沈華東

(湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435000)

某泵站投入使用的2臺(tái)BGZ—3000×2500型進(jìn)水鋼閘門(mén)，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：允許最大正向壓力0.1MPa，閘門(mén)滲透量0.11L/sm2，提升速度0.8m/min。2008年非汛期檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，閘板腐蝕嚴(yán)重，迎水側(cè)850mm×700mm2的面積上出現(xiàn)小鼓包和灰黑色潰瘍狀蝕坑。

鋼閘門(mén)是泵站重要的水工設(shè)備，主要用于調(diào)節(jié)泵站流量和控制水位，并保障泵站的穩(wěn)定運(yùn)行。

鋼閘門(mén)主要由閘板、閘框及啟閉裝置等構(gòu)件組成，一般用鋼鐵或不銹鋼材料制成。鋼閘門(mén)由于長(zhǎng)期浸沒(méi)于水中，在陰暗潮濕、干濕交替和微生物侵蝕等惡劣環(huán)境下工作，并受水流泥沙及其他漂浮物的沖刷，過(guò)流表面極易發(fā)生腐蝕破壞。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼閘門(mén)在淡水環(huán)境中腐蝕的平均速度為0.02～0.04mm/a，而實(shí)際中很多場(chǎng)合鋼閘門(mén)的腐蝕速度遠(yuǎn)高于此值。鋼閘門(mén)腐蝕輕者引起閘門(mén)封水不嚴(yán)，重者致使閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度削弱、穩(wěn)定性降低，甚至影響泵站的安全運(yùn)行。

正確分析鋼閘門(mén)腐蝕失效機(jī)理及規(guī)律，掌握各種影響金屬腐蝕進(jìn)程的主要因素，對(duì)研究鋼閘門(mén)防腐對(duì)策及提高泵站運(yùn)行的可靠性極為重要。

一、腐蝕失效機(jī)理

鋼閘門(mén)腐蝕的本質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。當(dāng)金屬被放置在水溶液或潮濕的大氣環(huán)境中，其金屬表面會(huì)形成一種微電池，也稱腐蝕電池。在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。腐蝕電池的形成主要是由于金屬表面吸附了空氣環(huán)境中的水分，形成一層水膜，因而使空氣中CO2、SO2、NO2等成分溶解于這層水膜中，形成電解質(zhì)溶液。

同時(shí)，浸沒(méi)于該層溶液中的金屬(如鋼鐵)為合金，除鐵元素之外，還含有石墨、滲碳體(Fe3C)以及其他金屬等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)大多數(shù)沒(méi)有鐵元素活潑，因此形成腐蝕電池的陽(yáng)極為鐵，而陰極為雜質(zhì)。電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果使陽(yáng)極區(qū)的鐵不斷地溶解成為鐵離子，逐漸被腐蝕。

相關(guān)化學(xué)方程式如下。

1.析氫腐蝕(鋼鐵表面吸附水膜酸性較強(qiáng)時(shí))

析氫腐蝕與吸氧腐蝕生成的Fe(OH)2被氧化后，生成的Fe(OH)3脫水生成鐵銹Fe2O3。

二、影響鋼閘門(mén)腐蝕的主要因素

1.工作環(huán)境PH值的影響

PH值代表水環(huán)境介質(zhì)中H+濃度的大小，H+濃度是影響腐蝕速度的最主要因素之一，在酸性介質(zhì)中會(huì)加速金屬電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。我國(guó)部分地區(qū)水環(huán)境中酸、堿和有機(jī)物等腐蝕性強(qiáng)的污染物總體增加，加快了鋼閘門(mén)的腐蝕速度。

2.鹽濃度的影響

溶解于水內(nèi)的鹽增強(qiáng)了水的導(dǎo)電性能，同時(shí)也增加了電偶的腐蝕電流，尤其在酸性鹽和氧化性鹽介質(zhì)中，由于存在著H+離子和強(qiáng)氧化劑，會(huì)促使H+離子去極化或氧去極化過(guò)程，從而加大了金屬在鹽溶液中的腐蝕速度。

同樣，溶解鹽對(duì)保護(hù)膜的形成和破壞也有顯著影響，特別是在海水中存在著大量Cl－離子，它破壞保護(hù)膜，使金屬表面難以鈍化，Cl－離子又有很強(qiáng)的穿透能力，因此鋼閘門(mén)在海水環(huán)境下比在淡水環(huán)境中腐蝕更為嚴(yán)重。

