盧毓穎

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000）

1 前言

閘門鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命主要取決于閘門鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕效果。腐蝕如果控制不當(dāng)，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損失過多，除加大維修費(fèi)用外，閘門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將受到影響，從而影響整個(gè)閘門的使用壽命。在國內(nèi)水利系統(tǒng)中，閘門結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用重防腐蝕涂層以外，很多閘門還應(yīng)用了犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)合涂料進(jìn)行保護(hù)，并在長(zhǎng)江三峽工程臨時(shí)船閘的攔污柵、南京三汊河河口閘鋼閘門、浙江曹娥江大閘取得了較好的應(yīng)用效果[1-3]。在Sl 105-2007“水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范”中，也規(guī)定了犧牲陽極陰極保護(hù)的應(yīng)用方法[4]。犧牲陽極系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，施工工藝要求不高，后期不需要進(jìn)行維護(hù)。但是犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)，比如陽極由于存在著自消耗的問題，一般使用壽命不超過15年。對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)，使用外加電流陰極保護(hù)是更好的選擇。在廣州的幾座大型翻板閘門中，由于無檢修閘門的特殊性，要求防腐蝕壽命達(dá)到30年以上。因此，在工程設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)來閘門進(jìn)行防腐蝕，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況和檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，使用效果非常良好，達(dá)到了業(yè)主的期待和設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

陰極保護(hù)作為金屬的腐蝕防護(hù)技術(shù)，已經(jīng)有近200多年的發(fā)展歷史了。通過陰極保護(hù)系統(tǒng)源源不斷地向鋼鐵表面提供直流電流，從而使鋼鐵表面發(fā)生陰極極化，鋼鐵的電位負(fù)移，達(dá)到保護(hù)電位區(qū)的作用。在這個(gè)電位區(qū)，鋼板的腐蝕非常輕微。陰極保護(hù)系統(tǒng)通常與合適的涂層系統(tǒng)聯(lián)合使用來保護(hù)鋼板免于腐蝕。

實(shí)現(xiàn)這一目的，通常采用2種方法，第1種是外加電流法，第2種是犧牲陽極法。犧牲陽極方法是將電位較負(fù)的合金材料與被保護(hù)結(jié)構(gòu)連接，從而降低被保護(hù)結(jié)構(gòu)的電位。在這個(gè)過程中，犧牲陽極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)形成腐蝕電池，犧牲陽極材料作為陽極將不斷消耗，當(dāng)陽極消耗盡了以后，系統(tǒng)就會(huì)失效。這也是為什么這種保護(hù)方法被稱為犧牲陽極的原因。在水利閘門工程中，一般將陽極直接焊接到閘門表面，圖1為典型的閘門犧牲陽極保護(hù)應(yīng)用方法。

這種保護(hù)方法一般用于小型閘門，而且多用于提拉式或有檢修條件的閘門，其原因主要是犧牲陽極本身由于自消耗的原因，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用壽命一般不會(huì)超過15年。15年的使用壽命對(duì)于有檢修條件的閘門或水下結(jié)構(gòu)是可以接受的，因?yàn)殛枠O消耗完以后，可以在檢修閘門時(shí)進(jìn)行增補(bǔ)或替換。但是對(duì)于一些大型河口翻板閘門來說，由于閘門長(zhǎng)期在水中工作，設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)，也沒有檢修條件時(shí)，犧牲陽極系統(tǒng)的弊端就顯示出來了。表1為三座翻板式閘門的型式、大小及保護(hù)壽命的要求情況。

圖1 犧牲陽極在閘門使用示意圖

表1 閘門規(guī)格

為了使鋼閘門更好地得到保護(hù)，特別是達(dá)到設(shè)計(jì)要求的30年以上的使用壽命。在深入了解陰極保護(hù)原理和陰極保護(hù)在其他行業(yè)的應(yīng)用情況后，設(shè)計(jì)人員在本行業(yè)中開創(chuàng)性地選用了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)閘門進(jìn)行防護(hù)。

3 陰極保護(hù)系統(tǒng)原理

在淡水環(huán)境中，金屬的腐蝕是氧去極化的電化學(xué)腐蝕，腐蝕通常受陰極控制：

所以，在淡水環(huán)境中，氧的存在是導(dǎo)致金屬腐蝕的根本原因，腐蝕的過程主要受氧向金屬表面擴(kuò)散過程所控制。如果淡水中不含有氧，則在淡水中金屬是不會(huì)腐蝕的。這一點(diǎn)已經(jīng)得到了大家的公認(rèn)[5]。

