武魏成

（中交河海工程有限公司，江蘇 南京 430012）

我國水利工程設(shè)施大多數(shù)位于內(nèi)河，海洋工況下的水利工程較少。在海洋高腐蝕環(huán)境下金屬結(jié)構(gòu)防腐要求更苛刻，單一的防腐技術(shù)無法解決這個(gè)問題，需要相應(yīng)的防腐配套技術(shù)支持，目前金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)措施包括金屬熱噴涂、油漆涂層防護(hù)、犧牲陽極保護(hù)等方式。

影響鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的因素包括自然因素、防腐材料因素及施工因素。自然因素包括溫度、海水水質(zhì)及海洋生物等；防腐材料因素包括附著力、耐濕熱性、耐酸堿性、耐鹽霧性等；施工因素主要是施工質(zhì)量差、未遵守防腐施工工藝、人為破壞防腐層等。由于海洋環(huán)境較差，在各因素綜合作用下，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕破壞類型主要以局部腐蝕至全面腐蝕的情形存在[1]。

1 工程概況

中新天津生態(tài)城北堤水閘及船閘建設(shè)工程水閘工程位于天津市濱海新區(qū)臨海新城北圍堤?hào)|側(cè)，結(jié)構(gòu)形式為換水閘，共計(jì)8孔，單孔凈寬10 m。水閘設(shè)計(jì)流量550 m3/s，閘室長度97.2 m，寬度20.5 m，主體采用鋼筋混凝土胸墻式結(jié)構(gòu)。

本工程閘門為平面定輪直升式鋼閘門，共計(jì)8扇，寬度9.94 m，高度5.4 m，單扇閘門30 t，底檻高程-2.0 m，胸墻底高程3.0 m，啟閉機(jī)工作橋頂高程14.2 m，其上安裝啟閉機(jī)基礎(chǔ)及現(xiàn)地控制設(shè)備。閘門采用四主橫梁結(jié)構(gòu)，門葉主材均為Q355B，主梁采用變截面魚腹形，跨中高1 100 mm，端部梁高900 mm，配有850 mm懸臂式主滾輪。閘門主梁、主縱梁均為“H1”型焊接結(jié)構(gòu)，端柱為雙腹板箱型結(jié)構(gòu)。

對(duì)海水取樣3 組，進(jìn)行室內(nèi)水質(zhì)簡分析試驗(yàn)。分析結(jié)果表明，海水屬Cl-、Ca2+、Mg2+型弱堿性水，pH值在8.23左右。水中各離子含量，詳見表1。

表1 地下水樣主要離子含量

經(jīng)試驗(yàn)分析，本場(chǎng)地海水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有中等腐蝕性，腐蝕介質(zhì)為Cl-、SO42-。

2 閘門腐蝕分析

本工程閘門長期處于海水水下區(qū)、水位變化區(qū)與海水浪濺區(qū)，由于重度鹽霧作用，受到嚴(yán)重化學(xué)侵蝕。閘門利用內(nèi)外海潮汐差進(jìn)行換水，腐蝕介質(zhì)主要是SO42-和Cl-，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電解質(zhì)。這種富含電解質(zhì)的溶液對(duì)于金屬具有很強(qiáng)的腐蝕作用，受潮汐作用閘門長期處于水下及干濕交替環(huán)境中，水中的氧氣快速運(yùn)動(dòng)，腐蝕更為劇烈[2]。與此同時(shí)，一些海洋中的生物例如藤壺、海蠣也會(huì)趁機(jī)附著在金屬結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致金屬表面腐蝕加速。閘門腐蝕環(huán)境及腐蝕特征，詳見表2。

表2 閘門腐蝕環(huán)境及腐蝕特征

海洋環(huán)境腐蝕速度曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，海泥區(qū)及大氣區(qū)腐蝕速度最低，飛濺區(qū)是腐蝕最嚴(yán)重部位。海洋金屬結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域選擇防腐方案。

圖1 海洋環(huán)境腐蝕速度示意

3 防腐工藝

由于海水對(duì)閘門鋼結(jié)構(gòu)及埋件腐蝕性較高，采用單一的防腐工藝很難滿足鋼結(jié)構(gòu)耐久性要求，設(shè)計(jì)采用200 μm 鋅鋁合金+60 μm 環(huán)氧富鋅防銹底漆+80 μm 環(huán)氧云鐵防銹中間漆+100 μm 船用酚醛樹脂面漆，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行犧牲陽極保護(hù)，并在施工過程中嚴(yán)格把控每道工序材料及施工質(zhì)量。

