基于水利水電工程金屬結構腐蝕分析與防腐措施控制研究

蔣天元

(遼寧西北供水有限責任公司，沈陽 110000)

0 引 言

在海水、漂浮物、氧氣、水流等因素的作用下攔污柵、引水光管、閘門等水利水電工程結構，通常存在較為嚴重的腐蝕問題。受腐蝕損傷后的水工金屬結構截面面積大大減少，應力急劇增大，從而使得整個結構剛度、剛度和承載力降低，對金屬設備的使用壽命和正常運行造成不利影響[1]。

通過統計分析腐蝕數據和腐蝕監(jiān)測，可為結構應力計算和構建蝕余厚度的確定提供數據支撐，為估算構件的使用年限、腐蝕速率和金屬結構的腐蝕程度提供科學的依據。數據處理和安全監(jiān)測為水利水電工程安全檢車的主要內容，為更加全面、準確的了解設備運行狀態(tài)有必要采取科學有效的方法檢測其腐蝕程度，從而為采取有效的防腐措施提供重要的決策依據。

1 腐蝕監(jiān)測

1.1 表面處理

處于潮濕或水下惡劣環(huán)境中的鋼閘門等水工金屬結構，長期受各類污物的腐蝕和污染作用，構建表面常常附著氧化皮、水生物、塵土、雜草及泥垢等雜物。所以，表面處理為腐蝕檢測的基本前提和條件。

總體上可將表面處理分2步完成，首先對構件表面的塵土、雜草、泥垢等雜物利用水沖洗法清洗，然后對表面附著的水生物、氧化物和鐵銹利用刮刀及鋼絲刷除去，最后用軟布擦拭干凈表面。在表面處理過程中應避免對金屬本體的損傷，且能夠完全去除腐蝕物。

1.2 腐蝕監(jiān)測

水工金屬結構經過長期的服役運行，均在一定程度上存在銹蝕現象。銹蝕后的金屬結構面積、整體剛度及強度顯著減少，結構所承受的應力急劇增大，對其安全運行產生直接的不利影響。為了更加科學、合理的檢測銹余厚度和速度有必要采取合適的檢測措施，為結構應力計算和水利水電工程安全運行評估提供重要的數據支撐。

腐蝕監(jiān)測項目主要包括銹孔或秀坑的大小、分布特征、密集程度等；腐蝕部位的銹余面積、發(fā)生銹蝕區(qū)域占比；構件腐蝕分布狀況及其位置等。由于所處環(huán)境的差異，即使不同部位的同一構件的環(huán)境條件也有所差異，因此水工金屬結構的腐蝕程度不一，在檢測過程中應結合構件的腐蝕特征選取合適的方法。當前，較為常用的銹蝕監(jiān)測方法有割取試件法、橡皮泥法、超聲波法直接量測法等。另外，對于構件銹蝕深度利用特制的游標卡尺或焊縫檢測尺測量時，最常用、最直接的輔助方法還有腐蝕曲線配合照片法。

對于存在銹蝕深度淺、腐蝕程度均勻的銹坑，工程上一般采用測厚儀法，如果構件上分布有少而分散的銹孔腐蝕，則特制的量具為適宜的檢測方法；針對存在密布成片且銹坑較深的構建，橡皮泥填充法為工程上普遍應用的方法，割取試件法一般適用于允許切割的構件。在實際工程中，應結合現場具體的條件選取合適的檢測方法。

2 金屬結構腐蝕數據分析

當前，檢測數據處理采用的主要方法有列表法、直方圖法和對比法等，在實際應用時各方法均存在其優(yōu)缺點，在實際應用時可配合使用也可單獨應用，應結合構件腐蝕的實際情況選擇合適的方法。一般情況下，選取腐蝕率速率反映金屬結構的腐蝕狀況。

2.1 腐蝕速率

(1)

