犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)在鋼閘門防腐中的應(yīng)用

劉 良 舒劉海 俞文捷

一、概述

某泵站是淮河入海水道近期工程穿堤建筑物骨干工程，主要功能是自排、抽排澇水和污水至入海水道。泵站上游有一中大型造紙廠，并肩負(fù)排除該縣城市污水的任務(wù)，介質(zhì)為有一定程度污染的淡水，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有強(qiáng)腐蝕性。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括進(jìn)水口事故鋼閘門、出水口快速鋼閘門和自排孔閘門，進(jìn)水口事故鋼閘門和出水口快速鋼閘門均采用（3.5×2.6-9.78）m（寬×高- 水頭，下同）潛孔式平面定輪鋼閘門，各計(jì)3扇，閘門外形尺寸 3.6m×3.1m×0.45m（寬×高×厚度，下同），快速閘門門體自帶兩扇小拍門，外形尺寸1.24m×1.2m×0.22m；自排孔閘門采用（5.0×3.6-9.48）m潛孔式平面定輪鋼閘門，計(jì)1扇，閘門外形尺寸5.1m×4.0m×0.55m。

二、采取犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的必要性

1.鋼閘門腐蝕情況

鋼閘門材料通常采用普通碳素鋼或低合金鋼，它們長(zhǎng)期處于大氣、淡水、干濕交替及水流沖刷等環(huán)境中，受到不同水質(zhì)、光照、溫度等環(huán)境影響和泥沙、漂浮物的撞擊等物理、化學(xué)和電化學(xué)作用，所以不可避免地遭受不同程度的腐蝕，大致分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

一般鋼材在純凈的淡水中均勻腐蝕速度較低，只有0.01～0.04mm/a，但被污染的水質(zhì)對(duì)鋼鐵的腐蝕速度是無(wú)污染地區(qū)的幾倍甚至幾十倍，局部腐蝕更為嚴(yán)重，以點(diǎn)蝕和坑蝕為主，傳統(tǒng)的噴金屬加涂層封閉保護(hù)措施難以長(zhǎng)時(shí)間保護(hù)鋼閘門不受腐蝕。例如某鋼閘門于1996年實(shí)施噴鋅加涂層封閉保護(hù)措施，到2000年檢查閘門發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域已出現(xiàn)銹點(diǎn)，閘門下部涂層破損嚴(yán)重，閘門腐蝕，經(jīng)過(guò)分析研究是由于水閘附近水域受到嚴(yán)重污染，另一方面是由于水閘開(kāi)啟頻繁，閘門下部受到水流沖刷，涂層和噴鋅層損壞造成的。

2.犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)原理和作用

陰極保護(hù)是向被保護(hù)金屬表面通入足夠的陰極電流，使其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)。陰極保護(hù)分為通過(guò)外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)兩種方式，由于外加直流電源，裝置復(fù)雜，對(duì)鄰近構(gòu)件干擾大，維護(hù)管理工作量大，易產(chǎn)生雜散電流，目前主要采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)施工簡(jiǎn)單、不會(huì)對(duì)水體等環(huán)境造成污染、對(duì)周邊金屬設(shè)施干擾小、電流發(fā)散能力好、陽(yáng)極利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以防止金屬的均勻腐蝕，而且還能有效防止各種局部腐蝕，如點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、焊縫腐蝕等，從而使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的使用壽命成倍延長(zhǎng)。目前犧牲陽(yáng)極保護(hù)被廣泛應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該站上游有中大型造紙廠，水質(zhì)污染造成pH值變化，有害離子濃度加大，會(huì)加速金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，另外城市污水造成水中溶解氧減少，而發(fā)生厭氣性微生物增殖，產(chǎn)生硫化氫等，都將加速金屬的腐蝕。因此對(duì)該站采取傳統(tǒng)防腐外，增加犧牲陽(yáng)極聯(lián)合保護(hù)是非常必要的，具有以下兩方面的作用：（1）當(dāng)閘門表面局部涂層由于各種原因遭到破壞時(shí)，陰極保護(hù)電流會(huì)集中流向此處，使之極化，并在其表面形成一層鈣、鎂陰極產(chǎn)物膜保護(hù)層，從而降低局部腐蝕的進(jìn)程；（2）當(dāng)涂層完好時(shí)，陰極保護(hù)電流均勻地分布在涂層的微觀孔洞上，保護(hù)閘門和噴金屬層不遭受腐蝕，防止腐蝕造成涂層剝離破損，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。