陰極保護(hù)的原理是通過向腐蝕電池的陰極施加一個(gè)陰極電流，從而使陰極從平衡電位（腐蝕電位）向負(fù)向偏移，達(dá)到陰極保護(hù)電位。從鐵的電位-pH圖可以看出，金屬（鐵，碳鋼）在自然界中的電位約在-0.5 V左右，處于腐蝕區(qū)域，當(dāng)電位負(fù)移到達(dá)-0.85 V或更負(fù)時(shí)，就進(jìn)入到保護(hù)電位，此時(shí)，鐵的腐蝕電流趨近于零，腐蝕速度基本為零，金屬得到保護(hù)[6]。

圖2 鐵的電位-pH圖

從圖2中可以看出，在弱酸或中性pH值下，當(dāng)鐵電位達(dá)到-0.85 V時(shí)，進(jìn)入免蝕區(qū)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到陰極保護(hù)電位時(shí)，腐蝕減輕程度可通過以下公式進(jìn)行推算。

假設(shè)某一體系未施加陰極保護(hù)時(shí)，其腐蝕電位Ecorr為-550 mV，腐蝕電流密度為Jcorr1；施加陰極保護(hù)之后，其保護(hù)電位為Ecp為-650 mV，于是，其陰極極化值ΔE為-650 mV與-550 mV之差（-100 mV）。設(shè)在-100 mV極化值條件下，被保護(hù)對(duì)象的腐蝕電流密度為Ja1，由腐蝕電化學(xué)原理可知：

式中：βa1—被保護(hù)對(duì)象陽極溶解反應(yīng)的塔菲爾斜率。

根據(jù)蘇聯(lián)著名的腐蝕科學(xué)家托馬曉夫的研究結(jié)果表明：鐵在活性區(qū)金屬陽極溶解反應(yīng)的塔菲爾斜率ba為0.06 V，由于ba=2.303βa1，故βa1=26 mV，于是：

理論計(jì)算表明，只要施加陰極保護(hù)電流使鋼鐵表面電位負(fù)向移動(dòng)-100 mV時(shí)，鋼鐵的腐蝕速度可降低了98%。

同樣當(dāng)陰極保護(hù)電位極化達(dá)到-200 mV以后，假設(shè)其它參數(shù)不變，計(jì)算鋼鐵的腐蝕速度可以降低99.7%。當(dāng)鋼鐵表面達(dá)到陰極保護(hù)電位-0.85 V，即-850 mV時(shí)，極化大約在300 mV左右，此時(shí)鋼鐵的腐蝕速度可以忽略不計(jì)。

通俗一點(diǎn)說，就是當(dāng)腐蝕發(fā)生時(shí)，金屬陽極區(qū)會(huì)流出電流，而施加陰極保護(hù)后，金屬表面由于不斷流入電流，這時(shí)腐蝕反應(yīng)會(huì)受到抑制，腐蝕電流會(huì)減少到很低水平，可以被視為沒有腐蝕。施加陰極電流的方法有犧牲陽極方法和外加電流（強(qiáng)制電流）方法。犧牲陽極的方法如圖1所示，是將電位更負(fù)的金屬或合金直接連接或焊接到金屬表面，從而通過電位更負(fù)犧牲陽極向較正的金屬表面提供電流。

外加電流陰極保護(hù)是通過外加直流電源以及輔助陽極，迫使電流從介質(zhì)（土壤、海水、淡水）中流向被保護(hù)金屬，使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境。在陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用比較成熟的石油石化埋地管道工程中，見圖3。

4 閘門外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合水利閘門的結(jié)構(gòu)，土建工程的結(jié)構(gòu)和建造工藝，根據(jù)陰極保護(hù)原理，參考石油石化埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。在三座閘門上設(shè)計(jì)了陰極保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下：

圖4 翻板閘門陰極保護(hù)系統(tǒng)圖

將長(zhǎng)壽命輔助陽極安裝在閘門兩邊，同時(shí)在閘門兩邊安裝參比電極。將輔助陽極連接到恒電位儀的正極，將閘門連接到恒電位儀的負(fù)極，將參比電極連接到恒電位儀的參比信號(hào)輸入端子。這樣，通過江水這一良好的電解環(huán)境，陰極和陽極之間形成良好的電路通道，可以保護(hù)負(fù)極產(chǎn)生的電流源源不斷流入閘門，從而使閘門得到保護(hù)。

5 陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)

