时间：2013-11-29 分类：水力
摘 要;在本文中，笔者结合水工钢闸门就水工金属结构产生腐蚀的原因及目前常用的防腐蚀方法, 对于各防腐方案的经济技术条件进行了分析评价。
关键词; 水工金属结构 化学腐蚀 涂料保护 金属热喷涂 阴极保护
1 金属结构腐蚀的原因分析
从金属腐蚀的定义及分类, 我们知道金属腐蚀主要是化学过程, 可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
1.1 化学腐蚀
化学腐蚀是根据化学的多相反应机理, 金属表面的原子直接与反应物(如氧﹑ 水﹑酸) 的分子相互作用。如钢铁与干燥的气体反应, 或在高温中氧化以及在酒精、汽油等非电解质溶液中发生的腐蚀都属于化学腐蚀。
1.2 电化学腐蚀
电化学腐蚀机理是: 在电解质溶液中, 金属表面各个部分的电位不同, 构成腐蚀电池, 在这种电池中, 电位较负的部分称为阳极, 电位较正的部分称为阴极。阳极上的金属溶解成为金属离子进入溶液, 放出的电子流到阴极消耗掉, 整个过程伴随着电流的产生。水工钢闸门所用钢铁的成分除铁之外, 还含有石墨、渗碳体( Fe3C )以及其它金属和杂质, 它们大多数腐蚀电位比铁高, 这样形成的腐蚀电池的阳极为铁, 而阴极为杂质。由于铁与杂质紧密接触, 遇到含有酸、碱、盐的水溶液、海水或者潮湿的大气构成的电解质溶液, 就刚好符合形成原电池的三个条件:1 还原性强的阳极, 氧化性的负极; 2两极用导线连接或者直接接触构成闭合回路; 3两极之间填充电解液。经过大量的实例分析, 水工钢闸门的腐蚀主要以电化学腐蚀为主。此外, 外界环境因素, 如水温、pH 值、水质污染、水阻率、流速、钢闸门在水中的不同位置、生物附着情况及钢闸门表面防腐涂层状况等, 也对钢闸门的腐蚀产生很大影响。
2 常用的防腐蚀方法
水工钢闸门防腐应以防为主, 防治结合, 关键是要消除形成原电池腐蚀的各种要素。目前,我国较常见的金属结构防腐蚀方法, 有涂料保护法、金属热喷涂保护、电化学保护法等。
2.1 涂料保护
涂料防腐是用环氧类、树脂类或者氯化橡胶类等高性能涂料涂敷在钢件表面, 使闸门表面与水或其它引起腐蚀的介质隔离, 达到防腐的目的。防腐蚀涂层系统应由与基体金属附着良好的底漆和具有耐候、耐水性的面漆组成, 而中间漆宜选用能增加与底漆、面漆之间结合力且有一定耐蚀性能的涂料。另外一般还要求: 同一涂层系统的涂料要相容; 底漆硬度不能低于面漆硬度;底漆成份中要求粉料多一些, 以使底层有一定的粗糙度; 面漆要求平整、光滑等。
水工金属结构大多很难明确区分水上、水下部位, 使用涂料需要满足多方面的要求。所以应根据具体使用条件, 掌握其需要满足的性能协调多种性能的要求, 选择适合的涂料配套方案。《水工金属结构防腐蚀规范》( SL105- 95) 附录D, 就给出了各种应用条件下的涂料配套以供参考。这种方法在国内应用最为广泛, 就不再举例介绍。
2.2 金属热喷涂
金属热喷涂保护系统包括金属喷涂层和涂料封闭层。金属热喷涂和涂料的复合保护系统还应在涂料封闭后, 涂覆面漆。目前我国应用广泛的金属热喷涂材料有锌、铝、锌铝合金和铝镁合金, 稀土铝也开始应用(淡水中上述皆可选用,但是海水及工业大气条件下不宜选用喷锌方法)。该措施对于水工钢闸门具有隔绝封闭电解液和电化学的双重保护作用: 一是象涂料保护那样把钢闸门基体与水或其它引起腐蚀的介质隔离开来, 避免形成原电池腐蚀; 二是从理论上讲,金属喷涂层不可避免存在细微孔隙, 使得钢闸门基体与水溶液接触, 如果涂料封闭层发生破损,由于喷涂金属电位比铁电位更低, 这样就形成了腐蚀电池, 喷涂金属失去电子成为阳极, 而铁则为阴极受到保护, 起到牺牲阳极保护阴极的作用。另外, 喷铝、稀土铝的表面能形成氧化膜,可起到遮蔽作用, 其腐蚀速率非常低。在喷稀土铝、锌铝合金、Zn、A l等几种长效防护体系的热喷金属材料中, 锌腐蚀速度最大, 铝最小, 喷锌铝合金的腐蚀速度和喷铝接近, 喷稀土铝合金可提高涂层的耐蚀性能。三峡工程二期金属结构件大部分采用热喷锌、土铝、锌铝合金等长效防腐蚀材料, 金属涂层外再加涂料封闭, 构成复合保护系统。另外像葛洲坝、龙羊峡等工程都有大量的应用。
2.3 阴极保护
阴极保护的原理是给金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态, 使金属表面各点达到同一负电位, 金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的, 即牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。