在礦藏含量豐富地區(qū)，由于氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等物質(zhì)的濃度相對(duì)較高，因而臨近河流水的導(dǎo)電性能隨之增強(qiáng)，對(duì)鋼閘門(mén)的腐蝕有很大的影響。

3.泥沙沖擊磨損的影響

在鋼閘門(mén)表面除發(fā)生腐蝕的主要過(guò)程外，還經(jīng)常出現(xiàn)保護(hù)膜，該保護(hù)膜減緩了腐蝕過(guò)程或完全使腐蝕停止，但只有在水流速度低或清凈水的環(huán)境下才有可能。相反，在水流速度高或含泥沙量大的環(huán)境，保護(hù)膜形成后卻經(jīng)常被沖刷掉，因此在水流及夾雜的泥沙沖擊磨損大的環(huán)境下，較容易將腐蝕產(chǎn)物從鋼閘門(mén)表面隨水流沖走，使鋼閘門(mén)更易受腐蝕。

4.焊縫腐蝕的影響

鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)制作中存在著大量焊縫，焊接過(guò)程中焊縫局部會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力及各種微觀組織缺陷，在這兩種因素的綜合作用下，會(huì)加速焊縫部位的腐蝕。

三、防腐蝕技術(shù)

1.涂層防護(hù)

涂層防護(hù)基于涂料對(duì)金屬的屏蔽作用和緩蝕作用。金屬表面涂敷涂料后，實(shí)質(zhì)是將金屬基體與電解質(zhì)溶液及空氣隔離，起到屏蔽保護(hù)作用。同時(shí)，借助涂料的內(nèi)部組分與金屬反應(yīng)，使金屬表面鈍化或生成保護(hù)性的物質(zhì)以提高涂層的防護(hù)效果。

涂層保護(hù)效果和使用壽命取決于涂層材料在使用環(huán)境中的耐蝕性、強(qiáng)度、塑性和耐磨性。因此，要求涂層本身耐蝕、化學(xué)穩(wěn)定、附著力好、涂層致密、孔隙率小，并具良好的物理機(jī)械性能(硬度和耐磨性)。隨著涂料工業(yè)的日益發(fā)展，不同性能的防腐涂料層出不窮，目前使用較普遍的有環(huán)氧富鋅防銹漆、無(wú)機(jī)富鋅漆、酚醛樹(shù)脂等涂料。

采用涂料防護(hù)時(shí)，應(yīng)該注意底漆和面漆必須合理配套，使其具有良好的結(jié)合力和適應(yīng)性。涂層表面應(yīng)保持一定的厚度和均勻性，涂層厚度一般為70～80μm，且無(wú)雜物、起皮、鼓泡、孔洞、粗顆粒及裂紋等缺陷。

為提高涂層防腐效果，鋼閘門(mén)表面必須進(jìn)行噴砂預(yù)處理，將閘門(mén)金屬表面的鐵銹、氧化皮、油污、焊渣、灰塵等污物和水分清除干凈，使其露出金屬本色，并且保持干燥和有一定的粗糙度(R值40～100μm)，以保證涂層與金屬基體間有良好的附著力。

2.金屬熱噴涂防護(hù)

金屬熱噴涂是將鋅、鋁、鋅鋁合金、鋁鎂合金等金屬絲，通過(guò)專用噴射裝置使其在高溫火焰中熔化，形成霧狀微粒，并以較高的速度噴射到預(yù)先經(jīng)過(guò)除銹處理的金屬表面。這些霧化微粒處于半熔融狀態(tài)，噴射到金屬表面后，迅速冷卻收縮，附著在金屬表面，形成鈍化防護(hù)膜。在淡水環(huán)境中熱噴材料宜選鋅或鋅鋁合金，海水環(huán)境宜選鋅、鋁、鋁合金或鋅鋁合金。涂層厚度應(yīng)達(dá)控制標(biāo)準(zhǔn)(表1)，以確保涂層具有良好防護(hù)效果。

3.犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法

犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是將活性不同的兩種金屬連接后，共置于同一電解質(zhì)中，活性較強(qiáng)的金屬作為陽(yáng)極失去電子，受到腐蝕，活性差的金屬作為陰極得到電子受到保護(hù)。常用的犧牲陽(yáng)極材料有鋅基、鋁基和鎂基合金。鋅鋁合金適用于海水、淡海水環(huán)境，鎂基合金適用于淡水和淡海水環(huán)境。

