王占華，宋江義，張小陽(yáng)

（1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州450044；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

新疆伊犁特克斯河山口水庫(kù)中的材料制品腐蝕研究

王占華1，宋江義2，張小陽(yáng)1

（1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州450044；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

目的了解不同涂層體系及金屬材料在新疆伊犁特克斯流域的腐蝕行為，為特克斯河流域水利開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。方法 通過(guò)實(shí)地投放金屬涂層制品、涂層體系及金屬材料，并按周期取樣觀察對(duì)比。結(jié)果獲得了8種金屬涂層、14種金屬與封閉涂層、5種富鋅涂料體系、10種復(fù)合涂層體系、2種碳鋼材料和5種不同不銹鋼和碳鋼面積比偶合件0.5，2 a的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)論噴鋅層是該水庫(kù)中最適合的金屬涂層；環(huán)氧封閉是表現(xiàn)最好的封閉涂層；環(huán)氧富鋅是最好的富鋅底漆；氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、無(wú)溶劑耐磨環(huán)氧表面良好，適合用作面漆；脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆不適合用于水下；可復(fù)涂聚氨酯用作面漆應(yīng)視涂層體系謹(jǐn)慎使用；碳鋼腐蝕速率和不銹鋼與碳鋼偶合件面積比之間存在顯性的線性關(guān)系，不銹鋼比例越大，碳鋼腐蝕速度越快；鍍鋅層對(duì)鋼絲繩有明顯的保護(hù)作用，比未鍍鋅鋼絲繩腐蝕較輕。

特克斯河山口水庫(kù)；涂層；金屬材料；腐蝕；不銹鋼與碳鋼焊接偶合件

KEY WORDS:Tekes River Shankou Reservoir; coatings; metal; corrosion; couple of stainless steel and carbon-steel;

“國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)”是我國(guó)材料環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)積累的重要平臺(tái)。幾年來(lái)，“國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)”各個(gè)試驗(yàn)站通過(guò)材料投放開(kāi)展了大量材料環(huán)境試驗(yàn)[1—3]，積累的環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)和階段研究成果在國(guó)家重大建設(shè)防腐設(shè)計(jì)和選材、防腐規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)制訂、企業(yè)材料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量的提高、以及新材料的研發(fā)等方面發(fā)揮了作用。鄭州黃河淡水試驗(yàn)站是平臺(tái)的重要組成部分，承擔(dān)著我國(guó)淡水環(huán)境中材料環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的積累任務(wù)。幾年來(lái)試驗(yàn)站陸續(xù)開(kāi)展了在三門(mén)峽水庫(kù)、新疆“635”水庫(kù)、江蘇小洋口入海口及揚(yáng)州江都閘開(kāi)展了材料環(huán)境腐蝕試驗(yàn)[4—8]，為水利水電金屬結(jié)構(gòu)防腐行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂提供了依據(jù)。為了滿足特克斯河流域水利水電工程建設(shè)的需要，鄭州黃河淡水試驗(yàn)站和新疆水利水電勘測(cè)規(guī)劃研究院合作進(jìn)行了”新疆淡水流域自然環(huán)境材料腐蝕試驗(yàn)”項(xiàng)目，在新疆伊犁特克斯河山口水庫(kù)開(kāi)展了材料環(huán)境腐蝕試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，山口水庫(kù)共投放涂層材料試樣37種，金屬材料試樣2種，不銹鋼與碳鋼不同面積比偶合件試樣5種，鋼絲繩和鍍鋅鋼絲繩對(duì)比各1種。試驗(yàn)取樣周期為0.5，1，2，4 a，由于客觀條件和原因，取樣周期發(fā)生了變化。2014年度完成了伊犁特克斯河山口水庫(kù)中材料制品0.5，2 a取樣，現(xiàn)將0.5，2 a試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)分析如下。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)環(huán)境及水質(zhì)

