趙林章 ，董洪漢 ，李 頻 ，莊 寧 ，陳 聰

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州　225321；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京　210098）

0　引言

水工鋼閘門是用于控制水庫、水電站、船閘、水閘等大型水工建筑物運行水位的重要組成部分，在閘門啟閉時頻繁地處于干濕交替狀態(tài)，以及受到高速水流的不斷沖刷，極易造成鋼鐵的腐蝕，降低鋼閘門的穩(wěn)定性和承載性能，影響工程的運行安全。據(jù)已有水閘工程的數(shù)據(jù)顯示，相關(guān)單位每年投入鋼閘門防腐方面的經(jīng)費約占全年維修費用的一半，且需耗費大量的人力物力進行除銹、油漆和噴涂工作。鋼閘門腐蝕是在周圍環(huán)境電介質(zhì)等作用下發(fā)生金屬被侵蝕的現(xiàn)象，遍及水利工程的各個相關(guān)領(lǐng)域，常見的腐蝕類型有局部腐蝕、干腐蝕、點蝕、坑蝕等等。

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的污染性物質(zhì)源源不斷的進人水體，造成淡水中化學成分的日益復雜，使得鋼鐵在淡水中受到的腐蝕不僅要考慮流速，還要考慮水中物質(zhì)及其他因素的作用，影響因素較多。目前，對于海水中鋼閘門的腐蝕已有較多研究，但針對淡水環(huán)境的研究較少。因此，本文開展鋼閘門在淡水環(huán)境中的腐蝕機理及影響因素研究，研究成果對于有效控制腐蝕，延長鋼閘門的安全使用壽命，節(jié)約運營成本具有重要意義。

1　鋼閘門的電化學腐蝕

水工鋼閘門的腐蝕主要分為電化學腐蝕和化學腐蝕2類。鋼閘門在淡水中發(fā)生的腐蝕屬電化學腐蝕，是外部介質(zhì)與鋼鐵接觸后發(fā)生電化學反應造成的腐蝕行為，是伴有電流的一種化學反應。如S、P、Mn等的金屬雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)，電位較高的為陰極，電位較低的為陽極，使得鋼鐵基體形成了一系列微電池，這些形成的微電池陽極區(qū)域：Fe→Fe2++2e，以水化離子的形式溶解于水，自由e-沿鋼鐵基體向陰極區(qū)運動；在陰極區(qū)域，相對應的發(fā)生被還原物質(zhì)奪電子的化學過程，例如，02+4e→ 2O2-；O2-+H2O →2HO-；陽極溶解的鐵離子與氫氧離子結(jié)合成氫氧化鐵（鐵銹）。而對于鋼閘門未直接浸沒于水中的區(qū)域，即干濕交替或完全干燥的地方，在自然環(huán)境作用下，鋼鐵表面容易形成誘發(fā)鋼閘門發(fā)生電化學腐蝕的水膜進而發(fā)生電化學腐蝕。

研究表明，流速、含氧量、水體的pH值及溶解成分等都會對鋼閘門的電化學腐蝕造成一定的不利影響。

1.1　水體流速

淡水水體流速對鋼鐵的腐蝕影響，趙國仙[1]等用SEM技術(shù)研究了在不同流速條件下材料表面腐蝕產(chǎn)物膜的變化，結(jié)果表明流速增大有利于腐蝕性物質(zhì)和電荷傳遞促進腐蝕，但也會引起腐蝕產(chǎn)物膜形貌和結(jié)構(gòu)的變化；關(guān)樂[2]等用噴射式?jīng)_刷實驗臺研究流速對鋼試件沖刷行為的影響，采用失重法進行多組對比實驗，結(jié)果顯示流速對20Mn2鋼的沖刷腐蝕影響分為增重、增重逐漸轉(zhuǎn)為失重和失重量急劇上升3個過程；朱雅仙[3]等探究了流動淡水中鋼腐蝕影響因素發(fā)現(xiàn)水體流動狀態(tài)下發(fā)生的腐蝕包含流體力學因素和電化學腐蝕引起的機械磨蝕，并以坑蝕為主。

