納硅金屬防腐漆在人民渠水工鋼閘門防腐養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用研究

范云偉，簡(jiǎn) 平，殷黎明，張學(xué)明

(1.四川省都江堰人民渠第二管理處，四川 德陽，618000；2.重慶大學(xué)，重慶，400044；3.重慶卡勒斯通科技有限公司，重慶，400039)

1 前言

人民渠位于四川省成都市、德陽市和綿陽市，是我國(guó)第一大灌區(qū)——都江堰灌區(qū)的重要組成部分，其中四川省都江堰人民渠第二管理處(以下簡(jiǎn)稱“人民渠二處”)管轄300多公里長(zhǎng)的渠道及一座大型水庫(kù)，通過控制渠道和水庫(kù)上的各類水閘，實(shí)現(xiàn)了防洪、供水、發(fā)電等綜合效益，現(xiàn)灌區(qū)已實(shí)現(xiàn)灌溉面積13.423萬hm2。水閘作為保障都江堰灌區(qū)水利工程發(fā)揮效益的重要設(shè)施，其鋼閘門和啟閉機(jī)設(shè)備的防腐蝕工作相當(dāng)重要。

我國(guó)是世界三大酸雨區(qū)之一，酸雨區(qū)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的副產(chǎn)物，伴隨著化石能源的大量消耗，大氣環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，人為排放的酸性物質(zhì)(主要為SO42-和NO3-)進(jìn)入到降水中，導(dǎo)致了嚴(yán)重的酸雨環(huán)境問題。酸雨不僅會(huì)使地表水體酸化，還會(huì)使土壤物理化學(xué)性質(zhì)惡化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力降低和森林衰退。同時(shí)，酸雨還會(huì)加速鋼結(jié)構(gòu)、建筑物和文物古跡的腐蝕，造成重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

德陽市是西南地區(qū)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)重鎮(zhèn)，是中國(guó)重大裝備制造業(yè)基地、國(guó)家首批新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地和四川省重要的工業(yè)城市。因此德陽地區(qū)的酸雨強(qiáng)度與頻率較為嚴(yán)重。近兩年來，人民渠二處在水閘的防腐蝕養(yǎng)護(hù)工作中，率先采用了新型水工閘門專用的納硅鋼結(jié)構(gòu)防腐漆(該材料為國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)品，是水利部重點(diǎn)推薦技術(shù))，取得了良好效果，在都江堰灌區(qū)“創(chuàng)先爭(zhēng)優(yōu)，互幫互促互學(xué)”評(píng)比活動(dòng)中獲得了一致好評(píng)。

2 人民渠灌區(qū)水閘鋼閘門防腐蝕養(yǎng)護(hù)過程中存在的問題

人民渠灌區(qū)是“先秦都江古堰”的重要組成部分與延伸工程，尤其是新中國(guó)成立以來，都江堰迎來了飛躍發(fā)展，先后實(shí)施了渠首整治、渠系調(diào)整、閘群配套、平原及丘陵灌區(qū)擴(kuò)建，都江堰水利工程已經(jīng)發(fā)展成為引、蓄、提相結(jié)合的特大型水利工程系統(tǒng)。在長(zhǎng)期的灌區(qū)水閘鋼閘門防腐蝕養(yǎng)護(hù)過程中，主要存在以下問題。

2.1 閘門單體尺寸小、分布廣、數(shù)量多、結(jié)構(gòu)形式多樣，養(yǎng)護(hù)難度大

人民渠二處管轄的灌溉范圍含德陽、綿陽、成都、遂寧4市的旌陽、羅江、中江、安州、涪城、高新、三臺(tái)、金堂、射洪、大英10縣(市、區(qū))，設(shè)計(jì)灌溉面積18.558萬hm2，已實(shí)現(xiàn)灌面13.423萬hm2。分布有各類控制水閘約170余座，大部分為4～5m寬，2～3m高的小型鋼閘門，單個(gè)閘門的表面積約為50～100m2。由于歷史原因，這些閘門由多個(gè)閘門廠家生產(chǎn)，規(guī)格型號(hào)、所用鋼材均有所不同，主要以平板鋼閘門和弧形鋼閘門為主。分布密度為1萬畝0.84個(gè)水閘。由此可知，水閘鋼閘門養(yǎng)護(hù)為人民渠二處一項(xiàng)十分重要的工作。