伊犁特克斯山口水庫(kù)位于伊犁鞏留縣，水質(zhì)常年比較穩(wěn)定，山口水庫(kù)一年度周期水質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 伊犁特克斯河山口水庫(kù)水質(zhì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出，水庫(kù)中水質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定。pH值在6.64～8.01之間，基本屬于中性范圍。電導(dǎo)率較低，變化也較小，常年在304～369 μS/cm之間。溶解氧則保持在9.96～16.69 mg/L范圍內(nèi)。氯離子和硫酸根雖然不同月份變化較大，但總體含量較低。水溶物則更穩(wěn)定，始終在0.204～0.244 mg/mL范圍內(nèi)?？傮w來(lái)說(shuō)，不同季節(jié)水質(zhì)對(duì)材料腐蝕影響差別不大。

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案考察各種涂料涂層的保護(hù)性能和金屬材料的自然腐蝕速率。金屬涂層包括鋅、鋁、鋅鋁合金、Ac鋁、鋅鋁假合金、鋁鎂合金、先噴鋅后噴鋁、先噴鋁后噴鋅等，厚度均為120 μm，噴涂采用電弧噴涂方式。金屬涂層加封孔涂層試樣選擇的金屬涂層包括噴鋅、噴鋁，厚度為120 μm，封孔涂料包括磷化底漆、環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵、氯化橡膠、環(huán)氧瀝青等，封孔涂料厚度均為80 μm。富鋅涂料包括環(huán)氧富鋅、無(wú)機(jī)富鋅（硅酸鋰型）、無(wú)機(jī)富鋅（磷酸鋰型）等，涂料厚度均為80 μm。涂層及復(fù)合涂層系統(tǒng)中，金屬涂層包括噴鋅、噴鋁等，厚度為120 μm，中間漆為環(huán)氧云鐵，面漆包括可復(fù)涂聚氨酯、氯化橡膠、脂肪族聚氨酯面漆、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、氟碳面漆、無(wú)溶劑耐磨環(huán)氧等?？疾旖饘僮匀桓g速率的碳鋼材料為16Mn，Q235B，304不銹鋼與Q235B碳鋼不同面積比偶合件。

試樣規(guī)格安裝按照GB 5776[9]要求，由水利水電三門(mén)峽防腐工程有限公司統(tǒng)一進(jìn)行制作，涂料由某廠家統(tǒng)一提供。涂層試樣表面預(yù)處理清潔度達(dá)到GB 8923.1[10]中規(guī)定的Sa21/2，粗糙度等級(jí)達(dá)到GB/T 13288.1[11]規(guī)定的中級(jí)。每個(gè)試樣通過(guò)打孔進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)，然后用銅棒固定在金屬構(gòu)架上，試樣與試樣之間、試樣與銅棒之間用塑料套管絕緣。取樣后的涂層試樣進(jìn)行定期觀察拍照，金屬試樣按GB 16545[12]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬涂層

表2中列出了幾種純金屬涂層0.5，2 a的腐蝕情況。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，噴鋅層與先噴鋁后噴鋅涂層表面無(wú)明顯變化，但試驗(yàn)2 a后觀察到先噴鋁后噴鋅表面仍覆蓋有鋅層，其更多的表現(xiàn)為鋅的性能，其效果還有待通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)行觀察。其余噴鋁、鋅鋁合金、噴Ac鋁、鋅鋁假合金、鋁鎂合金、先噴鋅后噴鋁等含鋁金屬涂層均在2 a后出現(xiàn)了白色析出物。鋅涂層在淡水環(huán)境中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成的腐蝕產(chǎn)物能夠順利從涂層表面脫落，可以對(duì)鋼鐵提供持續(xù)的電化學(xué)保護(hù)作用。含鋁涂層表面形成了完整致密的氧化膜，山口水庫(kù)中氯離子含量較低，不能持續(xù)破壞鋁表面的鈍化膜，因此，形成的腐蝕產(chǎn)物不易從涂層表面脫落，造成表面有很多的白色析出物，所以含鋁涂層不適合在山口水庫(kù)中應(yīng)用。