在管流式、旋轉(zhuǎn)圓盤兩種試驗裝置中檢測鋼試件在各種流速中發(fā)生的腐蝕失重率[4]（見圖1），當流速達到4 m/s時失重率的值最大，相較于靜水狀態(tài)分別提高7.6倍和15.7倍。流速不高于4 m/s時，流速越大，腐蝕失重率越高；流速超過4 m/s時，兩種鋼的腐蝕失重率會迅速下降，與流速成反比例增加。綜合上述分析，流速、材質(zhì)等一致的情況下，構(gòu)件的不同位置具有不同的腐蝕失重率，可見鋼閘門構(gòu)件的腐蝕作用機理比較復雜。

圖1　試件失重率與流速的關(guān)系

1.2　含氧量

含氧量不僅能引起淡水基本水質(zhì)發(fā)生變化，而且是金屬腐蝕的關(guān)鍵因素之一，腐蝕速率和程度、含氧量通常是正相關(guān)。受溫度、壓力等自然因素影響，好氧微生物大量繁殖或淡水溫度有明顯升高時，含氧量會出現(xiàn)急劇減少的現(xiàn)象。一旦保護性腐蝕產(chǎn)物膜剝落，氧向金屬表面擴散，此時鋼鐵發(fā)生腐蝕。一般來說，鋼表面氧的擴散速率決定了鋼鐵發(fā)生電化學腐蝕的速率，也就是說，發(fā)生活性溶解時，鋼鐵的腐蝕速率與水體的溶解氧能力成正比，與擴散層厚度成反比。

1.3　pH值

研究表明，氫的過電位、陰極反應活性均和pH值成反比，腐蝕速率與pH值成正比。當pH值不足7時，鋼處于活性溶解態(tài)，全面腐蝕易出現(xiàn)；當pH值為7.46～8.00時，試件極化后出現(xiàn)許多蝕坑；當pH值為9～10時，耐蝕性能較好；例如工程常用的碳鋼，當pH值在9～11范圍內(nèi)變動時，碳鋼最抗腐蝕[4]。

1.4　溶解成分的影響

溶于水的陰離子一般是有害的，如Cl-是引發(fā)孔腐蝕和應力腐蝕的關(guān)鍵因素。同樣的，ClO-、S2-等也有害，但PO43-、NO-2、SiO3-等有緩蝕作用。另外，在中性溶液中可當做陰極緩蝕劑的有Ca（HCO3）2和鋅鹽等，陰極附近形成的OH-離子易和緩蝕劑結(jié)合成難溶且易覆蓋在陰極表面的碳酸鹽和氫氧化物，起減緩陰極去極化的作用。另外，溶解于水的陽離子造成的腐蝕影響則較小。

2　含沙環(huán)境下鋼閘門的沖刷腐蝕

鋼閘門結(jié)構(gòu)在使用過程中沖刷腐蝕在所難免。國內(nèi)外學者采用了電化學測試手段和失重方法研究不同流體力學條件、環(huán)境因素、材料性質(zhì)等對金屬沖刷腐蝕的影響。如丁一剛等重點論述了沖刷腐蝕的影響規(guī)律及危害性，以及其他研究者使用計算機建模的方法模擬沖刷腐蝕試驗以探索減少腐蝕的方法等等。試驗表明沙粒、流速等對沖刷腐蝕影響顯著[5]，結(jié)果見表1～表3。