3.1 基面處理

金屬結(jié)構(gòu)在涂裝前必須進(jìn)行預(yù)處理。表面預(yù)處理采用噴射或拋射、手工或動(dòng)力工具、高壓射流等處理方法，處理后的鋼板表面應(yīng)達(dá)到或高于Sa2.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過處理后基材表面粗糙度應(yīng)達(dá)到40～150 μm?；凇端そ饘俳Y(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》（SL105-2007），表面粗糙度取值范圍根據(jù)涂層類別確定，詳見表3。處理后的鋼結(jié)構(gòu)基面應(yīng)及時(shí)涂刷底層涂料，間隔時(shí)間不應(yīng)超過5 h。

表3 表面粗糙度取值范圍 μm

3.2 金屬熱噴涂保護(hù)

金屬熱噴涂保護(hù)系統(tǒng)分為金屬噴涂層和涂料封閉層。熱噴涂是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，是表面工程技術(shù)的重要組成部分。金屬噴涂層在被涂物表層形成致密、均勻的鋅層，可以耐磨、耐蝕、隔熱、抗氧化、絕緣、導(dǎo)電、防輻射等。噴涂后必須進(jìn)行涂料封閉處理，一般采用彈性聚氨酯環(huán)氧涂料或氟碳漆，然后再涂覆中間漆和面漆。封閉后的復(fù)合涂層壽命是不封閉的1.5～2.3倍，金屬熱噴涂保護(hù)系統(tǒng)可有效使金屬結(jié)構(gòu)“延年益壽”，有效防腐年限達(dá)到20～30 a，最長的國外已有60～70 a之久。

熱噴涂表面所用金屬材料主要有鋅、鋁、鋅鋁合金或者不銹鋼等。利用陰極保護(hù)原理，在鋼鐵表面熱噴涂金屬鋅、鋁、鋅鋁合金或者不銹鋼等外加封孔劑，就可以形成長效防腐的復(fù)合涂層。

鋼結(jié)構(gòu)基底預(yù)處理驗(yàn)收合格后進(jìn)行金屬熱噴涂作業(yè)，金屬熱噴涂必須選擇干噴砂進(jìn)行表面處理，磨料粒徑最好選擇0.5～2 mm 冷激鋼砂。在晴朗天氣或者恒溫恒濕條件下，基體表面沒有浮銹狀態(tài)下可適當(dāng)延長，否則需重新噴砂。熱噴涂材料金屬鋅、鋁、鋅鋁合金絲直徑1.6～3 ㎜。

封閉涂料應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)合格，與金屬噴涂層相容并有一定的結(jié)合力。鋅涂層有效防護(hù)期完全依賴于涂層厚度，而鋁涂層則依靠表面致密的氧化膜，化學(xué)性能特別穩(wěn)定。封閉涂料為惰性基體，如選擇不當(dāng)，則可能引起皂化反應(yīng)，造成涂料脫落，形成氣泡等缺陷。金屬熱噴涂保護(hù)系統(tǒng)金屬涂層厚度，詳見表4。

表4 金屬涂層厚度

在噴涂作業(yè)過程中，噴槍距離工件10～20 cm，噴射角度為0～15°，移動(dòng)速度為12～18 cm/s。更換噴涂面時(shí)，應(yīng)有1/3 寬度的重疊噴涂帶，噴壓不低于0.4 MPa。電弧噴涂適合大面積作業(yè)。

4 犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本工程犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命不小于10 a，具有較好可更換性、可維護(hù)性。設(shè)計(jì)前，需掌握海水流速及潮位、介質(zhì)pH 值、化學(xué)成分、電阻率等；金屬結(jié)構(gòu)的電連續(xù)性及水中其他金屬結(jié)構(gòu)電絕緣情況；金屬結(jié)構(gòu)狀況、表面涂層種類和壽命；金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工資料。

4.1 單只陽極輸出電流計(jì)算

其計(jì)算公式為：

式中：Ia為單只犧牲陽極輸出電流（A）；ΔV為犧牲陽極驅(qū)動(dòng)電壓（V），鋅合金犧牲陽極取0.2～0.25 V，鋁合金犧牲陽極取0.25～0.3 V；R為回路總電阻（Ω），一般情況下其值近似等于犧牲陽極接水電阻Ra。