三、犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)

該工程防腐采用傳統(tǒng)防腐+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)相結(jié)合的防腐措施，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)防腐采用噴鋁120μm，磷化底漆 5～10μm，再涂環(huán)氧云鐵防銹漆100μm（中間層），丙烯酸聚氨酯面漆80μm（面層）；除銹要求為噴砂除銹使清潔度不低于Sa2.5和粗糙度達(dá)Rz60～100μm。

由于該工程資金緊張，針對(duì)各閘門特點(diǎn)和重要性，綜合考慮對(duì)進(jìn)水口事故鋼閘門和出水口快速鋼閘門進(jìn)行犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。

根據(jù)閘門使用年限和維修周期考慮，按照不低于15年設(shè)計(jì)使用壽命設(shè)計(jì)。

1.設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

根據(jù)該站水質(zhì)的化學(xué)成分、pH值、電阻率、污染狀況以及溫度、流速等勘測(cè)資料，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括保護(hù)電流密度、保護(hù)電位和介質(zhì)電阻率等。

（1）保護(hù)電流密度

根據(jù)鋼閘門所處的環(huán)境和運(yùn)行工況，按照下列公式計(jì)算：

式中：ic—有涂層鋼的保護(hù)電流密度；

ib—無(wú)涂層鋼的保護(hù)電流密度，取40A/m2；

fc—涂層破損系數(shù)，0＜fc≤1，取10%。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，保護(hù)電流密度為4mA/m2。

（2）保護(hù)電位

該鋼閘門在大氣環(huán)境下工作，保護(hù)電位應(yīng)在-0.85～-1.2V（相對(duì)于銅/飽和硫酸銅參比電極）之間，保證最大保護(hù)電位不損壞鋼閘門的涂層。

（3）介質(zhì)電阻率

介質(zhì)電阻率按4000Ω·cm計(jì)。

2.保護(hù)面積和保護(hù)電流

根據(jù)閘門運(yùn)行時(shí)位于水下的高度和接觸河水部位，按照閘門實(shí)際尺寸計(jì)算保護(hù)面積，鋼閘門保護(hù)面積和保護(hù)電流成果表見(jiàn)表1。

3.犧牲陽(yáng)極塊設(shè)計(jì)

常用的犧牲陽(yáng)極材料選用鋅基、鋁基和鎂基合金，其中鎂基合金適用于淡水和淡海水環(huán)境，鎂基合金分為純鎂、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金三類，它們共同的特點(diǎn)是密度小、理論電容量大、電位負(fù)、極化率低，適用于電阻率較高的土壤和淡水中金屬構(gòu)件的保護(hù)，在鎂中加入適量Al、Zn和Mn等元素組成合金，可使鎂陽(yáng)極的電化學(xué)性能得到改善。由于該工程環(huán)境介質(zhì)電阻率較高，設(shè)計(jì)選用鎂合金Mg-6Al-3Zn-Mn犧牲陽(yáng)極材料。

犧牲陽(yáng)極的規(guī)格按照鋼閘門結(jié)構(gòu)形式、保護(hù)電流和使用年限按照規(guī)范計(jì)算，保證鋼閘門各處保護(hù)電位滿足規(guī)范要求，犧牲陽(yáng)極材料、規(guī)格和用量成果表見(jiàn)表2。

陽(yáng)極塊布置在面板或后翼緣上，通過(guò)螺栓M12（螺栓焊于面板或后翼緣）連接；布置在縱梁腹板上，通過(guò)對(duì)銷螺栓M12固定在縱梁腹板上，在閘門和鎂合金之間用橡皮墊塊隔離，螺栓焊接位置防腐封閉。

表1 鋼閘門保護(hù)面積和保護(hù)電流成果表

表2 犧牲陽(yáng)極材料、規(guī)格和用量成果表

四、結(jié)語(yǔ)

該工程投入使用10年來(lái)，在污染水質(zhì)下采用的傳統(tǒng)防腐+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案比較成功，防腐涂層完好，陽(yáng)極塊消耗明顯，說(shuō)明犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)起作用，達(dá)到了預(yù)期效果。

2013年環(huán)境友好型長(zhǎng)效犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)在水工鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已列入《2013年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。該技術(shù)在南沱河徐樓閘除險(xiǎn)加固工程中得到推廣應(yīng)用，目前工程已竣工驗(yàn)收■