2.2 腐蝕環(huán)境較復(fù)雜，加劇了鋼閘門的腐蝕程度

導(dǎo)致鋼閘門腐蝕的主要環(huán)境因素有：潮濕、酸雨、干濕循環(huán)、紫外、應(yīng)力狀況等。德陽地處中緯度，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，氣候溫和，四季分明，降水充沛。年平均氣溫15℃～17℃，最冷月(1月)平均氣溫5℃～6℃，最熱月(7月)平均氣溫25℃。年總降水量900mm～950mm，降水量自西北向東南逐漸減少，相對(duì)濕度為84.3%。國(guó)內(nèi)外關(guān)于酸雨區(qū)目前尚缺乏明確的定義，但已達(dá)成一定的共識(shí)，即：當(dāng)降水pH值≤5.6時(shí)，認(rèn)為有酸雨出現(xiàn)；pH值≤4.5時(shí)，可以使林木受到危害，并且對(duì)金屬材料的腐蝕速度急劇增大；pH值≤4.0時(shí)，酸雨的危害程度將更為嚴(yán)重。根據(jù)多年的氣象資料表明，西南酸雨區(qū)的嚴(yán)重區(qū)域多年平均值<4.0，除去紅原、拉薩外，其他地區(qū)的平均值<5.6。因此，酸雨腐蝕是該地區(qū)鋼閘門腐蝕的一個(gè)主要因素。除此之外，干濕循環(huán)也會(huì)加劇鋼閘門的腐蝕，尤其是加劇電化學(xué)腐蝕的發(fā)展。而紫外照射會(huì)破壞保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的各種防腐涂層的有效性。通常鋼閘門的腐蝕發(fā)生順序是：其防腐涂層出現(xiàn)粉化、失光、開裂，然后出現(xiàn)點(diǎn)狀銹蝕，最后整體銹蝕，不斷地削弱結(jié)構(gòu)，降低承載強(qiáng)度，威脅著鋼閘門的安全運(yùn)營(yíng)及有效使用壽命。

2.3 傳統(tǒng)防腐施方案已不能滿足集約型養(yǎng)護(hù)新模式發(fā)展的需求

人民渠二處水閘防腐蝕工作中，常規(guī)采用砂輪+砂紙方式除銹，效率低，不易達(dá)到規(guī)范要求的效果，且揚(yáng)塵嚴(yán)重影響人身健康；一般采用《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》中防腐方案，使用的防銹面漆普遍為丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆或金屬氟碳面漆，在干濕交替環(huán)境中，受酸雨腐蝕、紫外照射、生物吸附侵蝕等不利因素影響下，使用不足一年就容易出現(xiàn)漆膜老化、失光失色等情況，給水利工程管理單位造成嚴(yán)重困擾。并且隨著勞動(dòng)力成本的逐漸提升，過短的防腐養(yǎng)護(hù)周期極大地提高了人力成本在整體養(yǎng)護(hù)成本中的比例，不利于新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣，該現(xiàn)狀已不能滿足集約型養(yǎng)護(hù)新模式發(fā)展的需求。

