有壓輸水隧洞補(bǔ)強(qiáng)鋼板防腐處理

崔金良，劉書(shū)陽(yáng)

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450018；2.河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院，河南 鄭州 450018）

1 引言

國(guó)內(nèi)某大型輸水隧洞工程，隧洞內(nèi)徑7 m，為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，隧洞承受的最大水頭壓力為55 m，水流流速為1.0 m3/s～1.4 m3/s。由于內(nèi)襯混凝土缺陷問(wèn)題使局部頂拱混凝土內(nèi)壓力嚴(yán)重超限，內(nèi)襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足壓力輸水狀態(tài)下承載要求。為有效承受內(nèi)襯拱頂截面壓力，采用粘貼鋼板法（Q235，10 mm～14 mm厚）對(duì)混凝土襯砌頂拱部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。但由于該輸水隧洞長(zhǎng)期處于高水頭、高流速輸水狀態(tài)，水中含氧量較高，粘貼鋼板如不進(jìn)行有效防腐，勢(shì)必影響鋼板運(yùn)行壽命，危及工程安全。

2 鋼板腐蝕機(jī)理

鋼在7.0≤pH≤8.3弱堿性電解質(zhì)溶液中的腐蝕，主要是氧去極化過(guò)程。在水環(huán)境中，由于金屬表層物理化學(xué)性質(zhì)的微觀不均勻性，形成了無(wú)數(shù)的微觀腐蝕電池[1]。低電位區(qū)域如鐵素體基體是陽(yáng)極區(qū)，發(fā)生鐵的氧化反應(yīng)；高電位區(qū)域如滲碳體是陰極區(qū)，發(fā)生氧的還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼材腐蝕，這種由微電池的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕稱為微電池腐蝕。由于淡水環(huán)境下的介質(zhì)導(dǎo)電率很小，鋼材在淡水中的腐蝕大多以微電池腐蝕進(jìn)行[2]。

圖1 鋼腐蝕機(jī)理圖

3 防腐方案選擇

3.1 防腐要求

（1）可焊接。為保證鋼板緊貼隧洞內(nèi)襯混凝土表面，且與混凝土聯(lián)合受力，本工程采用的鋼板安裝方法為螺栓焊接，鋼板臨時(shí)固定后將螺帽與鋼板現(xiàn)場(chǎng)焊接，所以要求防腐底漆不能影響鋼板的焊接性能；

（2）材料無(wú)毒無(wú)害。因本水利工程為飲用水源工程，水質(zhì)要求地表Ⅱ類及以上標(biāo)準(zhǔn)，所以所選用的防腐材料必須無(wú)毒無(wú)害，且達(dá)到食品級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

（3）防腐效果持續(xù)長(zhǎng)效。本隧洞工程為不間斷輸水，非特殊情況不能停水檢修，所以要求防腐材料需附著力強(qiáng)，滿足長(zhǎng)效防腐需求。

（4）工序簡(jiǎn)單易操作。在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)鋼板防腐層造成一定程度損傷，為保證長(zhǎng)效防腐必須現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)。因施工現(xiàn)場(chǎng)交叉作業(yè)多，場(chǎng)地條件有限，所以要求修復(fù)施工簡(jiǎn)單易操作。

3.2 金屬防腐蝕方法

金屬防腐蝕的方法很多，主要有改善金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、金屬表面防護(hù)、改善腐蝕環(huán)境、電化學(xué)保護(hù)四種。本項(xiàng)目基于需要水質(zhì)保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的特殊性及長(zhǎng)效防腐的需要，綜合運(yùn)用金屬表面防護(hù)和電化學(xué)保護(hù)兩種防腐蝕方法。

3.3 防腐材料選擇

目前，滿足防腐要求且常用的防腐材料有環(huán)氧富鋅、環(huán)氧云鐵、無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料。其中，環(huán)氧富鋅漆膜具有防腐性能好、附著力強(qiáng)，與環(huán)氧云鐵中間漆和無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料面層有良好的粘結(jié)、焊接特性和“自修補(bǔ)”功能[3]；環(huán)氧云鐵漆膜具有良好的附著力、柔韌性、耐磨性、耐腐蝕和抗?jié)B透屏蔽性能；無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料涂層表面平整、光亮、飽滿，具有良好的附著力、耐磨性、柔韌性，防護(hù)性能好、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)毒無(wú)害，符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可抑制微生物生長(zhǎng)。

3.4 防腐方案

本項(xiàng)目選用環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間層和無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料面層形成防腐蝕涂料系統(tǒng)。

（1）底層為環(huán)氧富鋅一道，干膜厚為50 μm。

（2）中間層為環(huán)氧云鐵二道，干膜厚為100 μm。

（3）面層為無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料二道，干膜厚為80 μm。

為盡量避免鋼板腐蝕，在鋼板加工成型后立即進(jìn)行防腐工作，但考慮到運(yùn)輸、施工過(guò)程中可能對(duì)防腐涂層造成損壞減弱防腐效果，可在施工完成后及時(shí)對(duì)螺栓孔周邊和鋼板原出廠底漆損壞部位防腐層進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后在施工現(xiàn)場(chǎng)涂裝最后一道防腐面層。

4 防腐施工工藝

4.1 表面預(yù)處理

（1）表面預(yù)處理工作應(yīng)在鋼板粘貼驗(yàn)收合格后進(jìn)行。

（2）對(duì)螺栓孔周邊和鋼板原出廠底漆損壞部位，可采用手動(dòng)或動(dòng)力工具除銹進(jìn)行局部修理，金屬表面清潔度等級(jí)應(yīng)不低于《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB/T 8923）中規(guī)定的St3級(jí)（即鋼材表面無(wú)可見(jiàn)的油脂和污垢，并且沒(méi)有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物，底材顯露部分的表面具有金屬光澤），且表面粗糙。如涂裝前發(fā)現(xiàn)基體金屬表面被污染或返銹，應(yīng)重新處理。

