望亭水利樞紐鋼閘門陰極保護(hù)實(shí)踐

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(太湖流域管理局蘇州管理局， 江蘇 蘇州 215011)

1 基本情況

望亭水利樞紐位于蘇州相城區(qū)望亭鎮(zhèn)以西的望虞河與京杭大運(yùn)河交匯處，距望虞河入湖口2.2km，是望虞河排泄太湖洪水及環(huán)太湖大堤重要口門的控制建筑物。

望亭水利樞紐為2級(jí)水工建筑物，采用“上槽下洞”立交布置方式，上部為鋼筋混凝土矩形槽，槽寬60m，底高程-1.70m；下部為矩形涵洞，共9孔，每孔7.0m×6.5m(寬×高)。在上游洞首處設(shè)9孔平面鋼閘門，采用9臺(tái)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，總過水面積400m2，設(shè)計(jì)流量400m3/s。

2010年12月～2011年12月，管理單位對(duì)閘門系統(tǒng)及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更新改造。9扇鋼閘門于2011年5月全部安裝到位，并投入使用。2013年汛前，管理單位在檢查中發(fā)現(xiàn)起吊鋼閘門的鋼絲繩相繼出現(xiàn)斷絲、腐蝕情況，鋼閘門涂層也出現(xiàn)鼓泡、銹蝕現(xiàn)象。為防止鋼絲繩和鋼閘門的進(jìn)一步腐蝕，保證工程運(yùn)行安全，必須對(duì)鋼絲繩和鋼閘門采取防腐處理措施。

2 鋼閘門腐蝕原因分析

2.1 自然環(huán)境

由于望亭水利樞紐特殊的“水立交”工程結(jié)構(gòu)，鋼閘門即使開啟也全部浸沒在水下，因此望亭水利樞紐鋼閘門常年浸泡在水中。同時(shí)，望亭水利樞紐向望亭發(fā)電廠供應(yīng)冷卻水，受望亭發(fā)電廠冷卻回水影響，閘門附近水溫較周邊水域高。

2.2 金屬結(jié)構(gòu)材質(zhì)

望亭水利樞紐閘門門葉材料采用Q235B，閘門防腐采用熱噴涂鋅外加封閉油漆；門槽埋件采用復(fù)合不銹鋼板(復(fù)層材料為1Cr18Ni9，厚度為2mm，基層材料為Q235B，厚度為10mm)；鋼絲繩采用鍍鋅鋼絲繩，直徑20mm。

2.3 原因分析

a.單獨(dú)涂料保護(hù)和噴涂金屬保護(hù)都不能完全防止水下金屬結(jié)構(gòu)物的腐蝕。目前，涂料保護(hù)和噴金屬保護(hù)在水工鋼閘門防腐蝕中應(yīng)用較為廣泛。涂料保護(hù)的特點(diǎn)是施工方便、造價(jià)相對(duì)較低，但保護(hù)年限較短，需要定期維修。與涂料保護(hù)相比，噴金屬保護(hù)防腐蝕效果大大提高，保護(hù)年限較長，但對(duì)一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的構(gòu)件而言，噴金屬保護(hù)施工難度較大，質(zhì)量難以保證，保護(hù)效果不均，施工費(fèi)用較高。涂料保護(hù)和噴金屬保護(hù)都是通過涂層將金屬結(jié)構(gòu)物與環(huán)境介質(zhì)隔離來達(dá)到防腐蝕目的，由于氧氣和水能夠通過涂層孔隙和涂層缺陷直接作用于金屬表面，因此，涂層的保護(hù)作用是不完全的，在涂層孔隙和缺陷處仍會(huì)發(fā)生腐蝕。同時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)物存在應(yīng)力缺陷和焊縫缺陷時(shí)，涂層也不能阻止由此造成的應(yīng)力腐蝕和焊縫腐蝕。

b.水工鋼閘門可能發(fā)生的腐蝕類型主要有均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、沖擊腐蝕、空泡腐蝕、電偶腐蝕、腐蝕疲勞等，這些腐蝕類型往往與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或冶金因素有關(guān)。其中，當(dāng)一種不太活潑的金屬(陰極)和一種比較活潑的金屬(陽極)在同一環(huán)境中接觸時(shí)，組成電偶并引起電流，從而造成電偶腐蝕，加快較活潑的金屬腐蝕。影響電偶腐蝕的主要因素是環(huán)境、介質(zhì)導(dǎo)電因素和陰陽極的面積比。

