犧牲陽極陰極保護在鋼閘門防腐中的應用

劉 良 舒劉海 俞文捷

一、概述

某泵站是淮河入海水道近期工程穿堤建筑物骨干工程，主要功能是自排、抽排澇水和污水至入海水道。泵站上游有一中大型造紙廠，并肩負排除該縣城市污水的任務，介質為有一定程度污染的淡水，對鋼結構有強腐蝕性。金屬結構設備包括進水口事故鋼閘門、出水口快速鋼閘門和自排孔閘門，進水口事故鋼閘門和出水口快速鋼閘門均采用（3.5×2.6-9.78）m（寬×高- 水頭，下同）潛孔式平面定輪鋼閘門，各計3扇，閘門外形尺寸 3.6m×3.1m×0.45m（寬×高×厚度，下同），快速閘門門體自帶兩扇小拍門，外形尺寸1.24m×1.2m×0.22m；自排孔閘門采用（5.0×3.6-9.48）m潛孔式平面定輪鋼閘門，計1扇，閘門外形尺寸5.1m×4.0m×0.55m。

二、采取犧牲陽極陰極保護的必要性

1.鋼閘門腐蝕情況

鋼閘門材料通常采用普通碳素鋼或低合金鋼，它們長期處于大氣、淡水、干濕交替及水流沖刷等環境中，受到不同水質、光照、溫度等環境影響和泥沙、漂浮物的撞擊等物理、化學和電化學作用，所以不可避免地遭受不同程度的腐蝕，大致分為化學腐蝕和電化學腐蝕。

一般鋼材在純凈的淡水中均勻腐蝕速度較低，只有0.01～0.04mm/a，但被污染的水質對鋼鐵的腐蝕速度是無污染地區的幾倍甚至幾十倍，局部腐蝕更為嚴重，以點蝕和坑蝕為主，傳統的噴金屬加涂層封閉保護措施難以長時間保護鋼閘門不受腐蝕。例如某鋼閘門于1996年實施噴鋅加涂層封閉保護措施，到2000年檢查閘門發現大部分區域已出現銹點，閘門下部涂層破損嚴重，閘門腐蝕，經過分析研究是由于水閘附近水域受到嚴重污染，另一方面是由于水閘開啟頻繁，閘門下部受到水流沖刷，涂層和噴鋅層損壞造成的。

2.犧牲陽極陰極保護原理和作用

陰極保護是向被保護金屬表面通入足夠的陰極電流，使其陰極極化以減小或防止金屬腐蝕的一種電化學防腐蝕保護技術。陰極保護分為通過外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護兩種方式，由于外加直流電源，裝置復雜，對鄰近構件干擾大，維護管理工作量大，易產生雜散電流，目前主要采用犧牲陽極陰極保護。犧牲陽極陰極保護施工簡單、不會對水體等環境造成污染、對周邊金屬設施干擾小、電流發散能力好、陽極利用效率高等優點，不僅可以防止金屬的均勻腐蝕，而且還能有效防止各種局部腐蝕，如點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、焊縫腐蝕等，從而使被保護結構物的使用壽命成倍延長。目前犧牲陽極保護被廣泛應用，并取得了一定的經濟效益和社會效益。

該站上游有中大型造紙廠，水質污染造成pH值變化，有害離子濃度加大，會加速金屬結構的腐蝕，另外城市污水造成水中溶解氧減少，而發生厭氣性微生物增殖，產生硫化氫等，都將加速金屬的腐蝕。因此對該站采取傳統防腐外，增加犧牲陽極聯合保護是非常必要的，具有以下兩方面的作用：（1）當閘門表面局部涂層由于各種原因遭到破壞時，陰極保護電流會集中流向此處，使之極化，并在其表面形成一層鈣、鎂陰極產物膜保護層，從而降低局部腐蝕的進程；（2）當涂層完好時，陰極保護電流均勻地分布在涂層的微觀孔洞上，保護閘門和噴金屬層不遭受腐蝕，防止腐蝕造成涂層剝離破損，延長涂層的使用壽命。

三、犧牲陽極陰極保護方案設計

該工程防腐采用傳統防腐+犧牲陽極陰極保護相結合的防腐措施，根據類似工程經驗，傳統防腐采用噴鋁120μm，磷化底漆 5～10μm，再涂環氧云鐵防銹漆100μm（中間層），丙烯酸聚氨酯面漆80μm（面層）；除銹要求為噴砂除銹使清潔度不低于Sa2.5和粗糙度達Rz60～100μm。

由于該工程資金緊張，針對各閘門特點和重要性，綜合考慮對進水口事故鋼閘門和出水口快速鋼閘門進行犧牲陽極陰極保護。

根據閘門使用年限和維修周期考慮，按照不低于15年設計使用壽命設計。

1.設計參數選擇

根據該站水質的化學成分、pH值、電阻率、污染狀況以及溫度、流速等勘測資料，犧牲陽極陰極保護主要設計參數包括保護電流密度、保護電位和介質電阻率等。

（1）保護電流密度

根據鋼閘門所處的環境和運行工況，按照下列公式計算：

式中：ic—有涂層鋼的保護電流密度；

ib—無涂層鋼的保護電流密度，取40A/m2；

fc—涂層破損系數，0＜fc≤1，取10%。

經過計算，保護電流密度為4mA/m2。

（2）保護電位

該鋼閘門在大氣環境下工作，保護電位應在-0.85～-1.2V（相對于銅/飽和硫酸銅參比電極）之間，保證最大保護電位不損壞鋼閘門的涂層。

（3）介質電阻率

介質電阻率按4000Ω·cm計。

2.保護面積和保護電流

根據閘門運行時位于水下的高度和接觸河水部位，按照閘門實際尺寸計算保護面積，鋼閘門保護面積和保護電流成果表見表1。

3.犧牲陽極塊設計

常用的犧牲陽極材料選用鋅基、鋁基和鎂基合金，其中鎂基合金適用于淡水和淡海水環境，鎂基合金分為純鎂、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金三類，它們共同的特點是密度小、理論電容量大、電位負、極化率低，適用于電阻率較高的土壤和淡水中金屬構件的保護，在鎂中加入適量Al、Zn和Mn等元素組成合金，可使鎂陽極的電化學性能得到改善。由于該工程環境介質電阻率較高，設計選用鎂合金Mg-6Al-3Zn-Mn犧牲陽極材料。

犧牲陽極的規格按照鋼閘門結構形式、保護電流和使用年限按照規范計算，保證鋼閘門各處保護電位滿足規范要求，犧牲陽極材料、規格和用量成果表見表2。

陽極塊布置在面板或后翼緣上，通過螺栓M12（螺栓焊于面板或后翼緣）連接；布置在縱梁腹板上，通過對銷螺栓M12固定在縱梁腹板上，在閘門和鎂合金之間用橡皮墊塊隔離，螺栓焊接位置防腐封閉。

表1 鋼閘門保護面積和保護電流成果表

表2 犧牲陽極材料、規格和用量成果表

四、結語

該工程投入使用10年來，在污染水質下采用的傳統防腐+犧牲陽極陰極保護方案比較成功，防腐涂層完好，陽極塊消耗明顯，說明犧牲陽極陰極保護起作用，達到了預期效果。

2013年環境友好型長效犧牲陽極保護技術在水工鋼結構上的應用已列入《2013年度水利先進實用技術重點推廣指導目錄》。該技術在南沱河徐樓閘除險加固工程中得到推廣應用，目前工程已竣工驗收■