三座鋼閘門ABC都于2011年建成并投入使用。陰極保護(hù)系統(tǒng)與閘門系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)，同步施工，同步運(yùn)行。表2是三座閘門陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表2 三座閘門陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間：2011.12

針對(duì)閘門的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)制定了相關(guān)的管理和維護(hù)制度，并委托專業(yè)廠家進(jìn)行維護(hù)，以保證陰極保護(hù)系統(tǒng)能夠持續(xù)正常運(yùn)行。在2019年對(duì)陰極保護(hù)電位和保護(hù)效果進(jìn)行了調(diào)查，得到運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3。

表3 三座閘門陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間：2019.8

對(duì)閘門的防腐蝕狀況進(jìn)行了表面檢查，檢查結(jié)果表明，閘門防腐蝕系統(tǒng)效果優(yōu)異，在經(jīng)歷水下使用將近8年，閘門表面涂層基本沒有變化，無返銹，起泡或剝離現(xiàn)象，涂層結(jié)合緊密，狀況良好，見圖5。

圖5 閘門A表面狀況檢查（2019）

6 應(yīng)用效果分析

在美國國家防腐蝕協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)NACE RP0169 “Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems”中，對(duì)陰極保護(hù)和涂層的設(shè)計(jì)使用有如下描述：在設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)時(shí)，外腐蝕控制是首要考慮的因素。材料選擇和涂層是防腐蝕的第一道防線，由于完美的涂層是很難做到的，因此，必須聯(lián)合使用陰極保護(hù)[6]。水利工程對(duì)閘門的涂層防腐蝕很重視，但是難免涂層在施工過程中有些碰傷或不均勻，還有由于天氣或工藝的問題導(dǎo)致某些局部的缺陷。在這些缺陷部位，水分子比其他部位更容易浸入底層，如果沒有陰極保護(hù)，這些水分子很容易與鐵本體發(fā)生發(fā)應(yīng)，由于腐蝕產(chǎn)物氧化鐵的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵原子的體積，這樣會(huì)導(dǎo)致涂層鼓泡，從鋼鐵基底剝離，隨著腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，鼓泡破裂后，水和氧氣將與鋼鐵本體直接接觸，閘門本體將會(huì)發(fā)生生銹腐蝕。但在陰極保護(hù)系統(tǒng)作用的情況下會(huì)發(fā)生，①即使水分滲入涂層底部，鋼鐵也不會(huì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，沒有腐蝕反應(yīng)涂層就不會(huì)起泡；②在陰極保護(hù)系統(tǒng)存在的情況下，水環(huán)境中的陽離子將向閘門表面移動(dòng)，這些陽離子可在涂層缺陷處或金屬表面沉積，從而形成一層保護(hù)膜或彌補(bǔ)缺陷。從圖5也可以看出，閘門表面平整均勻，但表面啞光，似有表面薄層沉積。

從表2和表3總結(jié)了三座閘門陰極保護(hù)系統(tǒng)在2011年12月安裝調(diào)試和2019年8月檢查時(shí)的閘門表面保護(hù)電位。從表中可以看出，閘門表面的陰極保護(hù)電位都在-1.0 V以上，國標(biāo)和NACE的標(biāo)準(zhǔn)都要求鋼鐵表面保護(hù)電位達(dá)到-0.85 V或更負(fù)（相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極）。另外，從恒電位儀的輸出來看，隨著陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行年限增長(zhǎng)，輸出電流和電壓并沒有明顯的變化，這也說明目前涂層的狀況與以前相比，并沒有惡化或變差很多，這也從側(cè)面證明了陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)涂層的保護(hù)作用。

陰極保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行后的效果達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷，從使用效果來看，也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于采用了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)也可以看出，系統(tǒng)的電流可自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證閘門表面的電位達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的-0.85 V以下的要求。

一般設(shè)定陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電位在-1.2 V以下，以避免過保護(hù)，也節(jié)約了能源。

7 結(jié)論

（1）由于長(zhǎng)壽命要求和無檢修條件，在水下翻板閘門防腐蝕體系中引入了外加電流陰極保護(hù)這個(gè)方法，是一種開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)方法；

（2）三座閘門的陰極保護(hù)應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，在閘門使用外加電流陰極保護(hù)是成功的，可以起到保護(hù)涂層彌補(bǔ)涂層缺陷，從而保證閘門的長(zhǎng)期使用；

（3）對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)閘門，無論是不是翻板結(jié)構(gòu)，建議在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)項(xiàng)目情況考慮使用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。