（3）除銹時(shí)，施工環(huán)境相對(duì)濕度不得超過(guò)85%，金屬表面不得有凝露、洇濕。

4.2 涂裝施工

（1）金屬表面預(yù)處理后，需整體清除鋼板表面上的粉塵、碎屑和磨料，并不得有凝露、洇濕。驗(yàn)收合格后應(yīng)盡快進(jìn)行涂覆，涂裝與表面預(yù)處理完成時(shí)間間隔不超過(guò)2 h。各層涂料涂裝間隔時(shí)間，應(yīng)在前一道漆膜達(dá)到表干后才能涂裝下一道涂料。

（2）涂裝現(xiàn)場(chǎng)及周邊倉(cāng)段應(yīng)保持空氣環(huán)境清潔通風(fēng)良好，不得有打磨作業(yè)，在空氣相對(duì)濕度超過(guò)85%或鋼材表面溫度低于大氣露點(diǎn)3℃以下時(shí)，不得進(jìn)行涂裝。

表1 大氣露點(diǎn)計(jì)算表

（3）涂裝前應(yīng)在鋼板邊緣外側(cè)貼紙確定噴涂范圍。錨固螺栓和局部防腐層損壞部位采用涂刷方法進(jìn)行底漆和面層第一道施工，面層第二道采用空氣噴涂，噴涂壓力0.4 MPa～0.6 MPa，噴距20 cm～30 cm（噴距可根據(jù)噴涂效果現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定）。

4.3 成品保護(hù)

涂裝過(guò)程及涂裝完成未完全固化時(shí)，應(yīng)采取防塵、防水、防碾壓、防碰撞措施，如有損傷應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

5 防腐層缺陷修復(fù)

對(duì)螺栓孔周邊部位和原出廠底漆和第一道面漆局部損壞部位:金屬基面預(yù)處理→刷涂防腐底漆（環(huán)氧富鋅一道+環(huán)氧云鐵二道）→刷涂面漆（無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料一道）。待修補(bǔ)完成后，清理基面，整體噴涂無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料一道作為鋼板涂裝第二道面層。

6 質(zhì)量檢驗(yàn)及施工注意事項(xiàng)

（1）涂裝前應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度、濕度及鋼板表面溫度、表面預(yù)處理的清潔度、粗糙度等進(jìn)行檢測(cè)并做好記錄。

（2）涂裝過(guò)程中，應(yīng)對(duì)每一道涂層進(jìn)行外觀檢查，不應(yīng)有漏涂、流掛等缺陷。

（3）涂裝結(jié)束漆膜固化后，應(yīng)對(duì)第二道面層進(jìn)行外觀檢查、干膜厚度測(cè)定和附著力檢驗(yàn)。

①外觀檢查:表面是否均勻一致，是否存在流掛、皺紋、鼓泡、針孔、裂紋等缺陷。

②干膜厚度測(cè)定:采用涂層厚度檢測(cè)儀對(duì)總干膜厚度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定值與第二道面層噴涂前干膜厚度檢測(cè)值的差值作為第二道面層干膜厚度。85%以上的局部厚度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的部位，其最小局部厚度應(yīng)不低于設(shè)計(jì)厚度的85%。

③涂膜附著力檢驗(yàn):涂層實(shí)干后，采用劃格法按照現(xiàn)場(chǎng)鋼板處理量的5%進(jìn)行涂層附著力檢驗(yàn)，附著力判定為0級(jí)或1級(jí)為合格。

劃格法:切割刀具垂直于鋼板表面，對(duì)切割刀具均勻施力，在檢測(cè)區(qū)域切割出相互垂直的兩組平行線形成網(wǎng)格圖形，每組6條線，間距為3 mm。然后將長(zhǎng)約75 mm的壓敏膠帶的中心點(diǎn)放在網(wǎng)格上方（膠帶長(zhǎng)度應(yīng)至少超過(guò)網(wǎng)格20 mm），方向應(yīng)與一組切割線平行，然后用手指把膠帶在網(wǎng)格上方壓平使膠帶與涂層全面接觸。5分鐘后，捏住膠帶一端，使膠帶與粘貼部分成60°夾角，在0.5 s～1.0 s內(nèi)平穩(wěn)撕離膠帶。最后檢查涂層脫落情況，判定等級(jí)。

分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):0級(jí):切割邊緣完全平滑，無(wú)一格脫落；1級(jí):在切口交叉處有少許涂層脫落，但交叉切割面積受影響不能明顯大于5%。

7 結(jié)語(yǔ)

本文依托實(shí)際工程案例，通過(guò)研究分析水下鋼板的腐蝕機(jī)理，提出了有壓輸水隧洞補(bǔ)強(qiáng)粘貼鋼板的表面防腐處理方案為環(huán)氧富鋅底漆一道+環(huán)氧云鐵中間層二道+無(wú)溶劑環(huán)氧食品容器內(nèi)壁涂料面層二道，總干膜厚度為230 μm；施工工藝為底漆和中間層在車間噴涂+面層現(xiàn)場(chǎng)噴涂的涂裝施工工藝。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查、干膜厚度測(cè)定和涂膜附著力檢驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明該方案具有可焊接性、材料無(wú)毒無(wú)害、涂裝層附著力強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為有效解決鋼板在有壓過(guò)流狀態(tài)下表面腐蝕問(wèn)題提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。