表2 金屬涂層試驗(yàn)結(jié)果

2.2 金屬涂層+封孔涂層

表3列出了金屬涂層+封孔涂料0.5，2 a的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，噴鋅與磷化底漆、環(huán)氧清漆、環(huán)氧云鐵、氯化橡膠、環(huán)氧瀝青封孔涂料之間具有良好的配合，2 a后涂層表面均無(wú)明顯的變化。噴鋁使用磷化底漆、環(huán)氧云鐵、氯化橡膠、環(huán)氧瀝青封孔及Ac鋁使用環(huán)氧云鐵封孔時(shí)，2 a后均出現(xiàn)了明顯白色析出物，但二者用環(huán)氧清漆封閉時(shí)，噴鋁2 a未出現(xiàn)明顯變化，噴Ac鋁出現(xiàn)變色但未有白色析出物，說(shuō)明環(huán)氧封閉封孔效果較其他涂料好。這是因?yàn)榻饘偻繉訃娡亢笠话愣加?5%～18%的孔隙率，涂層中含有大量的空氣，封閉涂料必須具有良好的滲透性能。相比其他涂層，環(huán)氧清漆和磷化底漆的滲透性更好。環(huán)氧清漆和磷化底漆相比和其他涂層配合時(shí)具有更好的層間結(jié)合力，因此，工程施工宜優(yōu)先選擇環(huán)氧清漆。噴鋅與噴鋁涂層使用火焰噴涂時(shí)，0.5，2 a后表面均無(wú)明顯變化，與電弧噴涂結(jié)果相同，說(shuō)明熱噴涂方式在兩年試驗(yàn)期內(nèi)對(duì)涂層腐蝕無(wú)明顯影響。

表3 金屬涂層+封孔涂料試驗(yàn)結(jié)果

2.3 富鋅涂料+中間漆

表4列出了幾種富鋅涂料半年和二年的腐蝕情況?？梢钥闯?，富鋅涂料中環(huán)氧富鋅表現(xiàn)最好，2 a后無(wú)明顯變化，硅酸鋰型無(wú)機(jī)富鋅和磷酸鹽型無(wú)機(jī)富鋅0.5 a未出現(xiàn)明顯變化，但2 a后邊緣開(kāi)始出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，效果沒(méi)有環(huán)氧富鋅好。無(wú)機(jī)富鋅與環(huán)氧云鐵中間漆配合時(shí)，2 a后也出現(xiàn)了邊緣生銹，表現(xiàn)與單純的無(wú)機(jī)富鋅相似。環(huán)氧富鋅與環(huán)氧云鐵配合時(shí)，2 a后表面無(wú)明顯變化，其配合性也較好。環(huán)氧富鋅由于其成分環(huán)氧樹(shù)脂與聚酰氨樹(shù)脂進(jìn)行固化反應(yīng)形成的漆膜比無(wú)機(jī)富鋅致密性好，物理屏蔽性能大大提高，防腐效果更好。無(wú)機(jī)富鋅形成的涂層一般微觀多孔、屏蔽性能差、電化學(xué)極化率增大，容易造成涂層過(guò)早失效、涂層較厚時(shí)有裂紋傾向，硅酸鹽涂料還存在穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，形成的涂層容易凝膠，導(dǎo)致效果更差。

表4 富鋅涂料+中間漆試驗(yàn)結(jié)果

2.4 涂層及復(fù)合涂層體系

表5列出了幾種涂層體系的面漆0.5，2 a的腐蝕情況。可以看出，可復(fù)涂聚氨酯下面有噴Ac鋁+環(huán)氧封閉、噴鋅+環(huán)氧封閉時(shí)，其涂層表面出現(xiàn)變色現(xiàn)象。下面有環(huán)氧富鋅底漆時(shí)，表面無(wú)明顯變化，但直接覆蓋在環(huán)氧云鐵表面時(shí)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，說(shuō)明底涂層會(huì)對(duì)可復(fù)涂聚氨酯有一定的影響。根據(jù)以前其他項(xiàng)目的試驗(yàn)結(jié)果[3]，不推薦水下環(huán)境使用可復(fù)涂聚氨酯面漆。氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、無(wú)溶劑耐磨環(huán)氧2 a后涂層均無(wú)明顯變化，適合用于水下。氟碳面漆、脂肪族聚氨酯面漆則出現(xiàn)了密集起泡，不適合在水下環(huán)境應(yīng)用。氯化橡膠涂層具有分子量小、分子間隙小、水和氧氣滲透率低的特點(diǎn)，使其水下應(yīng)用效果較好。環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、無(wú)溶劑耐磨環(huán)氧則是由于和固化劑進(jìn)行固化反應(yīng)時(shí)交聯(lián)度高，苯環(huán)結(jié)構(gòu)使得其涂膜致密性好，在水下應(yīng)用時(shí)具有很好的防水作用。聚氨酯涂料則由于其分子結(jié)構(gòu)容易遇水發(fā)生水解反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，在涂層表面容易產(chǎn)生氣泡。氟碳涂層中氟樹(shù)脂含量是影響其耐蝕性的重要成分，此外，在水下耐蝕性則與水質(zhì)環(huán)境有很大的關(guān)系，施工質(zhì)量好壞會(huì)影響其涂層表面是否產(chǎn)生氣泡等缺陷。