2.3.1 牺牲阳极阴极保护。将电位更负的金属与被保护金属连接, 并处于同一电解质中,使该金属上的电子转移到被保护金属上去, 使整个被保护金属处于一个较负的相同电位下, 同时金属变成离子而牺牲。该方法在其他行业中应用广泛。
2.3.2 外加电流阴极保护。利用外加直流电, 负极接在被保护金属上成为阴极, 正极接辅助阳极。由于水工金属结构受条件限制, 用该方法在管理上尚有困难, 在此不作详细探讨。
2.4 冶炼钢铁时加入合金元素, 增强抗蚀性能
由金属腐蚀的机理可知, 要提高金属的抗腐蚀能力, 一方面应使金属在室温下呈单一均匀组织, 另一方面更重要的是提高金属本身的电极电位。为了达到上述目的, 一般在钢材中常加入较多数量的C r、N i等合金元素。实践证明, 加入C r、N i后能在阳极区域基体金属表面生成一层致密的氧化物保护膜, 阻碍阳极区域的反应, 并增加基体电极电位使电化学腐蚀过程减缓, 专业上称之为\"钝化\" 现象。不锈钢的耐腐蚀性能就是这个机理, 但是不锈钢造价高, 而且力学性能不如普通钢材, 综合成本是普通钢的6 倍左右。不锈钢复合板刚好就能解决这个问题。不锈钢复合板是以碳钢为基板, 单面或双面包复不锈钢复材的双金属高效多功能材料, 既具有不锈钢的耐腐蚀性、耐磨性, 又具有碳钢良好的力学性能。该材料在三峡工程中也不乏应用实例。如三峡电站泄洪坝段深孔一、二期金属结构埋件过流面, 二期工程厂房坝段进水口位置布置三条排砂钢管等, 均采用不锈复合钢板制造。#p#分页标题#e#
此外, 还有一些其他防腐方法也在水利工程中开始应用, 比如江苏淮海农场水工钢闸门采用聚脂玻璃钢防腐技术, 取得了较好的防护效益和经济效益。但这些防腐方法的应用还不很广泛,在此不作详细介绍。
3 各防腐方案的经济技术分析
水工钢闸门要实施防腐施工, 必须先制定防腐方案, 为此我们必需清楚上述防腐措施的经济技术特性。
3.1 涂料保护评价
涂料保护法是传统的防腐措施, 工艺简单,施工费用低廉, 但保护年限相对较短, 在正确使用涂料防腐条件下, 目前全国腐蚀学会论证结论为5~ 10年(一般不超过10 年)。因此, 对于运行环境好、检修方便、保护年限要求不高的水工金属结构, 应优先考虑涂料保护法。另外, 具备检修条件的金属结构设备, 也可选择这种防腐措施。
3.2 金属热喷涂防腐评价
金属热喷涂防腐工艺相对涂料防腐, 工艺稍显复杂, 一次投资较大, 但其运行管理费用相对较低, 并可延长设备使用年限, 推迟设备更新改造资金投入。金属热喷涂和涂料的复合保护系统(既涂料封闭后再涂覆面漆) 能发挥最佳协同效应, 防护寿命可达20 年以上。结合以上因素,该方法适合应用于经常处于水下或干湿交替等环境恶劣, 且不易检修或检修对发电、泄洪或航运等有较大影响的水工金属结构。
3.3. 阴极保护评价
该方法适用于常年在富含电解质水溶液中运行的钢构件, 对于常暴露在大气中或者干湿交替环境中的构件, 防腐效果不如涂料保护及金属热喷涂。该方法在其他行业应用比较广泛, 但在本行业应用较少。一者因为淡水中电解质少, 牺牲阳极作用不明显; 二者用外加电流保护在运行管理上有困难并且要消耗一定的电能, 推广条件还不够成熟, 只有在海水或污染比较严重的水质条件下运用效果才比较好。此外, 根据阴极保护在三峡工程金属结构中的应用研究得知, 涂层加阴极保护可使金属结构的保护寿命达30年左右,是目前对构件保护年限比较长的一种防腐措施。
3.4 不锈钢复合材料
该材料既有优异的防腐、耐磨性能, 又具有基材优良的力学性能, 并且能经受各种冷热机械加工, 价格虽只有不锈钢的一半, 但依然比普通钢材高出许多。考虑到价格因素, 该方法一般运用在没有检修条件或者难于检修维护的特殊工程部位。结合三峡工程应用实例, 其主要应用于特殊而重要的高流速部位, 避免这些部位的锈蚀、气蚀和冲蚀。由于不锈钢复合材料的各项性能指标比较优异, 在水工金属结构上的应用前景比较广阔。
4 结语
在水利水电工程中, 金属结构在防洪度汛、蓄水发电、灌溉、确保大坝安全及检修等方面起着重要的作用, 如何采用最佳的防腐蚀配套体系、最优质的防腐材料以及涂装工艺十分重要。防腐方案要结合金属结构设备的实际运用情况,从经济和技术等方面综合比较, 采用最优的方案进行施工。强化防腐蚀意识, 实施科学的管理办法, 并对整个防腐施工的每个环节都要严格把关, 进行全程质量监督, 这样才能达到预期效果。同时, 随着现代工业和材料科学的发展, 各种新型防腐材料及耐蚀金属、非金属材料的涂、镀工艺将不断出现, 必将对提高水工金属结构防腐水平产生很大的推动作用。
参考文献
【1】史美堂 金属材料及热处理{M }.上海: 上海科学技术出版社, 1997
【2】曾德龙, 卜建欣 三峡金属结构防腐蚀措施研究 ﹛J﹜.中国三峡建设, 2003, ( 2) : 13~ 15
