水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)研究

唐國(guó)華

摘 要：在水利水電工程中，金屬結(jié)構(gòu)的防腐工作至關(guān)重要。由于很多金屬結(jié)構(gòu)部件會(huì)長(zhǎng)期接觸到水，受到環(huán)境腐蝕的影響程度較大，銹蝕速度比較快，且腐蝕形態(tài)的差異性比較明顯，需要在防腐工作中做好檢測(cè)和防腐方案選擇，從而提升設(shè)備的使用效率和使用壽命。本次研究結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的防腐技術(shù)進(jìn)行了針對(duì)性探討。

關(guān)鍵詞：水利水電工程;金屬結(jié)構(gòu);防腐技術(shù)

0.引言

水利工程金屬結(jié)構(gòu)一直是水利水電工程建設(shè)的關(guān)鍵組成部分，而金屬結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)居多，容易受到外界環(huán)境的影響導(dǎo)致質(zhì)量缺陷。例如，在惡劣的氣候條件及自然環(huán)境的影響下，金屬結(jié)構(gòu)收到腐蝕后，其剛度性能會(huì)受到影響，整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力大幅下降，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。這要求相關(guān)的工程人員結(jié)合工程實(shí)施地域的水文、地質(zhì)、環(huán)境，仔細(xì)分析防腐技術(shù)方案，選擇合理的工程防腐措施。

1.水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)腐蝕的分類及其影響因素

1.1 化學(xué)腐蝕與物理腐蝕

化學(xué)腐蝕是化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的腐蝕類型，包括金屬表面和氧氣、水、酸等接觸之后產(chǎn)生的相互作用。例如鋼結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境之下，非電解質(zhì)中的氧化劑和金屬表面的原子發(fā)生作用，就會(huì)導(dǎo)致化學(xué)腐蝕。而物理腐蝕則是簡(jiǎn)單的金屬結(jié)構(gòu)物理溶解導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)問題。

1.2 大氣腐蝕

大氣腐蝕中對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料影響程度比較明顯的因素是溫度和濕度，盡管溫度本身不會(huì)影響到金屬結(jié)構(gòu)的表面性能導(dǎo)致腐蝕，但金屬材料對(duì)于水分吸收能力的改變就會(huì)直接關(guān)系到水分積累，此時(shí)如果有腐蝕性元素在金屬表面沉積，必然會(huì)讓表面水分聚集。例如在某些濕度較大的環(huán)境中，很多具有腐蝕作用的物質(zhì)會(huì)聚集在金屬表面引起腐蝕現(xiàn)象。從某種程度上來看，空氣當(dāng)中的濕度在很大程度上與金屬材料表面水膜的形成速度相關(guān)，如果空氣中的水分含量在短時(shí)間內(nèi)大量增加，那么，金屬對(duì)于腐蝕性產(chǎn)物的抵抗力明顯降低。

風(fēng)力與金屬結(jié)構(gòu)材料的腐蝕程度也存在著重要聯(lián)系。風(fēng)力在很大程度上會(huì)影響到金屬表面水膜的形成和腐蝕物質(zhì)的產(chǎn)生，而且，風(fēng)帶來的沙塵、污染物等與水膜產(chǎn)生作用后會(huì)給金屬結(jié)構(gòu)表面帶來?yè)p傷，包括金屬材料自身對(duì)于污染物的吸附作用等。

某些金屬材料表面亦會(huì)受到紫外線的影響而降低耐腐蝕性能。

1.3 電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕指的是電解質(zhì)溶液引起的腐蝕。每一部分的金屬表面存在著不同的電位，在腐蝕電池當(dāng)中溶液金屬離子的溶解過程會(huì)釋放電子電流消耗陰極結(jié)構(gòu)，某些石墨、液壓金屬部件的腐蝕電位相對(duì)較高，金屬和雜質(zhì)的成分密切接觸之后腐蝕就會(huì)變得更加嚴(yán)重，外部環(huán)境會(huì)極大的影響到電化學(xué)腐蝕的程度。因此，金屬結(jié)構(gòu)工作自然環(huán)境中的水質(zhì)對(duì)其腐蝕的程度有重要影響。