表5 復(fù)合涂層體系試驗(yàn)結(jié)果

2.5 金屬材料

表6列出了金屬材料16Mn，Q235B，304不銹鋼與Q235B碳鋼偶合件0.5，2 a經(jīng)計(jì)算后的腐蝕速率數(shù)據(jù)。

從表6可以看出以下幾點(diǎn)。

1）16Mn與Q235B相比，0.5 a時(shí)其腐蝕速率比Q235B略低，但相差不大。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，其腐蝕速率越來(lái)越接近。與周學(xué)杰等在長(zhǎng)江中試驗(yàn)的結(jié)果相比，兩種碳鋼材料腐蝕速率較低。腐蝕速率差異與試驗(yàn)流速有關(guān)，由于長(zhǎng)江水具有一定的流速，試樣表面的氧氣相對(duì)比較充足，而山口水庫(kù)中的水體相對(duì)靜止，試樣表面附近氧氣消耗后補(bǔ)充速度較慢。

表6 金屬材料0.5，2 a腐蝕數(shù)據(jù)

2）材料0.5 a腐蝕速率/2 a腐蝕速率比值相差很小，表明碳鋼材料在伊犁山口水庫(kù)中的腐蝕隨時(shí)間延長(zhǎng)其變化規(guī)律基本一致，都隨著腐蝕產(chǎn)物的增加，阻礙了腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，導(dǎo)致腐蝕速率越來(lái)越低。

3）不銹鋼和碳鋼焊接偶合件碳鋼部分腐蝕速率表明，不銹鋼占比越大，碳鋼腐蝕速率顯著增加。碳鋼腐蝕速率與陰陽(yáng)極面積比值經(jīng)偶合計(jì)算顯示出二者之間存在顯性的線性關(guān)系。0.5 a時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)偶合結(jié)果為y=1.08301x+3.129，相關(guān)性系數(shù)R2為0.9954；2 a腐蝕數(shù)據(jù)偶合結(jié)果為y=0.6949x+1.3588，相關(guān)性系數(shù)R2為0.9919。該結(jié)果與黃桂橋等[13]在武漢長(zhǎng)江水里面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相比，線性關(guān)系更加顯著。這可能是因?yàn)樯娇谒畮?kù)中水質(zhì)非常較好，試樣表面比較干凈，而在長(zhǎng)江水中試驗(yàn)時(shí)，試樣表面有藻類等微生物附著所致。因此，在工程實(shí)際中應(yīng)減少不銹鋼與碳鋼偶合情況的出現(xiàn)，實(shí)在無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量減少不銹鋼的面積比例，避免大陰極小陽(yáng)極現(xiàn)象發(fā)生。

表7列出了鋼絲繩0.5，2 a以長(zhǎng)度為單位計(jì)算的腐蝕速率情況。

表7 鋼絲繩0.5，2 a腐蝕速率數(shù)據(jù)

從表7可以看出，鍍鋅鋼絲繩0.5，2 a腐蝕速率均比同期未鍍鋅鋼絲繩低，且鍍鋅鋼絲繩表面未見(jiàn)鋼絲銹蝕，說(shuō)明鍍鋅層對(duì)鋼絲繩保護(hù)作用明顯。因此 ，工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選擇鍍鋅鋼絲繩。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物增加阻止了腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，其腐蝕速率也大大降低。

