江蘇淮河流域水利工程腐蝕與防護方案應用研究

王占華，吳舒海，王守香，張小陽

(1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044;2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127;3.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州 225003)

江蘇淮河流域水利工程腐蝕與防護方案應用研究

王占華1，吳舒海2，王守香3，張小陽1

(1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044;2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127;3.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州 225003)

通過選取水利工程常用的碳鋼材料、不銹鋼材料、金屬涂層及涂料涂層體系等形成了幾十種配套方案,在江蘇淮河金灣閘淡水及小洋口擋潮閘海淡水環(huán)境進行了為期1年的實際環(huán)境試驗,試驗結果對比表明:含鋁涂層在淡水及海淡水環(huán)境下應盡量避免使用,封閉漆應選用環(huán)氧封閉漆,2種水質環(huán)境下對面漆耐水性要求較高,單純的涂料涂層在2種水質環(huán)境下均發(fā)生了失效,普通不銹鋼C r 13在2種水質環(huán)境下均出現(xiàn)了腐蝕失重,Q 460q (St e 355)在小洋口海淡水環(huán)境腐蝕速率比金灣閘淡水環(huán)境快很多。

江蘇淮河;腐蝕與防護方案;淡水;海淡水

為準確了解淮河流域材料腐蝕狀況，設計執(zhí)行了“江蘇淮河流域水利工程腐蝕與防護方案應用研究”項目。結合江蘇淮河流域水利工程金屬結構防腐特點，設計了常用的金屬防護涂層體系、金屬涂層及其封閉體系、常用涂料涂層、金屬材料及涂料復合保護體系、新涂料應用體系等共39種進行比較;試驗也選擇了3種常用碳鋼材料及4種不銹鋼金屬材料進行自然環(huán)境下腐蝕規(guī)律研究。

根據(jù)試驗安排，本項目試驗選取揚州市江都金灣閘和南通小洋口入?？跀r潮閘處作為試樣投放位置，其水質可分別代表淮河流域淡水環(huán)境、海淡水交界環(huán)境。

于2012年底完成了試樣及試樣架制作，并于2013年4月初完成了試樣投放工作。試驗周期設定為1、2、3、4年。按照取樣計劃，2014年4初月完成了1年試驗周期取樣工作?，F(xiàn)將1年試驗時間的試驗結果總結分析，供同仁參考指正。

1 試驗環(huán)境及水質情況

在表1及表2中列出了江都金灣閘、小洋口入?？跀r潮閘部分水質數(shù)據(jù)。

從表1-2中可以看出，江都金灣閘水質比較穩(wěn)定，不同季節(jié)的變化不大，pH保持弱堿性，為7.7～8.3;總硬度保持在127～163m g/L、溶解氧在5.1～12.2m g/L、氯離子在39.5～53.6m g/L、硫酸鹽在34.7～47.3m g/L、化學需氧量在16.7～ 20.0m g/L;小洋口擋潮閘水質數(shù)據(jù)看也比較穩(wěn)定，pH值始終呈弱堿性，保持在7.57～7.81之間，懸浮物、溶解氧、總氮和化學需氧量也基本一致;可以認為水質對試樣腐蝕速率的影響在整個投放期間基本不變。

表1 江都金灣閘水質(節(jié)選)

表2 小洋口港攔潮閘水質(節(jié)選)