2.金屬結(jié)構(gòu)的防腐技術(shù)分析

2.1 涂料保護(hù)

金屬結(jié)構(gòu)的防腐處理以預(yù)防為主，目的在于消除讓金屬結(jié)構(gòu)形成原電池的因素，此時(shí)就需要根據(jù)金屬材料本身的特征和腐蝕特性來選擇防腐技術(shù)。目前比較成熟的防腐技術(shù)以涂料保護(hù)為主，因?yàn)榻饘俳Y(jié)構(gòu)在產(chǎn)生原電池腐蝕時(shí)要具備完整的電路，而涂料保護(hù)的作用就是讓金屬表面具有一層絕緣性質(zhì)的涂料（如環(huán)氧類材料或樹脂類材料等），這樣金屬結(jié)構(gòu)表面和水及其它引起腐蝕的介質(zhì)可以進(jìn)行隔離，從而起到預(yù)防腐蝕的目的。現(xiàn)行的涂料保護(hù)方案會(huì)使用的防腐漆包括防銹底漆、中間漆、面漆等涂料漆，其中防銹底漆類型又包括了磷化底漆、富鋅底漆;中間漆包括環(huán)氧云鐵漆;面漆類型包括氯化橡膠面漆等，一些高檔的面漆還會(huì)選擇帶有修復(fù)特性的智能防腐蝕涂料等。

底漆可以保障涂層和金屬基底的附著力，然后給后續(xù)的中間漆、面漆噴涂提供良好的粗糙度基礎(chǔ)。防銹底漆類型眾多，傳統(tǒng)的含鉛底漆因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生較大程度的污染因此逐漸地被淘汰，另一些含有防銹顏料的底漆作用有限，因此使用頻率也明顯較低。當(dāng)前水利水電工程當(dāng)中常見的底漆類型包括磷化底漆、車間底漆等，這些底漆的基礎(chǔ)物料當(dāng)中會(huì)加入一些特殊的顏料、溶劑與添加劑，吸收來自空氣當(dāng)中的水分在進(jìn)行水解縮聚，和金屬結(jié)構(gòu)當(dāng)中的活性單質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)生成復(fù)合鹽，從而附著在金屬結(jié)構(gòu)的表面。此類底漆在防銹性能、力學(xué)性能、耐熱性和抗損傷性上都非常穩(wěn)定，且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前很多研究人員在作業(yè)當(dāng)中將某些防銹顏料與鋅粉共同使用從而提升結(jié)構(gòu)質(zhì)量。磷化底漆則會(huì)與金屬結(jié)構(gòu)基體發(fā)生反應(yīng)覆蓋在鋼鐵基體表面從而讓金屬基體表面鈍化，既能夠保障底漆和材料的結(jié)合力，同時(shí)還起到了比較穩(wěn)定的抗腐蝕性能。不過某些化合物終究具有一定的致癌作用，且防銹材料有著一定的水溶性特征，磷化底漆在潮濕環(huán)境下不宜使用。

中間漆的功能在于增加漆膜厚度改善漆層質(zhì)量，作為面漆和底漆之間的中間層，在技術(shù)應(yīng)用合理的前提之下可以有效提升附著力。

面漆涂料類型眾多，不同材料的分子結(jié)構(gòu)決定了不同的耐水性與防銹性能。例如，將一定比例的環(huán)氧樹脂和煤焦瀝青作為主要成分制造的環(huán)氧瀝青面漆，就可以同時(shí)具備環(huán)氧涂料的堅(jiān)固性、耐化學(xué)性和煤焦瀝青的防銹性能，在當(dāng)前的水利工程建設(shè)環(huán)節(jié)作用突出。此外氟碳涂料面漆、聚硅氧烷涂料面漆的耐化學(xué)品面漆也有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2 金屬熱噴涂保護(hù)