犧牲陽極采用旁離式安裝方法，接水電阻計(jì)算公式為：

式中：ρ為海水電阻率（Ω·cm），按35 Ω·cm 計(jì)；L為陽極長度（cm），取30 cm；r為陽極當(dāng)量半徑（cm），r=C/2π=7 cm；C為陽極截面周長（cm），取44 cm。

經(jīng)計(jì)算，得Ra=0.20 Ω。

本項(xiàng)目選用鋁合金陽極，驅(qū)動(dòng)電壓取0.25 V，則單只犧牲陽極輸出電流為Ia=0.25/0.20=1.25（A）。

4.2 陽極塊用量計(jì)算

4.2.1 保護(hù)電流密度

根據(jù)被保護(hù)金屬閘門的表面狀況、環(huán)境條件等，分別選取保護(hù)電流密度。本方案金屬閘門按全處水下進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

根據(jù)《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS153-2015），鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)電流密度選取詳見表5，必要時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

表5 裸鋼陰極保護(hù)電流密度 mA/m2

具有防腐涂層的鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電流密度在表5 選值的基礎(chǔ)上乘以涂層破損率確定，涂層初始破損率可取1%～2%，每年破損率增加值根據(jù)涂料品種和設(shè)計(jì)使用年限可取1%～3%，或根據(jù)涂層設(shè)計(jì)保護(hù)年限按表6取值。涂層破損率，詳見表6。

表6 涂層破損率

綜上，本工程工作閘門保護(hù)電流密度詳見表7。

表7 工作閘門保護(hù)電流密度 mA/m2

4.2.2 保護(hù)電流

根據(jù)《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS153-2015）6.6.5 條規(guī)定，本工程工作閘門總保護(hù)電流應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：I為總保護(hù)電流（A）；In為被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)各分部位的保護(hù)電流（A）；If為其他附加保護(hù)電流（A）；in為被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)各分部位的保護(hù)電流密度（mA/m2）；Sn為被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)各分部位的保護(hù)面積（m2）。

工作閘門保護(hù)電流計(jì)算結(jié)果，詳見表8。

表8 工作閘門保護(hù)電流

4.2.3 陽極塊數(shù)量

單個(gè)工作閘門所需要的陽極塊數(shù)量按下式計(jì)算：

式中：N為單個(gè)工作閘門所需陽極塊數(shù)量（塊）；I末為單個(gè)工作閘門陰極保護(hù)所需末期保護(hù)電流（A）；Ia為單塊陽極發(fā)生電流（A）。

工作閘門陽極塊數(shù)量計(jì)算結(jié)果，詳見表9。

表9 工作閘門陽極塊用量

4.3 犧牲陽極塊使用壽命校核

犧牲陽極塊使用年限計(jì)算公式為：

式中：t為犧牲陽極塊使用年限（a）；Wi為單個(gè)犧牲陽極塊凈重（kg）；u為犧牲陽極塊的利用系數(shù)，長條狀陽極取0.85～0.90，手鐲式陽極取0.75～0.80，其他形狀陽極取0.75～0.85；E為犧牲陽極塊消耗率[kg/（A·a）]；Im為維持保護(hù)電流（A），其值為（0.50～0.55）I，I為總保護(hù)電流（A）。

工作閘門陽極塊使用壽命計(jì)算結(jié)果，詳見表10。

4.4 保護(hù)點(diǎn)位測(cè)量

犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行10 d 后，測(cè)量工作閘門保護(hù)電位，95%測(cè)點(diǎn)的保護(hù)電位應(yīng)滿足以下要求：保護(hù)電位相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極為-850 mV；閘門不銹鋼構(gòu)件周圍保護(hù)電位比自然電位偏負(fù)200 mV。測(cè)量結(jié)果，詳見表11。

表11 電位測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語

在海洋工況環(huán)境下，水利鋼閘門的防腐工程必須在經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察分析水質(zhì)及水流等自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。在保證質(zhì)量前提下，積極采用防腐新技術(shù)及新工藝，降低施工成本。當(dāng)單一防腐體系無法滿足需要時(shí)，盡可能選擇多種防腐體系。犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)是目前比較流行的防腐技術(shù)，具有施工方便、防腐效果好等優(yōu)點(diǎn)，但施工時(shí)注意塊體布置及數(shù)量需要按照審核后布置方案及計(jì)算書進(jìn)行施工，以發(fā)揮最佳的防腐蝕效果[4]。