表1　試樣鋼在不同粒徑石英砂下的沖刷腐蝕速率（流速：10 m/s）

表2　試樣鋼在不同粒徑石英砂下的沖刷腐蝕速率（流速：15 m/s）

曹剛[6]等認為流速的大小與石英砂有關(guān)，石英砂的存在變相增強了多相流中的鋼材損耗，并且裸鋼對石英砂的敏感度隨著流速變化是不固定的，含沙和不含沙時，流速的變化規(guī)律不同；朱娟[7]等認為流速與沙沒有直接關(guān)系，沖刷腐蝕程度并不隨含沙量升高而劇烈增加；Meng[8]和Hu[9]等研究了鋼鐵從鈍化態(tài)、偽鈍化態(tài)的腐蝕轉(zhuǎn)化行為，并證明了含沙量臨界值的存在；Zheng[10]等認為含沙量在臨界值以下時，沖刷腐蝕率隨含沙量增大而劇增，但當含沙量低于臨界值時的沖刷腐蝕率是穩(wěn)定的。

表3　試樣鋼在不同粒徑石英砂下的沖刷腐蝕速率（流速：20 m/s）

3　鋼閘門的微生物腐蝕

3.1　生物膜對微生物腐蝕的影響

3.1.1生物膜的成長過程

微生物天生具備自我保護的快速反饋機制，如一旦受到環(huán)境中有毒物質(zhì)的刺激，菌體會聚集并分泌大量粘液以抵御外來入侵。生物膜給細菌提供了保障和各種營養(yǎng)物質(zhì)的輸送渠道，并通過互相協(xié)作以高效利用彼此的代謝產(chǎn)物，最終會形成能量循環(huán)，達到“合作共贏”的有利局面。生物膜群落得以獨立于外部環(huán)境離不開該特性，并因此顯著增強自身的抗干擾性能。

95%及以上含水量的凝膠相是大部分生物膜的本質(zhì)，具體包含懸浮顆粒、細菌及腐蝕產(chǎn)胞外高聚物等。生物膜的自我生長是高度自發(fā)的，細菌的生長和消亡會引起周圍環(huán)境不斷變化。生物膜的生長過程：

（1）水中溶解態(tài)的各種有機物及無機粒子吸附在材料表面后轉(zhuǎn)化為條件膜；

（2）水中浮游態(tài)的各種微生物依托范德華力或靜電與條件膜接觸，最終吸附于物體表面；

（3）細胞分泌胞外高聚物，瘋狂增殖，同時粘附其他微生物，導致生物膜的生長、成熟；

（4）在外部環(huán)境引起部分生物膜脫落，最終

被水流順帶到別處繼續(xù)生長繁衍。

生物膜的生長過程見圖2。

圖2　生物膜演化模型

3.1.2生物膜的特性

微生物腐蝕反應一開始的條件膜較薄，只有20～80 mm左右，一定程度上改變了結(jié)構(gòu)表面的靜電狀態(tài)和潤濕性質(zhì)，創(chuàng)造了利于細菌等在聚集生長的溫室條件，為生物膜繼續(xù)生長提供了可能。隨著生物膜的逐漸成熟，存在于金屬試件表面的離子種類、氧化—還原電位等要素迅速變化，膜內(nèi)pH梯度出現(xiàn)，各種傳質(zhì)過程等最終引發(fā)一系列復雜的化學反應。

3.1.3生物膜在腐蝕過程中的雙重角色

微生物的生命活動無確定規(guī)律可尋，金屬/溶液界面的電化學性質(zhì)變化迅速，與無機產(chǎn)物膜反向生長，造成點蝕、縫隙腐蝕及晶間腐蝕等系列局部腐蝕。

另外，生物膜有影響基體鈍化、抑制腐蝕進一步惡化的能力。如大量侵蝕性硫化物會在SRB代謝過程中產(chǎn)生，會在和基體接觸時生成薄薄的一層鐵硫化合物。研究表明，鋼鐵試件的生物膜形狀分布一般呈魚鱗片狀，并在SRB轉(zhuǎn)入對數(shù)期后，膜層逐漸致密并迅速阻止帶侵蝕性的粒子向膜內(nèi)進一步擴散，腐蝕在一定程度上得以控制，其他表面腐蝕主要還停留在表面現(xiàn)象。