3 納硅金屬防腐漆的應(yīng)用

3.1 金屬腐蝕及防腐漆發(fā)展歷程

腐蝕是金屬與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而導(dǎo)致的一種破壞，在我們的生活中，腐蝕現(xiàn)象無時(shí)無刻不在發(fā)生，并且造成了巨大的浪費(fèi)與損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年因腐蝕損失掉的鋼材占當(dāng)年鋼材產(chǎn)量的10%。因腐蝕造成的損失包括：直接損失和間接損失。直接損失為鋼質(zhì)的設(shè)備、結(jié)構(gòu)等因腐蝕造成的損失；間接損失甚至包括因這些設(shè)備的腐蝕失效而造成的泄露、爆炸、停產(chǎn)等影響，其損失更是不可估量。因此，從人類開始利用金屬的那一刻起，關(guān)于防腐的工作就一直伴隨著全過程的發(fā)展。通用的防腐方式有兩種：直接防腐和間接防腐。直接防腐是通過改變金屬成分、結(jié)構(gòu)等方式提升金屬本身的防腐蝕能力，該方式往往僅局限于新建的鋼結(jié)構(gòu)，而對(duì)于已建的存量部分無能為力，并且，該方式無法從根本上隔絕鋼結(jié)構(gòu)與不利環(huán)境因子的接觸，僅起到延緩腐蝕的作用；間接防腐通常指涂刷各種防腐涂料，起到隔絕環(huán)境腐蝕因子的作用，這種涂層防腐方法被大量采用，往往要求涂層本身具有抵抗紫外、酸堿、干濕、沖蝕、鹽霧等不利環(huán)境因子的能力。

人類最早利用天然樹脂添加天然礦物成分來制作防腐涂料。20世紀(jì)30、40年代，隨著石油化工行業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)了大量的合成樹脂，如酚醛類、醇酸類、氨基類、硝基類、環(huán)氧類、氯化橡膠類、丙烯酸類、聚酯類、氟碳類等。近年來，隨著材料科技的不斷發(fā)展，新型有機(jī)硅涂料、納米防腐涂料、石墨烯防腐涂料紛紛問世，極大地提升了涂料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為水工鋼閘門的防腐工藝提供了更多的選擇。

3.2 納硅金屬防腐漆的應(yīng)用

《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》(SL 105-2007)中所規(guī)定的防腐涂料有：氯化橡膠面漆、丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳面漆等。從人民渠水工閘門防腐工作的現(xiàn)狀來看，該類傳統(tǒng)的防腐涂料已不能完全滿足新時(shí)期養(yǎng)護(hù)工作集約式發(fā)展的要求。尤其是在人力成本大幅增加的前提下，如何有效提升鋼閘門的防腐壽命、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)周期顯得十分重要。從2018年起，人民渠二處積極與重慶大學(xué)合作，開展了納硅金屬防腐漆的防腐涂裝試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室樣本試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)涂裝試點(diǎn)及小規(guī)模推廣應(yīng)用試驗(yàn)研究工作，制定了標(biāo)準(zhǔn)的納硅涂裝工藝，通過近2年的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境腐蝕檢驗(yàn)，納硅金屬防腐漆具有優(yōu)異的防腐性能，能將原來2～3年防腐養(yǎng)護(hù)周期提升至8～10年，極大地降低了鋼閘門防腐養(yǎng)護(hù)的工作強(qiáng)度、節(jié)約了大量的人力、物力成本，同時(shí)具備綠色環(huán)保、工藝便捷、無需任何特殊設(shè)備、常溫下固化成膜等特點(diǎn)。

納硅金屬防腐漆(以下簡(jiǎn)稱“納硅”)由重慶大學(xué)研發(fā)，專門為水工閘門鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝而設(shè)計(jì)，適用于水利水電工程的鋼結(jié)構(gòu)，主要解決：電化學(xué)腐蝕、大氣腐蝕、酸、堿、鹽等化學(xué)腐蝕與物理溶解等所引起的鋼結(jié)構(gòu)使用壽命減少的問題，能有效提高水工金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕質(zhì)量。并提高水工閘門的抗沖擊性能和耐磨性能，以達(dá)到保護(hù)水工閘門不受水浪、泥沙、冰凌和其他漂浮物的沖蝕，從而提高閘門的使用年限，降低其全壽命周期成本。

3.3 物理及化學(xué)特性優(yōu)勢(shì)

