐蚀在线监测安装示意图

 

CST480AS大气腐蚀监测仪

 

大桥足尺承台阴极保护与腐蚀监测

大桥所处环境属于强海洋腐蚀环境，大桥的主要结构件采取长效的重腐蚀防护措施，通过腐蚀监控系统对混凝土内的化学特征，钢筋锈蚀状态、阴极保护效果等相关参数进行全天候实时监控，并将测量数据存入数据库，从而给出大桥腐蚀防护状态及牺牲阳极消耗状态，设置腐蚀防护状态的安全报警阈值，当腐蚀防护状态超出安全范围将报警预报，提示维护人员进行及时处理，为大桥安全运行和科学维护提供可靠依据。本项目在大桥主体工程桥梁进行腐蚀监控，通过对现场监测数据收集及统计分析，判断和评价钢管复合桩的腐蚀防护综合状况，为优化腐蚀监控系统设计提供依据。本项目包括混凝土内钢筋腐蚀监测和牺牲阳极阴极保护电位监测两项子任务。钢管复合桩腐蚀监测：主要是监测填心混凝土内钢筋的锈蚀状态，通过在混凝土中埋入多功能腐蚀传感器，并采用多通道混凝土腐蚀监测仪实时监测混凝土内的pH值、氯离子浓度、混凝土电阻和钢筋自腐蚀电位和钢筋锈蚀速率。钢管桩的阴极保护监测：利用多组高纯锌长效参比电极测量钢管桩沿不同海水深度的保护电位分布和牺牲阳极的发射电流大小，并通过阴极保护电位监测仪实时测量钢管复合桩基的阴极保护电位。通过对现场监测数据收集及统计分析，判断和评价钢管复合桩的腐蚀与防护综合状况。

l 项目内容及目的：

1) 监测大桥足尺承台钢管复合桩基的牺牲阳极阴极保护和混凝土内钢筋的腐蚀状态；

2) 验证阴极保护以及腐蚀监控系统的可靠性及与相关系统的相容性；

3) 通过对现场监测数据收集及统计分析，判断和评价钢管复合桩的腐蚀与防护综合状况，为优化腐蚀监控系统设计提供试验依据。

l 主要监测数据及功能：

1) 监测阴极保护系统的输出电流和钢管桩在不同深度位置的保护电位；

2) 监测钢管桩在不同深度海泥/海水中的腐蚀速率以及混凝土的电阻率。

l 设备、探头及数据传输方式

采用设备：CST616阴极保护监测仪、CST728多通道钢筋腐蚀监测仪、CST610无线数据收发器

采用探头：混凝土腐蚀监测预埋复合探头

数据传输方式：无线数据传输，与监测软件组成无线数据远程监测网络

 

钢管桩保护电位/保护电流监测子系统组成及安装示意图

 

 

大桥钢管桩阴极保护监测和腐蚀监测安装现场

 

 

钢管桩多通道阴极保护与腐蚀监测柜与腐蚀监测网站

 

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