3.2　微生物的作用機理

鑒于微生物種類的紛雜多變，除Ti合金以外的金屬均會出現(xiàn)不同程度的腐蝕，包括不銹鋼、鋁、鐵、低碳鋼、銅等等。研究人員對微生物腐蝕機理進行了大量深入的探究，主要分為好氧菌腐蝕和厭氧菌腐蝕2大類。

3.2.1好氧菌腐蝕機理

（1）產(chǎn)酸腐蝕：包含各種有機酸和無機酸，以無機酸為代表。表面產(chǎn)物帶來腐蝕環(huán)境的惡化，進一步加劇了試驗結(jié)構(gòu)的腐蝕。參考醋酸來自醋酸梭菌的代謝；如亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽可由硫氧化菌在氧化環(huán)境下產(chǎn)生等等，其帶來的影響會導致周圍環(huán)境的pH值變小。

（2）形成氧濃差電池：好氧菌腐蝕的“溫床”。一定程度的缺氧會使得微生物附著處的表面自身變?yōu)殛枠O，附近為陰極。若微生物呼吸消耗氧的速率高于氧氣向金屬表面擴散速率，陰極反應機理會改變。得到的氧濃度差恰好是局部腐蝕所適應的，腐蝕自然發(fā)生。

3.2.2厭氧菌腐蝕機理

代謝生成的硫化物因其較強的腐蝕性，使得硫酸鹽還原菌“不受待見”，但卻是微生物腐蝕鏈上不可或缺的一環(huán)。目前有關(guān)SRB對金屬腐蝕的作用機理有陽極區(qū)固定、陰極去極化、Fe/FeS微電池作用和硫化物誘導陽極溶解等。

（1）陰極去極化理論：消耗陰極產(chǎn)生的H2是去極化的實質(zhì)，平衡向消耗質(zhì)子的方向移動，研究表明腐蝕過程主要受速率、步驟控制，且不可逆，氫化酶的作用機制難免受到質(zhì)疑。見圖3。

圖3　硫酸鹽還原菌氫化酶的陰極去極化機理示意圖

（2）陽極區(qū)固定理論：腐蝕坑周圍聚集微生物、細菌等，這保障了腐蝕電池的陽極區(qū)，并解釋了微生物腐蝕為何主要以孔蝕為特征。

（3）Fe/FeS微電池作用：SRB代謝過程出現(xiàn)的S2-與Fe作用生成FeS，并吸附在其表面作為陰極，與陽極聯(lián)系產(chǎn)生腐蝕電勢。另外，析氫反應也能在FeS表面進行，即陰極去極化時發(fā)生的一種反應。

（4）硫化物誘導陽極溶解：硫化物會在硫酸鹽還原菌在代謝的過程中生成，能造成腐蝕條件不斷惡化，增強金屬腐蝕的敏感度和腐蝕電池的電動勢大小，進一步加劇鋼鐵的腐蝕。

4　結(jié)論與展望

水工鋼閘門在淡水環(huán)境中的腐蝕影響因素研究是一個復雜的、系統(tǒng)的工程。

針對目前鋼閘門腐蝕現(xiàn)狀，本文研究了淡水環(huán)境中鋼閘門電化學腐蝕、沖刷腐蝕和微生物腐蝕3種主要方式的腐蝕機理，以及流速、含氧量、pH值、溶解成分、沙粒、以及生物膜等因素對水工鋼閘門腐蝕的影響。

目前國內(nèi)外研究主要集中在電化學腐蝕和微生物腐蝕2大塊，還不夠深入。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，難免會出現(xiàn)大量污染物質(zhì)進入淡水水體的現(xiàn)象，這些必將引起水工鋼閘門的一系列腐蝕，腐蝕行為會因此出現(xiàn)怎樣的改變，水體沖刷、富營養(yǎng)化等難以規(guī)避的現(xiàn)象將會對鋼閘門腐蝕造成怎樣的不利影響等，這些問題均有待進一步的研究。

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