與常規(guī)丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆或金屬氟碳面漆比較，納硅優(yōu)異的物理性能表現(xiàn)在：高耐磨、強(qiáng)附著、高硬度等；優(yōu)異的化學(xué)性能表現(xiàn)在：高耐水、高耐候、高耐鹽霧、高耐化學(xué)品等。這使納硅保護(hù)的金屬構(gòu)件涂層顏色在長(zhǎng)久的運(yùn)行過程中依舊亮麗如新，提供長(zhǎng)久的裝飾性，這也是水工鋼結(jié)構(gòu)在防腐蝕方面亟需的要求。上述防腐蝕涂層特性對(duì)比如表1。

表1 納硅金屬防腐漆與普通涂層的性能對(duì)比

3.4 納硅金屬防腐漆的施工工藝

納硅金屬防腐涂料的施工采用基材前處理加三層涂料體系的方案。前處理運(yùn)用噴砂打磨進(jìn)行除銹，三層涂料體系為環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+納硅金屬防腐面漆。具體工藝如下。

3.4.1 前處理

前處理按水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐施規(guī)范》(SL 105-2007)中的預(yù)處理要求進(jìn)行，要求基體金屬表面清潔度等級(jí)不低于Sa2.5級(jí)。

3.4.2 環(huán)氧富鋅底漆

采用含鋅量不低于60%的油性環(huán)氧富鋅底漆，噴涂一遍，涂層厚度60μm。

3.4.3 環(huán)氧云鐵中間漆

采用油性環(huán)氧云鐵中間漆，噴涂?jī)杀椋繉雍穸?0μm。

3.4.4 納硅金屬防腐漆

采用高質(zhì)量短羊毛滾筒進(jìn)行滾涂，兩遍，涂層厚度80μm。

該涂層體系漆膜總厚度約為220μm，由于納硅涂層優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，因此整體涂層厚度遠(yuǎn)低于厚漿型環(huán)氧瀝青要求的380μm。并且綜合考慮了電化學(xué)防腐、化學(xué)腐蝕、涂層附著力、涂層體系配伍性等多重特性。有效保障了在8～10年的防護(hù)壽命內(nèi)涂層不脫落、不開裂、不粉化。

表2 納硅金屬防腐漆施工參數(shù)

4 結(jié)語

德陽地處西南酸雨區(qū)的重腐蝕區(qū)域，人民渠轄區(qū)的水閘鋼閘門存在數(shù)量眾多、分布廣、單體面積小、腐蝕嚴(yán)重、養(yǎng)護(hù)難度大等問題。傳統(tǒng)防腐方式已不能滿足新形勢(shì)集約式養(yǎng)護(hù)模式發(fā)展的需求，因此亟需采用新技術(shù)、新材料來解決這一難題。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，重慶大學(xué)針對(duì)鋼閘門的腐蝕問題研發(fā)了高性能的納硅防腐漆。并成功在人民渠二處進(jìn)行了試點(diǎn)及小范圍推廣試驗(yàn)，經(jīng)過近兩年的試驗(yàn)周期，納硅涂層沒有出現(xiàn)任何粉化、失色、失光、開裂、脫落等不良現(xiàn)象，依然光亮醒目，與新涂裝別無二致，其效果在都江堰灌區(qū)“創(chuàng)先爭(zhēng)優(yōu)，互幫互促互學(xué)”評(píng)比活動(dòng)中獲得了一致好評(píng)，該工藝已被都江堰灌區(qū)管理處廣泛采用。該試驗(yàn)的成功為新型納米技術(shù)在重腐蝕區(qū)域鋼閘門養(yǎng)護(hù)工作中的推廣應(yīng)用提供了科學(xué)支撐，極大地減輕了水利養(yǎng)護(hù)工作的負(fù)擔(dān)，節(jié)約了大量的人力、物力成本，有利于推動(dòng)我國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集約化發(fā)展的進(jìn)程。