2.2 數據分析方法

鋼閘門為最常見的水工金屬結構，可從如下方面分析溢洪道等閘門的腐蝕監(jiān)測數據，從而更加系統、全面的掌握閘門整體及構件的局部和均勻銹蝕狀況，具體如下：

2) 同一構件不同閘門的腐蝕速率和腐蝕量。根據主梁、縱梁、小橫梁、面板和支臂等不同結構類型分類整理所有的數據資料，然后作出發(fā)生不同程度銹蝕的直方圖，結合直方圖確定各構件腐蝕量的和，不同構件的腐蝕量表示為，根據具體情況也可計算相應的腐蝕速率。

為了能夠準確、客觀的反映銹余厚度和原厚度之間的變化特征，工程上主要采用列表法和對比圖法，單元工程閘門不同構件的腐蝕狀況可依據該項數據進行較為準確的分析處理。

3) 綜合分析同類閘門。水利水電工程所有閘門的腐蝕監(jiān)測數據進行系統的整理分析，由此確定該工程的總體腐蝕速率、腐蝕總量并作出直方圖。單元工程閘門的總體腐蝕狀況可選用該項數據進行系統的分析。

在計算分析閘門局部最大和整體平均腐蝕速率、腐蝕量的同時，還可對腐蝕數據從年腐蝕速率的角度進行處理。結合監(jiān)測數據校核閘門的結構應力，將服役年限的估算結果作為評估工程結構安全運行的重要參數，為閘門更新改造或加固方案的優(yōu)化設計提供科學的依據。

2.3 工程腐蝕數據統計

自1998年，相關部門基本完成了對全國重點水利工程的300多扇閘門的腐蝕檢測工作，從抽樣分析的24個典型的單元工程檢測數據可知：

1) 閘門的平均腐蝕速率總體處于0.01-0.06mm/a范圍，標準差和平均腐蝕量介于0.3-0.8mm、0.6-1.5mm之間。

2) 構件腐蝕與閘門類型的關系不大。通過對弧形、平面閘門的腐蝕頻率的調查分析，統計結果顯示平面閘門的好像更易發(fā)生腐蝕。然而，這主要與選取的1個進水口快速閘門和4個小型閘的樣本類型有關，此類閘門的檢修和維護機會較少，除去這幾項腐蝕量大且原因明確的閘門后，弧形閘門的腐蝕速率略低于平面閘門，由此表明閘門類型與構件腐蝕之間不存在必然關系。

3) 結構腐蝕與閘門結構型式之間存在一定的關系，桿件由型鋼組成的桁架結構為早期閘門的常見形式，由于無法在槽鋼、角鋼等型鋼縫隙間涂刷防腐油漆，其銹蝕現象較為嚴重，例如馬跡塘溢洪道閘門和洋河灘節(jié)制閘等。

4) 銹蝕與閘門布置有關。閘門是否能夠離開閘槽或提離孔口，對防腐措施工作的影響較大，通常無法全面檢查、維護和保養(yǎng)閘門。

5) 閘門腐蝕受水質的影響顯著。例如，水質污染較為嚴重的永定河閘、辛集閘等構筑物，腐蝕程度與水質狀況密切相關。

工程檢測結果顯示，閘門局部腐蝕速率一般在0.07-0.52mm/a的較高水平。進一步分析腐蝕原因和腐蝕部位發(fā)現，設計上容易產生防腐蝕死角或易淤積的部位往往是局部嚴重腐蝕的位置。

3 防腐蝕措施及質量控制

3.1 防腐蝕方法

準確、合理的選取相應的防腐措施為影響設備服役壽命和結構安全運行的關鍵因素，在工程實際中應引起重視。結合當前水利工程的腐蝕特征和運行管徑，工程上應用較為廣泛的防腐蝕措施主要有如下3種：

1) 涂料防腐措施。在閘門上均勻的涂抹密閉性涂料，形成一種能夠將腐蝕因子與金屬基體合理的防護膜，由此實現抑制閘門腐蝕的目標。該項措施的費用較低、施工簡便，但防護期限通常較短為3-5a。工程上可使用的土料有環(huán)氧樹脂漆類、瀝青漆類、醇酸樹脂漆類以及油脂漆類等。在防護過程中應配套使用，嚴格按照工藝要求進行施工方可達到預期的效果。

