水工鋼結構防腐蝕技術研究現狀分析

熊能 重慶交通大學 重慶 400074

0 引言

近年來，隨著國家對水利基礎設施建設的投入力度地加大，水工建筑物的設計規范和標準也越來 越高，水工鋼結構耐腐性的問題日益突顯。水工鋼 結構發生腐蝕，一般分為化學腐蝕與電化學腐蝕兩 大類，鋼結構腐蝕是一種被氧化的過程，是一種自 發現象。由于受大氣環境、水文環境、水流條件等各種因素的影響，水工鋼結構長期處于水中或者干濕交替的環境中，相比之下其環境更加惡劣，更容易發生化學變化，腐蝕更加嚴重。

1 水工鋼結構的優點及應用

水工鋼結構通常采用鋼板、型鋼加工制造而成, 它具有自重輕、承載能力大、可靠性高、抗震性與抗沖性好等優點，而且其可以做成密封結構，工藝化程度高，裝配速度快，是水工建筑物的首選結構形式。由于具有這些優點，鋼結構在水利工程應用中日益廣泛，比如船閘工程中大量采用的鋼閘門、 閥門、攔污柵、船閘閘門、升船機等；港口工程中使用的下部結構鋼管混凝土樁，縱橫支撐和靠船構件等碼頭附屬設施。

2 國內外對水工鋼結構防腐蝕技術的研究現狀

2.1 防腐涂層沖蝕機理研究方面

Bitter(1963)提出變形磨損理論，他認為，沖蝕磨損可以分為變形磨損和切削磨損兩部分，90度沖擊角下的沖蝕磨損與粒子沖擊時材料的變形有關， 當沖擊應力小于材料屈服強度時材料只發生彈性變形；當應力超過屈服強度時材料表面形成裂紋，并且產生彈性和塑性兩種變形；

A.Levy 等提出鍛造擠壓理論，他認為材料先受沖粒沖擊出現凹坑及凸起的唇片，再受沖粒反復“鍛打”造成片屑狀流失。

脆性材料沖蝕理論主要研究了材料在沖擊作用 下產生裂紋及擴展與顆粒入射速度、材料性能間的 關系。

林福嚴等通過實驗研究，提出了以低周疲勞為主的沖蝕理論；

黃細彬研究了高速含沙摻氣水流及磨蝕機理，建立了泥沙對固壁的磨蝕率預測公式；

郭源君針對水輪機等過流件沖蝕，提出了采用彈性涂層實現回避粒子接觸的抗沖蝕設計理論。

2.2 高耐沖蝕防腐材料研發方面

熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態，并以一定的速度噴射沉積到經過預 處理的基體表面形成涂層的方法。張衛濤等利用超音速電弧噴涂技術在高強不銹鋼基體上分別制備 NiTi 涂層和 Ni/Ti 混合涂層，分析測試得出，Ni/Ti 混合涂層在耐沖蝕方面優于單一涂層；自自蔓延高溫合成技術（SHS）主要成功應用在合成陶瓷復合鋼管方面。張樹格用 SHS 技術制備了復合陶瓷涂層，發現涂層與鋼管表面結合牢固，在低攻角下具有良好的沖蝕抗力；王智采用 SHS 技術制備了多種陶瓷層的陶瓷內襯復合鋼管，并且通過實驗發現陶瓷層的沖蝕率均隨著攻角的增大而增大，尤其在低角度沖蝕下表現出優異的耐沖蝕性能。物理氣相沉積技術（PVD）表示在真空條件下， 采用物理方法，將材料源——固體或液體表面氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體（或等離子體）過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術。Wei 等[利用 PVD技術在奧式不銹鋼和鈦合金基體上分別制備了 TiN、ZrN、CrN、ZrSiCN 和 TiSiCN 五種涂層，實驗表明與基材相比所有涂層均表現出優異的耐沖蝕性能，其中 TiSiCN 涂層相比于基材其沖蝕抗力提高了 25 倍。

3 水工鋼結構腐蝕機理及影響因素

3.1 腐蝕機理

鋼結構的腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。化學腐蝕是干燥氣體及非電解質液體作用金屬表面而產生的，這種腐蝕常發生于化工廠及其附近的鋼結構建筑，其腐蝕源來自化工廠的泡、冒、滴、 漏等。但這種腐蝕在干燥的環境中 (如相對濕度小于 50%)進展緩慢。但在潮濕環境中，腐蝕速度很快。電化學腐蝕是鋼材表面與電解質溶液產生電流、形成腐蝕電池，使鋼材出現腐蝕的現象。產生腐蝕的條件是水和氧氣共同存在。若水中有 NaCl 等鹽類物質存在，極易在鋼材表面形成銹坑，對結構受力極為不利。表面不平同樣會使腐蝕速度加快。

3.2影響腐蝕的因素

3.2.1 表面狀態

鋼結構表明的粗糙度大小不同，表面積不一樣， 腐蝕速度也不一樣，表明越粗糙，接觸面積越大， 越容易發生腐蝕。

3.2.2 離子濃度

當 PH〈4 時，PH 值越小，腐蝕的速度也就越快； 當PH=5-9 時，液體中的溶解氧濃度越大，越容易發生腐蝕；當 PH〉10 時，鋼結構表明形成保護膜， 不容易發生腐蝕[34]。

3.2.3 大氣和水中化學成分

（1）大氣：內陸大氣主要受工廠排放的二氧化 硫影響，而沿海大氣主要手氯離子濃度影響；

（2）內河：內河水中雜質成分較多，主要以泥 沙為主，泥沙能夠沖蝕鋼結構表面防腐涂層，加快 腐蝕速度；

（3)海水：海水中含大量 Cl-，且水中溶解氧， 腐蝕速度較快；

4 總結與展望

國內外對于水工鋼結構防腐蝕技術的研究主要 有以下幾個方面：

(1)研究具有多功能與環保特點的新型水工鋼結構防腐材料；

(2)研究新型水工鋼結構腐蝕監測技術，主要包括場圖像技術，恒電量技術，光電化學方法技術。

(3)對水工鋼結構環境友好型防腐技術研究，以薄膜技術替代傳統電鍍鉻的綠色鍍膜技術為主，包括磁控濺射離子鍍技術和復合碳膜防護技術。

(4)對水工鋼結構沖蝕機理影響因素的研究和施工工藝的研究。

目前，國內外水工鋼結構防腐研究基本都是以 沿海環境下防腐研究為主，對于內河大流速、大含 沙量環境下鋼結構防腐研究還很欠缺。所以，今后將會側重在這方面的研究。