2 試樣制備及試驗方案

試驗方案以考察各種涂料涂層的保護性能和金屬材料的自然腐蝕速率為主。金屬涂層包括鋅、鋁、鋅鋁合金(Z nA l 15)、鋅鋁假合金、鋅鋁合金(Z n-A l)、先噴鋅后噴鋁、先噴鋁后噴鋅，厚度均在120μ m左右。金屬涂層保護系統(tǒng)選擇的金屬涂層包括噴鋅、噴鋁，厚度在120μ m左右，選擇的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、環(huán)氧面漆、環(huán)氧聚氨酯、丙烯酸聚氨酯、氟碳面漆，封孔涂料厚度均為80μ m。復合涂層系統(tǒng)采用的金屬涂層包括噴鋅、噴鋁，厚度在120μ m左右，選擇的底漆為環(huán)氧富鋅，中間漆為環(huán)氧云鐵，面漆包括氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、環(huán)氧聚氨酯、丙烯酸聚氨酯、氟碳面漆。為了考察單獨使用涂料的可行性，還設計了幾種涂料配套及單一涂料試驗，涂料配套選用的底漆為環(huán)氧富鋅、中間漆為環(huán)氧云鐵、面漆分別為氯化橡膠、環(huán)氧面漆、丙烯酸聚氨酯、環(huán)氧聚氨酯、氟碳面漆，每道涂層均為80μ m，選擇的單一涂料包括改性環(huán)氧600、環(huán)氧焦油、改性環(huán)氧60、環(huán)氧600+玻璃鱗片、低表面環(huán)氧樹脂漆、氯化橡膠、環(huán)氧面漆、丙烯酸聚氨酯、環(huán)氧聚氨酯、氟碳，涂層厚度240μ m?？疾旖饘僮匀桓g速率的碳鋼材料為Q 235B、Q 345、Q 460q(St e 355)，不銹鋼材料為304、316L、C r 17、C r 13。

試樣規(guī)格安裝按照GB5776［1］要求，由江蘇省水利機械制造有限公司統(tǒng)一進行制作，涂料由某廠家統(tǒng)一提供。涂層試樣表面預處理清潔度達到GB 8923［2］中規(guī)定的 Sa 2，粗糙度等級達到 GB/T 13288［3］規(guī)定的中級。每個試樣通過打孔進行唯一性標識，然后用銅棒固定在金屬構架上，試樣與試樣之間、試樣與銅棒之間用塑料套管絕緣。涂層試樣進行定期觀察，金屬試樣按 GB16545［4］標準規(guī)定的方法進行處理。

3 試驗結果與討論

3.1 各種涂層系統(tǒng)在2種環(huán)境中的保護作用比較

3.1.1 純金屬涂層

表3列出了幾種純金屬涂層的1年試驗結果，從結果中可以看出:單純金屬涂層在不封閉的情況下只有噴鋅涂層在2種水質環(huán)境中表現(xiàn)出了明顯的電化學保護作用，試樣外觀沒有失效現(xiàn)象，但消耗非常明顯，應用時必須與涂料涂層配合使用。先噴鋅后噴鋁涂層在金灣閘也表現(xiàn)出了一定的電化學保護性能，涂層未出現(xiàn)明顯變化，但在小洋口攔潮閘處則出現(xiàn)了較多析出物。噴鋁、鋅鋁合金、噴A c鋁、鋅鋁合金(Z n-A l 50)先噴鋁后噴鋅等含鋁涂層試驗后表面均出現(xiàn)了較多白色析出物，部分有脫落生銹。涂層表面白色析出物為鋁的腐蝕產(chǎn)物，原因是腐蝕發(fā)生后，在鋁表面形成鈍化膜使得涂層進一步消耗受到了阻礙，失去對鋼鐵的保護性能，說明含鋁涂層在江蘇淮河淡水及海淡水環(huán)境中應盡量避免直接應用［5］，與在三門峽水庫和新疆“635”水庫中結果一致［6，7］。含鋁涂層在海淡水環(huán)境中也出現(xiàn)白色析出物，說明在小洋口入?？谔幒５h(huán)境中的氯離子還不能夠連續(xù)破壞鋁的鈍化膜，促進其消耗溶解進而對鋼鐵提供電化學保護作用。