表1 金屬涂層厚度分類表 (設(shè)計(jì)壽命T≥10年)

這種保護(hù)方法必須掌握金屬結(jié)構(gòu)表面涂層種類和狀況、介質(zhì)的化學(xué)成分、PH值、電導(dǎo)率、污染狀況以及溫度、流速、潮位變化等。施工時(shí)犧牲陽(yáng)極的工作表面不應(yīng)粘有油漆和油污，犧牲陽(yáng)極的布置和安裝方式應(yīng)不影響鋼閘門(mén)的正常運(yùn)行，其金屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)電位應(yīng)達(dá)到-0.85V或更負(fù)值(相對(duì)于銅/飽和硫酸銅比電極)。

4.技術(shù)管理措施

定期對(duì)鋼閘門(mén)過(guò)流部位進(jìn)行全面檢測(cè)，找出其主要腐蝕部位和腐蝕誘因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，并提出消除隱患的措施和建議。檢測(cè)內(nèi)容包括：腐蝕部位及分布狀況、蝕坑深度及大小、發(fā)生部位密度、嚴(yán)重腐蝕面積占閘門(mén)和啟閉機(jī)構(gòu)件表面積的百分比、腐蝕構(gòu)件的蝕余截面尺寸等。重點(diǎn)對(duì)鋼閘門(mén)主要構(gòu)件的蝕余厚度進(jìn)行檢測(cè)，判斷閘門(mén)各構(gòu)件的腐蝕速率和腐蝕程度，并以此為依據(jù)進(jìn)行鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度復(fù)核計(jì)算。

常用的測(cè)量方法有超聲波測(cè)厚法和腐蝕深度測(cè)量法兩種：

(1)超聲波測(cè)厚法是利用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量鋼板蝕余厚度，是目前最常用和最精確的一種無(wú)損檢測(cè)方法，測(cè)量精確度可達(dá)0.1mm。

(2)腐蝕深度測(cè)量法則是用焊縫檢驗(yàn)尺直接量出蝕坑的深度，用數(shù)據(jù)直接反應(yīng)出腐蝕量，其特點(diǎn)是較為直觀，容易求出年腐蝕速度，測(cè)量精確度可達(dá)0.05mm。

四、鋼閘門(mén)修復(fù)方案及效果

該泵站鋼閘門(mén)采用“環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氯化橡膠面漆”組合熱噴涂防腐修復(fù)方案。熱噴涂之前對(duì)鋼閘門(mén)表面進(jìn)行噴砂預(yù)處理，噴砂除銹完成后并對(duì)噴砂除銹部位進(jìn)行全面檢查，包括對(duì)金屬基體表面進(jìn)行清潔度和粗糙度檢查。

噴涂工藝要求噴涂用的壓縮空氣應(yīng)清潔、干燥，壓力不得低于0.4MPa。噴涂與金屬基體表面的距離為100～200mm，噴槍盡可能與基體表面成直角，不得低于45°，噴槍移動(dòng)速度以一次噴涂厚度達(dá)到25～80μm為宜。金屬涂層外觀應(yīng)保持均勻一致，無(wú)金屬熔融粗顆粒、起皮、鼓泡、裂紋等缺陷。

2008年實(shí)施修復(fù)后運(yùn)行至今，鋼閘門(mén)原腐蝕過(guò)流部分未見(jiàn)明顯蝕痕，抗蝕效果良好。實(shí)踐表明，金屬熱噴涂防腐技術(shù)應(yīng)用于泵站鋼閘門(mén)防腐處理是最佳的選擇。

五、結(jié)語(yǔ)

腐蝕失效是鋼閘門(mén)失效的主要形式，目前泵站運(yùn)行中普遍存在著鋼閘門(mén)受腐蝕的現(xiàn)象。要徹底解決鋼閘門(mén)腐蝕失效問(wèn)題，應(yīng)結(jié)合以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以分析和整理，在參考國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入研究各種防腐技術(shù)對(duì)策，積極采用新型抗蝕材料和新的金屬表面處理工藝，并嚴(yán)格控制工藝操作標(biāo)準(zhǔn)，提高鋼閘門(mén)過(guò)流表面綜合抗蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命，達(dá)到泵站安全運(yùn)行的目的。

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