望亭水利樞紐閘門門葉、門槽埋件、鋼絲繩均為不同材料，且閘門附近水溫較周邊水域高。為判斷閘門、鋼絲繩與門槽埋件之間是否形成了電偶腐蝕，管理單位測(cè)量了其中2孔閘門不同位置的自然電位。根據(jù)DL/T 5358—2006《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備防腐技術(shù)規(guī)程》，金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)備材質(zhì)為碳素鋼或低合金鋼時(shí)，在含氧環(huán)境中保護(hù)電位應(yīng)達(dá)到-0.85V或更負(fù)(相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極)，在缺氧環(huán)境中保護(hù)電位電位應(yīng)達(dá)到-0.95V或更負(fù)。

測(cè)量電位時(shí)采用銅/硫酸銅參比電極，高內(nèi)阻數(shù)字電壓表(見表1)。

表1 閘門自然電位測(cè)量結(jié)果

測(cè)量資料分析表明，電偶作用使不銹鋼門槽埋件受到保護(hù)，減輕了腐蝕。無保護(hù)裸露的鋼絲繩首先被腐蝕，造成鋼絲繩斷絲，斷面減小。閘門涂鋅層電位較負(fù)而加速消耗，局部腐蝕產(chǎn)生的積累造成表面涂料涂層快速鼓泡失效。因此，不銹鋼門槽埋件轉(zhuǎn)移了腐蝕作用，加快了鋼絲繩腐蝕、閘門涂層鼓泡、閘門葉邊角腐蝕。

3 陰極保護(hù)方法

陰極保護(hù)是向被保護(hù)金屬表面通入足夠的陰極電流，使陰極極化以減小或防止金屬腐蝕的一種電化學(xué)防腐蝕保護(hù)技術(shù)，是防止金屬電化學(xué)腐蝕的根本方法。它可以防止金屬在土壤、海水、淡水等多種電解質(zhì)中的腐蝕。陰極保護(hù)不僅可以防止金屬的均勻腐蝕，還能有效防止各種局部腐蝕，使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的使用壽命成倍延長。

實(shí)施陰極保護(hù)可以采用外加電流和犧牲陽極兩種方式。外加電流用直流電源給被保護(hù)金屬通以陰極電流，保護(hù)系統(tǒng)主要由直流電源、輔助陽極、參比電極和電纜等組成。犧牲陽極保護(hù)是在被保護(hù)的金屬上連接一種電極電位更負(fù)的金屬或合金(稱為犧牲陽極)，通過犧牲陽極的自我溶解和消耗，使被保護(hù)金屬得到陰極電流。外加電流和犧牲陽極保護(hù)的基本原理和保護(hù)效果都是相同的，但各有優(yōu)缺點(diǎn)(見表2)，對(duì)兩種保護(hù)方式的選擇主要取決于工程實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)所具備的具體條件。

表2 外加電流法和犧牲陽極法的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)水工鋼閘門而言，宜采用犧牲陽極保護(hù)。犧牲陽極保護(hù)非常簡單，只需事先在構(gòu)件上焊接安裝一定數(shù)量的犧牲陽極，在方案設(shè)計(jì)合理、陽極材料和陽極焊接質(zhì)量滿足要求的條件下，就能達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果，而且保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行中，不需要任何維護(hù)管理。目前我國的犧牲陽極材料已經(jīng)國標(biāo)化，其質(zhì)量完全可以滿足要求，另外由于犧牲陽極的焊接安裝是在陸上進(jìn)行的，焊接質(zhì)量也可以得到保證。因此采用犧牲陽極保護(hù)不僅方便，而且可靠，是完全可行的。

4 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)望亭水利樞紐鋼閘門實(shí)際，采用犧牲陽極保護(hù)。

4.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求

9扇鋼閘門進(jìn)行犧牲陽極保護(hù)設(shè)計(jì)，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命為15年。鋼閘門寬7.24m、高6.79m，每扇鋼閘門保護(hù)面積約為250m2，9扇鋼閘門保護(hù)面積合計(jì)約為2250m2。

4.2 犧牲陽極材料

目前常用的犧牲陽極材料是鋅、鋁和鎂三大類合金材料。鎂合金主要應(yīng)用于電阻率較高的淡水和土壤環(huán)境中，鋁合金主要應(yīng)用于海水環(huán)境中，鋅合金主要應(yīng)用于海水和電阻率較低的土壤環(huán)境中。該工程鋼閘門處于淡水環(huán)境條件，選用鎂合金犧牲陽極，陽極化學(xué)成分和電化學(xué)性能應(yīng)符合《鎂合金犧牲陽極》(GB/T 17731—2009)要求。

