淺談防腐蝕技術在舞臺機械中的應用

尹文敬，張術永，黃元樂，李 強，劉廣威，武 進

（浙江大豐舞臺設計有限公司，浙江 杭州 315400）

淺談防腐蝕技術在舞臺機械中的應用

尹文敬，張術永，黃元樂，李 強，劉廣威，武 進

（浙江大豐舞臺設計有限公司，浙江 杭州 315400）

結合多個水中秀場項目的一些經驗，介紹如何運用防腐蝕技術有效地減緩涉水舞臺機械易腐蝕的問題。

舞臺機械；防腐技術；涂層保護；電化學保護；應用

目前，人們對文化旅游的需求與日俱增；為了滿足這種需求，大量的主題公園應運而建。這些大型的主題公園里一般都設置了各種類型的演藝設施，其中不乏大型實景演藝秀場。這些演藝秀場中有大量的舞臺機械設備，其中多數為露天安裝，還有大量的設備直接安裝在水中，甚至是海水中。雖然這些水中的設備可以采用不銹鋼等耐腐蝕材料，但由于成本的原因（耐腐蝕材料的設備造價是普通碳鋼的5倍左右），一般大型舞臺機械設備都采用普通結構用金屬型材制造，惡劣的工作環境使這些設備的腐蝕程度遠遠大于室內干燥環境下使用的設備。另外，近年來沿海區域大型主題公園不斷涌現，許多設備直接浸泡于海水中，在海水介質中設備的使用環境更加惡劣，腐蝕情況非常嚴重。可見，演藝設備的防腐蝕處理在舞臺機械的使用和防護中是至關重要的一個環節。筆者結合本公司近年來完成的幾個大型實景演藝秀場，針對設備的使用環境和防腐措施，談談船舶防腐蝕技術在舞臺演藝設備防腐蝕中的應用。

1 設備腐蝕的危害

首先，設備腐蝕使設備外觀受損；其次，由于金屬的腐蝕使其強度變差，設備的使用壽命大大縮短；更為嚴重的是，如果疏于管理，極易造成設備損毀甚至人員傷亡事故；除此以外，設備腐蝕還會造成傳動效能降低、環境污染、資源浪費等不良后果，如圖1所示。

2 金屬腐蝕的原理

圖1 金屬材料被腐蝕后的狀況

鋼由鐵、碳和其他元素組成。海水是強電解質，鐵在海水中比其他元素更易失去電子，呈較高電位。鐵元素常年浸泡在海水中，會快速失去電子成為正極；鐵元素失去的電子經過海水這個電解質到達其他元素，其他元素獲得電子成為負極；這樣就形成了一個個微電池，但這并不腐蝕鋼鐵。關鍵在于海水中存在溶解氧，這些溶解氧在海水中呈負離子狀態，必然與失去電子成為正極的鐵結合生成氧化鐵，這就是電化學腐蝕。這個過程可以用（公式1）和（公式2）表示：

其化學反應式可表示為：

與海水接觸部位的表面除了受到上述電化學腐蝕，還有海洋生物腐蝕、運動磨損腐蝕、雜散電流腐蝕等各種腐蝕。其中以電化學腐蝕最嚴重，而電化學腐蝕的最大特點是僅腐蝕陽極區域，不腐蝕陰極區域。表1列舉了各種環境中鋼材的腐蝕速度。

3 設備腐蝕的防護

金屬防腐主要有兩種方式，即涂層保護和電化學保護。

表1 各種環境中鋼材的腐蝕速度（單位：mm/年）

表2 各種因素對涂膜壽命的影響

3.1 涂層保護

涂層保護對于金屬設備來說，是一種應用最廣泛，歷史最悠久，也最為經濟、方便、有效的防護方法。涂層保護是將防腐涂料或鍍層涂覆在鋼結構表面，使其形成一層完整、致密的涂層，以隔離各部位鋼鐵表面與外界腐蝕環境。涂層保護又可分為涂料涂層保護和鍍膜涂層保護兩大類。涂料涂層保護主要包括油漆、噴塑等；鍍膜涂層保護主要包括鍍鋅、鍍鉻等。隨著新材料的不斷開發應用，現在又出現了氟碳、聚脲、達克羅等新型防腐涂層材料。