表3 金屬涂層1年試驗結果

3.1.2 金屬涂層與封閉涂料

表4列出了金屬涂層封閉1年后的試驗情況，從表4中可以看出，金灣閘淡水環(huán)境中以鋅為基底金屬時，幾種封孔涂料表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)明顯的失效現(xiàn)象，以鋁為基底時，環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵表現(xiàn)良好，其余均出現(xiàn)了失效現(xiàn)象;小洋口海淡水環(huán)境中以鋅為基底時，環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵、氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆表現(xiàn)良好，其余出現(xiàn)失效現(xiàn)象;以鋁為基底時均出現(xiàn)了失效現(xiàn)象。試驗結果說明封閉涂料性能不僅與應用環(huán)境有關，也與基底金屬具有十分緊密的聯(lián)系。實際選擇時，以環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵效果最好。

表4 金屬涂層封孔涂料1年試驗結果

3.1.3 金屬涂層與涂料復合保護體系

該體系考察面漆耐水性，試驗選定的底漆與中間漆相同，均為環(huán)氧富鋅漆與環(huán)氧云鐵中間漆。表5列出了金屬涂層與涂料復合保護體系1年試驗結果。從試驗結果來看，這幾種面漆在基底金屬沒有進行封閉的情況下，以鋁為基底時，2種水質環(huán)境下，全部面漆出現(xiàn)了起泡失效現(xiàn)象;以鋅為基底時，環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、氟碳面漆在兩種水質環(huán)境中表現(xiàn)良好，氯化橡膠丙烯酸聚氨酯出現(xiàn)了起泡失效現(xiàn)象;環(huán)氧聚氨酯面漆則在金灣閘淡水環(huán)境中表現(xiàn)良好，在小洋口海淡水環(huán)境中，則出現(xiàn)失效。

表5 金屬涂層及涂料復合保護體系1年試驗結果

3.1.4 單獨涂料保護體系

單獨涂料保護體系考察不采用金屬涂層的防腐性能。表6列出了幾種單獨涂層1年試驗結果。從試驗結果看，環(huán)氧體系中除了環(huán)氧聚氨酯出現(xiàn)失效，其余均表現(xiàn)良好，氟碳涂料表現(xiàn)良好;氯化橡膠、丙烯酸聚氨酯則出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，與金屬涂層及涂料涂層試驗結果基本一致。氯化橡膠面漆出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，說明這2種水質環(huán)境對面漆的耐水性具有非常高的要求，也可能與試樣制作質量、配套采用的涂料品種有關。

表6 單獨涂料保護體系1年試驗結果

3.2 金屬材料在2種水質環(huán)境中的腐蝕

3.2.1 常用碳鋼材料在2種水質環(huán)境中的腐蝕

圖1為3種碳鋼材料在金灣閘及小洋口2種水質環(huán)境中1年的腐蝕情況。從圖1中可以看出:

(1)Q 235B、Q 345及Q 460q(St e 355)與在江都金灣閘水質環(huán)境中腐蝕比較接近。腐蝕速率基本相同。

(2)Q 235B、Q 345和Q 460q(St e 355)在小洋口港海淡水交界水質環(huán)境中腐蝕程度比較接近，腐蝕速率基本相同;而Q 460q(St e 355)在海淡水環(huán)境中腐蝕速度明顯比 Q 235B及 Q 345高很多，約為其2.5倍。

(3)Q 235B、Q 345在上述淡水及海淡水環(huán)境中腐蝕速度基本一致，但Q 460q(St e 355)在海淡水環(huán)境中腐蝕速率約為在淡水環(huán)境中腐蝕速率的2.5倍。

由于金灣閘水質基本穩(wěn)定，且為弱堿性，流速也較小，生成的腐蝕產(chǎn)物不易溶解，對碳鋼材料Q 235B、Q 345及Q 460q(St e 355)腐蝕速度影響基本差不多;小洋口閘試樣掛片位置海淡水交替，海水也屬于弱堿性，pH值也在7.8，故Q 235與Q 345碳鋼腐蝕速度與淡水中差不多，但Q 460q(St e 355)屬于低合金高強度鋼材，在海淡水環(huán)境中電導率接近海水，電偶腐蝕效應更明顯，進而導致 Q 460q (St e 355)腐蝕速度大大增加。