4.3 犧牲陽極規(guī)格和用量

根據(jù)保護(hù)面積、單只犧牲陽極發(fā)生電流和保護(hù)壽命要求，設(shè)計(jì)采用單只犧牲陽極重量為8kg，犧牲陽極尺寸為(75+95)mm×75mm×700mm。每扇鋼閘門需34塊鎂合金犧牲陽極，9扇鋼閘門共安裝鎂合金陽極306只，重量為2448kg。

4.4 犧牲陽極安裝方法

清除犧牲陽極工作表面的油污和污物；根據(jù)施工圖紙，確定犧牲陽極安裝位置；將犧牲陽極兩端的鐵芯與閘門焊接在一起，鐵芯采用對(duì)面焊接，每邊焊接長度大于2.5cm；焊接完成后將鐵芯和焊接處的浮渣清除干凈，再使用環(huán)氧類涂料進(jìn)行涂刷封閉；檢查所有犧牲陽極是否安裝牢固，焊接處涂層修補(bǔ)是否滿足要求。

4.5 保護(hù)電位測(cè)量

犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行10天后，測(cè)量鋼閘門保護(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)電位負(fù)于-850mV(相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極)；靠近不銹鋼軌等部位，保護(hù)電位比自然電位偏負(fù)200mV。

4.6 閘門涂層維修

在閘門重新涂裝維修時(shí)，采用電動(dòng)鋼絲刷去除破損涂層和除銹，對(duì)已銹蝕和熱噴涂層脫落位置涂刷兩道環(huán)氧富鋅，厚度80μm。閘門兩側(cè)面、底面及距閘門側(cè)面、底面50cm范圍內(nèi)，涂刷三道環(huán)氧云母中間漆，涂層的干膜厚度為150μm，其他部位涂刷兩道環(huán)氧云母中間漆，涂層的干膜厚度為100μm。整個(gè)閘門表面再涂刷一道可覆涂聚氨酯面漆，涂層的干膜厚度為50μm。側(cè)面、底面及四周區(qū)域涂層干膜厚度大于200μm，其他部位涂層干膜厚度大于150μm。

5 保護(hù)效果

5.1 測(cè)量保護(hù)電位

2013年8月，在犧牲陽極安裝后，采用相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極的方法，用高電阻數(shù)字電壓表測(cè)量了望亭水利樞紐鋼閘門的保護(hù)電位，結(jié)果見表3。

表3 鎂合金陽極安裝后鋼閘門保護(hù)電位

鋼閘門采取犧牲陽極保護(hù)措施后，鋼閘門保護(hù)電位在-883～-1132mV之間，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的保護(hù)電位低于-850mV的要求。表明犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行正常，鋼閘門受到有效保護(hù)。

5.2 閘門保護(hù)效果檢查

2013年汛后，管理單位結(jié)合汛后檢查，將望亭水利樞紐9孔鋼閘門提出水面逐一進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)閘門無進(jìn)一步銹蝕發(fā)生。為進(jìn)一步驗(yàn)證犧牲陽極陰極保護(hù)效果，管理單位選擇一孔閘門進(jìn)行試驗(yàn)，將原生銹的閘門表面進(jìn)行了除銹處理，在鎂合金犧牲陽極塊安裝后，未進(jìn)行涂層封閉，閘門金屬表面自然裸露在水中，汛后檢查發(fā)現(xiàn)該閘門表面無銹跡，說明鎂合金犧牲陽極陰極保護(hù)效果良好。

6 結(jié) 語

水工鋼閘門是水利工程的重要組成部分，鋼閘門能否安全可靠運(yùn)行決定著水利工程效益的發(fā)揮，由于鋼閘門運(yùn)行環(huán)境各不相同，需要各級(jí)管理單位更加重視鋼閘門的檢查、維修和保養(yǎng)，采用新的技術(shù)加強(qiáng)對(duì)鋼閘門的防腐蝕處理，確保閘門運(yùn)行安全。

[1] SL 74—95 水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] SL 176—2007 水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] DL/T 5358—2006 水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備防腐蝕技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB/T 17731—2009 鎂合金犧牲陽極[S].

[5] 朱錫昶，等.碼頭鋼管樁犧牲陽極陰極保護(hù)10年效果 [J].水運(yùn)工程，2008(6).