2) 金屬熱噴防防腐措施。該方法是在閘門表面上噴涂鋅、鋁或鋅率合金等化學活性比鋼活潑的金屬，從而形成覆蓋均勻的防腐涂層。相對于鐵元素噴涂的金屬活性較高，因此具有雙重防護鋼鐵的功能，一方面能夠將氧氣、水分等介質與金屬隔離發(fā)揮涂料覆蓋的隔離作用；另一方面，基體與涂層在涂層受到破壞后可形成腐蝕微電池，由此達到陰極保護犧牲陽極的目的。金屬熱噴措施的防護周期一般在15年，防護效果好且周期長。當前，在水電工程中該方法已得到廣泛的應用，在三峽工程金屬防腐蝕中廣泛應用的長效防腐措施和高新技術，如金屬復合熱噴稀土鋁合金、鋅鋁合金及熱噴鋁等技術。

3) 電化學防腐措施。采取通電流的方式將受保護的金屬結構進行極化，由此實現防腐的目的為電化學防腐的本質。依據極化性質，將其分為保護陽極和陰極的不同類型，陰極保護一般適用于閘門的防腐。工程上又可將陰極保護進一步分為犧牲陽極、外加電流法，前者需要對陽極進行定期的更新；后者需要外加一套設備，其防護周期長但維護費用高、運行管理復雜。在工程管理和施工過程中犧牲陽極法具有明顯的優(yōu)勢，其防護年限也較短，一般為10a。為達到更好的防腐目的，工程實際中可將以上幾種最基本的防腐方法相結合，采取合適的綜合防腐措施保證結構的安全。

3.2 防腐蝕質量控制

自1980年，對于水工結構的金屬腐蝕問題越來越引起人們的重視，已由之前的“三遍油漆”發(fā)展至當前細化設計防腐蝕階段，但仍需要從經濟合理性、工藝嚴謹性和結構科學性等角度進一步強化。在結構防護工程中可從如下幾方面提升防腐蝕質量，即：

1) 在工程設計過程中應盡可能的避免無法采取防腐蝕措施或很容易產生腐蝕的結構形式，從工程設計的角度做到防腐控制。

2) 設計工藝要便于質量檢查和施工，操作流程明確、合理；對于成型后的部件或不能采取防腐的位置，防腐蝕單位和構件制造單位應此案去預處理措施；在安裝、輸送過程中還要注意防護保護層。

3) 采取最優(yōu)的防腐體系、優(yōu)質的材料、科學的工藝、先進的高性能環(huán)保技術，，如對于水工金屬結構采用霧化噴射-快速凝固成型技術，其應用效果極為顯著。

4) 加強行業(yè)管理、強化標準意識和職業(yè)培訓，提升施工隊伍整體素質和工藝技術水平，嚴格按規(guī)范進行質量檢查和公式；全過程監(jiān)督防腐蝕職工過程以及實行工程監(jiān)理制。

5) 及時清理構件上的淤積物并加強日常管理和維護工作，對存在銹蝕或損傷的位置及時補漆。為顯著提升防腐蝕效果和保證防腐蝕周期，結合國內外經驗一般需要每6-8a補漆一次。

4 結 論

由于所處環(huán)境條件的差異和水工結構的形狀各異，相應的腐蝕形態(tài)也不盡相同。所以，應結合構件腐蝕情況及金屬結構類型選擇有效的數據分析方法和腐蝕監(jiān)測方式，在結構安全監(jiān)測中盡可能的反映水工結構的使用壽命和腐蝕現狀，并為水電工程安全評估和應力計算提供數據支撐。另外，還要不斷的加強防腐工作相關研究，提升防腐蝕科技含量及強化防腐意識，切實提升防腐效益和新技術的應用程度。