熱噴涂技術(shù)是材料工程學(xué)的重要組成部分，其應(yīng)用非常廣泛也得到了國(guó)家工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的大力支持。其本質(zhì)原理是利用熱源將噴涂材料加熱至熔融、半融化狀態(tài)，之后再利用高速氣流進(jìn)行霧化，通過一定的速度來噴射至金屬基體的表面，從而獲得良好的表面性質(zhì)。通常情況下以熱噴涂技術(shù)形成的涂層可以給金屬結(jié)構(gòu)基體提供良好的抗高溫氧化性能、耐磨性能等，使用壽命大幅增加，而且，熱噴涂還可以同步應(yīng)用其它的技術(shù)方法，在金屬結(jié)構(gòu)中起到電解質(zhì)封閉和電化學(xué)保護(hù)作用?，F(xiàn)階段的金屬熱噴涂技術(shù)方案包含金屬噴涂層與涂料層，涂料密封后可以覆蓋一層面漆以確保技術(shù)應(yīng)用的有效性[1]。

熱噴涂使用的材料可以和基體金屬不一致，也可以和基體金屬選擇同一種類型的材料（復(fù)合材料與有機(jī)材料均可）。通常來說大部分材料都可以被作為熱噴涂的主要材料，涵蓋范圍非常廣泛，優(yōu)勢(shì)眾多具有良好的技術(shù)適應(yīng)性，在材料表面強(qiáng)化和修復(fù)方面作用突出。

在目前的技術(shù)條件下，還可以通過冷氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)將壓縮的超音速噴射氣流噴涂在金屬結(jié)構(gòu)表面形成涂層。使用廣泛的鋅鋁合金、鋁鎂合金等熱噴涂材料比其它金屬材料的性能相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)將金屬基體和環(huán)境介質(zhì)水進(jìn)行隔離，避免金屬形成完整電回路而產(chǎn)生原電池腐蝕。其表面形成的氧化膜起到了關(guān)鍵的防護(hù)功能，形成復(fù)合防護(hù)系統(tǒng)[2]。金屬結(jié)構(gòu)中常用的熱噴涂防腐方案為噴鋅。

2.3 電化學(xué)陰極保護(hù)

電化學(xué)陰極保護(hù)技術(shù)在當(dāng)前金屬防腐技術(shù)當(dāng)中效果突出，能夠讓整個(gè)金屬的電位降低至平衡電位，讓被保護(hù)的金屬成為電化學(xué)系統(tǒng)的陰極，此時(shí)金屬不會(huì)快速失去電子，金屬的腐蝕速度明顯下降甚至完全停止。按照金屬本身的腐蝕機(jī)理來看，水利水電工程的金屬結(jié)構(gòu)由于長(zhǎng)期接觸水，部分金屬結(jié)構(gòu)還會(huì)接觸含有鹽的海水，此時(shí)材料電子分布不均勻產(chǎn)生數(shù)量眾多的陽(yáng)極區(qū)、陰極區(qū)。在陽(yáng)極區(qū)金屬表面的電子形成流出電流進(jìn)入到環(huán)境區(qū)域的電解質(zhì)當(dāng)中，此時(shí)陽(yáng)極區(qū)失去電子出現(xiàn)腐蝕問題，但陰極區(qū)電流經(jīng)過環(huán)境介質(zhì)流入之后金屬腐蝕速率減緩，當(dāng)電子能夠在被保護(hù)的金屬基體之上，那么就可以緩解金屬嚴(yán)重的腐蝕過程。當(dāng)前的陰極保護(hù)方法也可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

第一是犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)技術(shù)，即將兩種活性差異的金屬連接后放置在相同的電解質(zhì)之內(nèi)，活潑的陽(yáng)極區(qū)失去大量電子被腐蝕后，被保護(hù)的陰極區(qū)金屬得到大量電子，此時(shí)金屬基體表面整體處于電子過剩狀態(tài)，達(dá)到相同負(fù)電位，陰極金屬反而得到保護(hù)，我們通常選擇電化學(xué)性質(zhì)活潑的鎂鋁合金材料作為陽(yáng)極材料，在周圍環(huán)境電阻率較小時(shí)該技術(shù)的應(yīng)用效果比較穩(wěn)定[3]。