圖1 碳鋼在2種水質環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)

3.2.2 不銹鋼在兩種水質環(huán)境中的腐蝕

圖2為常用的304、316L、C r 17、C r 13不銹鋼在2種水質環(huán)境中1年的腐蝕情況。從圖2中可以看出:

(1)304、316L、C r 17這3種不銹鋼在2種水質環(huán)境中均沒有明顯的失重現(xiàn)象，可以認為這3種材料在這2種水質環(huán)境中是比較耐蝕的，可以單獨應用，與不銹鋼在三門峽水庫腐蝕情況類似［8］。

(2)C r 13不銹鋼在2種水質環(huán)境中均出現(xiàn)了明顯的失重，這與其耐蝕成分C r含量不夠高，無法形成連續(xù)鈍化保護膜有關系，在實際應用中應謹慎。

圖2 不銹鋼在2種水質環(huán)境中的腐蝕規(guī)律

4 結論

針對江蘇淮河流域金灣閘淡水及小洋口海淡水水質特點，通過試驗可以得到以下結論。

(1)噴鋅對于鋼鐵基底能夠提供良好的電化學保護作用，推薦應用;含鋁涂層包括噴鋁、A c鋁、鋁鎂合金、鋅鋁合金、先噴鋁后噴鋅在兩種水質環(huán)境中均不宜使用;先噴鋅后噴鋁在淡水環(huán)境中可以使用。

(2)金屬涂層的封閉涂層推薦采用環(huán)氧封閉漆及環(huán)氧云鐵，其它涂料不適合直接在金屬涂層上使用。

(3)金屬涂層與涂料涂層配合時，應優(yōu)先選擇環(huán)氧面漆、環(huán)氧瀝青、氟碳涂層。

(4)除了氯化橡膠、環(huán)氧聚氨酯、丙烯酸聚氨酯涂料及其配套體系出現(xiàn)起泡失效外，所選擇的幾種單純的涂料涂層或涂層體系在試驗過程中表現(xiàn)良好，說明2種水質下單純應用涂料涂層具備一定的可行性，其效果還有待后續(xù)檢驗。

(5)Q 235B與Q 345在2種環(huán)境中腐蝕速率基本一致，Q 460q(St e 355)在海淡水環(huán)境中腐蝕速率約為淡水環(huán)境中2.5倍。

(6)304、316L、C r 17在2種水質環(huán)境中沒有發(fā)生明顯的腐蝕，C r 13在海淡水環(huán)境中的腐蝕速率約為淡水環(huán)境中的2倍。

［1］GB5776-2005.金屬和合金的腐蝕 金屬和合金在表層海水中暴露和評定的導則［S］.

［2］GB8923.2-2008.涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的目視評定方法［S］.

［3］GB/T13288.1-2008.涂覆涂料前鋼材表面處理 噴射清理后的鋼材表面粗糙度特性 第一部分:用于評定噴射清理后鋼材表面粗糙度的I SO表面粗糙度比較樣塊的技術要求和定義［S］.

［4］GB16545-1996.金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除［S］.

［5］江寧，王占華，張小陽，等.水工金屬結構防腐蝕技術及行業(yè)質量管理發(fā)展概況［J］.水利技術監(jiān)督，2010(06).

［6］王占華，張小陽，楊建良.金屬材料及防護涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究及應用(二)［J］.水利技術監(jiān)督，2009 (02).

［7］張小陽，關新成，王占華.金屬材料及防護涂層在兩種淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究［J］.水利規(guī)劃與設計，2006(05).

［8］王占華，張小陽，楊建良.金屬材料及防護涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗研究及應用(一)［J］.水利技術監(jiān)督，2009 (01).

T G 174.445

A

1008-1305(2016)05-0030-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.013

2015-10-20

王占華(1977年—)，男，高級工程師。