3 結(jié)論

從上述分析可知，通過(guò)材料及制品在新疆伊犁特克斯流域環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。

1）金屬結(jié)構(gòu)表面防護(hù)體系選用金屬涂層時(shí)噴鋅效果最好，含鋁涂層不適合用于該流域水環(huán)境。

2）選擇金屬涂層的封閉涂層時(shí)，環(huán)氧封閉涂料效果最好，應(yīng)優(yōu)先選擇。

3）選擇富鋅底漆時(shí)，應(yīng)選擇環(huán)氧富鋅，無(wú)機(jī)富鋅效果較差。

4）選擇涂層體系面漆時(shí)，氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、無(wú)溶劑耐磨環(huán)氧表現(xiàn)良好，均可應(yīng)用；氟碳面漆、脂肪族聚氨酯面漆表面起泡，不適合用于水下；可復(fù)涂聚氨酯面漆與涂層體系有關(guān)，容易出現(xiàn)變色或起泡，應(yīng)慎重選用。

5）16Mn與Q235B腐蝕狀況類似，在該水質(zhì)環(huán)境中腐蝕速率比較接近。

Q235B與304不銹鋼焊接偶合試件中，碳鋼部分的腐蝕速率隨著陰陽(yáng)極面積比值增大而增大。與陰陽(yáng)極面積比值之間具有顯性的線性關(guān)系，半年時(shí)線性關(guān)系為y=1.08301x+3.129，相關(guān)性系數(shù)R2為0.9954，二年時(shí)線性關(guān)系為y=0.6949x+1.3588，相關(guān)性系數(shù)R2為0.9919。工程實(shí)際中應(yīng)減少大陰極小陽(yáng)極偶合現(xiàn)象的發(fā)生。

鍍鋅鋼絲繩腐蝕速率較未鍍鋅鋼絲繩腐蝕速率明顯降低，鍍鋅層對(duì)鋼絲繩的保護(hù)效果明顯，工程設(shè)計(jì)應(yīng)盡量選擇鍍鋅鋼絲繩。

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Corrosion of Materials and Coatings in the Xinjiang Yili Tekes River Shankou Reservoir

WANG Zhan-hua1, SONG Jiang-yi2, ZHANG Xiao-yang2
(1. National Center of Quality Inspection & Testing for Hydro-Steel Structure, Ministry of Water Resource, Zhengzhou 450044, China; 2.Institute of Hydro-Power Investigation & Design of Xinjiang Province, Urumqi, 830000, China)

ObjectTo understand the corrosion characteristics of coating systems and metals in the Xinjiang Yili Tekes River to help design for water conservancy development of the Tekes River.MethodsSamples of metal coating product, coating system and metal material were put at site to sample, observe and compare in different periods.ResultsTest results on eight metal coatings, fourteen metal coatings with sealing, five zinc rich coatings, ten composite coatings, two carbon steel and five couples of stainless steel and carbon steel in half year and two years were obtained.ConclusionZinc coating is the best metal coating; epoxy sealer is the best sealer for metal coating; zinc rich epoxy is the best zinc rich coating; chlorinated rubber, epoxy asphalt, epoxy finish paint, solvent-free wear-resisting epoxy are suitable for using as top coatings; aliphatic polyurethane paint, fluorocarbon paint are not fit for using in water; recoatable polyurethane coating shall be used prudently according to the base coating; corrosion rate of carbon steel increases with the increase of stainless steel area, and typical linear relationship exists between corrosion rate of carbon and ratio of carbon area and stainless steel area; the larger the proportion of stainless steel, the faster the corrosion rate of carbon steel; the galvanized layer obviously protects wire rope. The corrosion of galvanized steel wire rope is less severe than that of ungalvanized steel wire rope.

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.014

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2017)02-0072-05

2016-10-30；

2016-11-03

王占華（1977—），男，河南長(zhǎng)垣人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈h(huán)境中的腐蝕與防護(hù)。

張小陽(yáng)（1968—），男，河南商丘人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈h(huán)境中的腐蝕與防護(hù)。