第二則是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)，又被稱為外加保護(hù)技術(shù)，利用的是電化學(xué)當(dāng)中的電解池反應(yīng)將需要保護(hù)的金屬、外加電源負(fù)極連接之后成為陰極，再利用外加電源使得金屬陰極產(chǎn)生大量電子，輔助電機(jī)和外加電源正極連接之后產(chǎn)生電解池陽(yáng)極，被保護(hù)的金屬基體作為陰極，此時(shí)兩種物質(zhì)形成閉合回路后，電子將會(huì)朝著金屬結(jié)構(gòu)的陰極而移動(dòng)，金屬表面電位保持一致，腐蝕速度減緩，確保金屬不失去電子而變?yōu)殡x子狀態(tài)。該方法是通過外部電源來提供金屬電位讓電子聚集在金屬結(jié)構(gòu)的基體表現(xiàn)，整體處于低電位狀態(tài)。如果金屬表面電子積累一段時(shí)間后，整個(gè)基體也會(huì)處于負(fù)電位狀態(tài)避免腐蝕進(jìn)一步發(fā)展。

2.4 防腐前的表面預(yù)處理及涂裝要求

金屬結(jié)構(gòu)防腐涂裝前應(yīng)進(jìn)行表面預(yù)處理，除涂層修補(bǔ)外，應(yīng)采用噴射方法進(jìn)行表面預(yù)處理。在進(jìn)行噴（拋）射處理之前，應(yīng)清除焊渣、飛濺、毛刺等附著物，并應(yīng)用砂輪機(jī)對(duì)銳利的切割邊緣進(jìn)行處理，然后清洗結(jié)構(gòu)表面可見的油脂及其他污物。處理后其表面清潔度等級(jí)不宜低于GB8923《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》中規(guī)定的Sa2.5級(jí)，表面粗糙度Rz值應(yīng)在60～100μm范圍內(nèi)。

表面預(yù)處理與涂裝之間的間隔時(shí)間應(yīng)盡量縮短，在潮濕或工業(yè)大氣環(huán)境條件下，應(yīng)在2h內(nèi)涂裝完畢;在晴天或濕度不大的條件下，最長(zhǎng)應(yīng)不超過8h[4]。

2.5工程應(yīng)用實(shí)例

在小清河防洪綜合治理工程部分海洋環(huán)境建筑物工程中，金屬結(jié)構(gòu)的防腐方案采用了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)裝置，金屬結(jié)構(gòu)表面預(yù)處理后先進(jìn)行噴鋅，然后刷涂防腐漆，防腐涂料采用了改性耐磨環(huán)氧漆”Jotamastic 87”底漆，改性耐磨環(huán)氧漆”Jotamastic 87”中間漆，丙烯酸聚氨酯面漆”Futura AS”;淡水環(huán)境的建筑物工程中，防腐涂料采用了環(huán)氧（水性無機(jī)）富鋅底漆，厚漿型環(huán)氧云鐵防銹漆，環(huán)氧面漆。

3.結(jié)語(yǔ)

水利水電工程在我國(guó)建設(shè)領(lǐng)域意義重大，由于所處環(huán)境特殊，金屬結(jié)構(gòu)防腐方案的設(shè)計(jì)、選擇及維護(hù)管理工作是延長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)使用壽命的工作重點(diǎn)。相關(guān)單位應(yīng)該具備防腐意識(shí)并強(qiáng)化對(duì)于防腐技術(shù)的研究工作，從提升金屬材料耐腐蝕性能的角度出發(fā)展開系統(tǒng)化和完善化的工程設(shè)計(jì)。今后的工程環(huán)節(jié)可以考慮在材料種類、配方方面作出改進(jìn)，全面地提升水工金屬結(jié)構(gòu)的材料性能和工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉旭輝， 陳小明， 黃海楊，等. 海洋環(huán)境中活塞桿兩種噴涂防腐技術(shù)測(cè)試報(bào)告分析和工程應(yīng)用初探[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2019（1）.

[3]李傳建. 水利水電工程施工中的新技術(shù)應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)研究[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2019， 294（12）：170.

[4]鄧華.淺析水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝的施工管理和質(zhì)量控制[J].工程技術(shù)，2016，99：87.

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