3.1.1 涂層保護的工藝要求

鋼材表面防腐涂層的有效保護壽命與涂裝之前的表面處理、涂料種類、涂膜厚度及涂裝的工藝條件等許多因素有關，其中涂裝前的鋼材表面處理質量是影響涂膜保護性能的最主要因素，如表2所示。

鋼材表面處理方法主要有：原材料拋丸預處理和涂裝車間噴丸或酸洗、磷化、底漆處理等。

3.1.2 涂層保護的效果

一般潮濕環境，室外以及淡水完全浸沒環境中的演藝設備可采用涂層保護方法進行保護，只要嚴格按工藝要求施工，并且在吊裝、運輸以及安裝過程中注意設備表面涂層的保護，是可以達到防腐要求的。

筆者所在的公司參與設計的某影視城秀場的水中升降舞臺，采用普通碳鋼加船舶涂料進行防護，即選用合適的船舶專用涂料，以船舶涂層的工藝要求進行施工，設備使用兩年后鋼結構表面基本沒有腐蝕，獲得了良好的防腐效果，如圖2所示。

3.2 電化學保護

電化學保護又稱之為陰極保護。陰極保護法有兩種，即犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。其中犧牲陽極陰極保護又稱為被動式保護；外加電流陰極保護又稱為主動式保護。這兩種電化學保護方法在船舶殼體和碼頭鋼結構的保護中被廣泛采用。

3.2.1 犧牲陽極陰極保護

犧牲陽極陰極保護是在需要保護的鋼結構設備上固定一些作為陽極的金屬材料，如金屬鋁、鋅、鎂及其合金等。由于這些金屬及合金的化學性質比鐵更活躍，因此，在電解質（海水）的作用下更易失去電子而呈高電位（陽極），這樣金屬材料與被保護的鋼結構之間就形成了一個微電池，在這個微電池中陽極被加速氧化腐蝕，而陰極（鋼結構）表面則被陽極電子堆積覆蓋得以保護，從而大大減緩了鋼結構的腐蝕。

犧牲陽極陰極保護可使用鋁合金陽極或鋅合金陽極，其材料的化學成分、電化學性能必須嚴格按照國家標準GB/T 4948-2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》和GB/T 4950-2002《鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極》。表3～表6列舉了陽極材料的化學成分及電化學性能。

3.2.2 外加電流陰極保護

外加電流陰極保護是在犧牲陽極陰極保護過程中外加一個恒電位，利用外加恒電位使被保護結構達到保護電位域，此時所需要的電流叫做保護電流。保護電流的大小與被保護的金屬結構的表面積有直接關系，通常采用單位面積的保護電流值——保護電流密度作為表征，圖3為陰極保護原理示意圖。

鋼鐵在靜止的海水中的腐蝕速度一般為0.1 mm/年，假定其為速度恒定的均勻腐蝕，根據理論計算可知，其腐蝕電流密度為0.086 A/m2。而實驗結果表明，在靜止的海水中，鋼鐵的保護電流密度為0.1 A/m2～0.15 A/m2。這與理論上要求的保護電流必須大于腐蝕電流的概念是一致的。

圖2 按船舶防腐涂層工藝施工的在水中兩年多的演藝設備

圖3 陰極保護原理示意圖

表3 鋁合金陽極材料化學成分

表4 鋁合金陽極材料電化學性能

表5 鋅合金陽極材料化學成分

表6 鋅合金陽極材料電化學性能

船體的外加電流陰極保護系統，一般是由恒電位儀、輔助陽極、陽極屏蔽層、參比電極等組成。恒電位儀是一個高性能的直流電源，一般還集合了良好的人機界面、自動控制功能、自我檢測和異常報警等功能。輔助陽極是一個重要的部件，其作用是將保護電流經由海水傳遞到金屬表面，效果等于代替金屬進行電化學腐蝕。陽極屏蔽層是覆蓋在輔助陽極周圍一定面積范圍內的絕緣涂層，可以使陽極的輸出電流分布到較遠的陰極表面，以使金屬電位分布均勻。參比電極主要是為恒電位儀提供實現自動控制用的金屬電位信號，同時也為人機界面提供陰極保護效果的信號。

對于暴露于海邊以及長期浸泡于海水中的演藝設備，由于海水和鹽霧的強腐蝕作用，僅用涂層保護顯然是不夠的。為此，采用涂層保護加電化學保護的綜合保護法。其中，對于暴露于海邊或有海水飛濺（噴淋）的演藝設備，采用犧牲陽極陰極保護的電化學保護措施保護效果明顯；而對于長期浸泡于海水中的演藝設備，則應采用外加電流陰極保護的電化學保護措施保護效果更好。

筆者所在的公司曾給某海邊水秀場制造大型演藝設備，設置了海水噴泉，為了更好地保護設備減緩銹蝕，在設計制造時考慮了采用犧牲陽極陰極保護的電化學保護措施，如圖4所示。事實證明，對于海邊或半干濕環境中使用的演藝設備，犧牲陽極陰極保護措施所起到的防腐保護作用非常顯著。圖5是在相同的環境中經過兩年的使用后，有保護和無保護鋼結構腐蝕情況的對比。

在海水中浸泡的演藝設備更宜采用外加電流陰極保護措施，只要在適當位置安裝若干個輔助陽極，控制好保護電流的大小，即可達到滿意的保護效果。但是在海水環境中，除了海水的侵蝕外還有海洋生物侵蝕，因此，這些設備的涂層保護也非常重要。傳統油漆涂料很難防止海洋生物的附著與侵蝕，而近些年被廣泛使用的聚脲防腐涂層則能有效防止海洋生物的附著。如果條件允許，聚脲涂層可在設備安裝完成后現場噴涂，噴涂時要注意盡量均勻并消除死角。通過上述涂層保護和外加電流陰極保護的綜合保護，經常處于海水中浸泡的演藝設備壽命可大大延長，一般可使用5～10年，真正起到事半功倍的效果。

圖4 在設備鋼結構上加裝鋅合金犧牲陽極保護塊

圖5 相同環境中有無保護鋼結構表面腐蝕情況對比

4 結束語

近年來，文化產業得到了長足的發展，各種大型主題公園、實景秀場的建設，給舞臺機械提出了許多新的要求。筆者有幸參與了數個大型室外實景秀場舞臺機械涉水設備的防腐保護設計，在這些設計中充分借鑒了船舶涂層保護和電化學陰極保護的技術、工藝、材料等，使舞臺機械在惡劣的工作環境中得到了很好的保護，有效地提高了設備的可靠性和安全性，極大地延長了設備的使用壽命，為投資方節約了建設成本，獲得了良好的社會和經濟效益。

［1］陳可越,等. 船舶設計實用手冊[M]. 中國交通科技出版社,2007.

（編輯 薛云霞）

Discussion on the Application of Anti Corrosion Technology in Stage Machinery

YIN Wen-jing, ZHANG Shu-yong, HUANG Yuan-le, LI Qiang, LIU Guang-wei, WU Jin
(Zhejiang Dafeng Stage Design Co. Ltd., Hangzhou Zhejiang 315400, China)

Combined with some experiences of water runway projects, the author described how to use the anticorrosion technology effectively to slow down easy corrosion problems of the wading stage machinery.

stage machinery; corrosion protection technology; coating protection; electrochemical protection; application

10.3969/j.issn.1674-8239.2016.03.007