水利水電工程金屬結構防腐技術研究

唐國華

摘 要：在水利水電工程中，金屬結構的防腐工作至關重要。由于很多金屬結構部件會長期接觸到水，受到環境腐蝕的影響程度較大，銹蝕速度比較快，且腐蝕形態的差異性比較明顯，需要在防腐工作中做好檢測和防腐方案選擇，從而提升設備的使用效率和使用壽命。本次研究結合工程經驗對金屬結構的防腐技術進行了針對性探討。

關鍵詞：水利水電工程;金屬結構;防腐技術

0.引言

水利工程金屬結構一直是水利水電工程建設的關鍵組成部分，而金屬結構以鋼結構居多，容易受到外界環境的影響導致質量缺陷。例如，在惡劣的氣候條件及自然環境的影響下，金屬結構收到腐蝕后，其剛度性能會受到影響，整個結構的承載力大幅下降，安全風險極高。這要求相關的工程人員結合工程實施地域的水文、地質、環境，仔細分析防腐技術方案，選擇合理的工程防腐措施。

1.水利水電工程金屬結構腐蝕的分類及其影響因素

1.1 化學腐蝕與物理腐蝕

化學腐蝕是化學反應所導致的腐蝕類型，包括金屬表面和氧氣、水、酸等接觸之后產生的相互作用。例如鋼結構在大氣環境之下，非電解質中的氧化劑和金屬表面的原子發生作用，就會導致化學腐蝕。而物理腐蝕則是簡單的金屬結構物理溶解導致的結構問題。

1.2 大氣腐蝕

大氣腐蝕中對金屬結構材料影響程度比較明顯的因素是溫度和濕度，盡管溫度本身不會影響到金屬結構的表面性能導致腐蝕，但金屬材料對于水分吸收能力的改變就會直接關系到水分積累，此時如果有腐蝕性元素在金屬表面沉積，必然會讓表面水分聚集。例如在某些濕度較大的環境中，很多具有腐蝕作用的物質會聚集在金屬表面引起腐蝕現象。從某種程度上來看，空氣當中的濕度在很大程度上與金屬材料表面水膜的形成速度相關，如果空氣中的水分含量在短時間內大量增加，那么，金屬對于腐蝕性產物的抵抗力明顯降低。

風力與金屬結構材料的腐蝕程度也存在著重要聯系。風力在很大程度上會影響到金屬表面水膜的形成和腐蝕物質的產生，而且，風帶來的沙塵、污染物等與水膜產生作用后會給金屬結構表面帶來損傷，包括金屬材料自身對于污染物的吸附作用等。

某些金屬材料表面亦會受到紫外線的影響而降低耐腐蝕性能。

1.3 電化學腐蝕

電化學腐蝕指的是電解質溶液引起的腐蝕。每一部分的金屬表面存在著不同的電位，在腐蝕電池當中溶液金屬離子的溶解過程會釋放電子電流消耗陰極結構，某些石墨、液壓金屬部件的腐蝕電位相對較高，金屬和雜質的成分密切接觸之后腐蝕就會變得更加嚴重，外部環境會極大的影響到電化學腐蝕的程度。因此，金屬結構工作自然環境中的水質對其腐蝕的程度有重要影響。

2.金屬結構的防腐技術分析

2.1 涂料保護

金屬結構的防腐處理以預防為主，目的在于消除讓金屬結構形成原電池的因素，此時就需要根據金屬材料本身的特征和腐蝕特性來選擇防腐技術。目前比較成熟的防腐技術以涂料保護為主，因為金屬結構在產生原電池腐蝕時要具備完整的電路，而涂料保護的作用就是讓金屬表面具有一層絕緣性質的涂料（如環氧類材料或樹脂類材料等），這樣金屬結構表面和水及其它引起腐蝕的介質可以進行隔離，從而起到預防腐蝕的目的。現行的涂料保護方案會使用的防腐漆包括防銹底漆、中間漆、面漆等涂料漆，其中防銹底漆類型又包括了磷化底漆、富鋅底漆;中間漆包括環氧云鐵漆;面漆類型包括氯化橡膠面漆等，一些高檔的面漆還會選擇帶有修復特性的智能防腐蝕涂料等。

底漆可以保障涂層和金屬基底的附著力，然后給后續的中間漆、面漆噴涂提供良好的粗糙度基礎。防銹底漆類型眾多，傳統的含鉛底漆因為會產生較大程度的污染因此逐漸地被淘汰，另一些含有防銹顏料的底漆作用有限，因此使用頻率也明顯較低。當前水利水電工程當中常見的底漆類型包括磷化底漆、車間底漆等，這些底漆的基礎物料當中會加入一些特殊的顏料、溶劑與添加劑，吸收來自空氣當中的水分在進行水解縮聚，和金屬結構當中的活性單質產生反應生成復合鹽，從而附著在金屬結構的表面。此類底漆在防銹性能、力學性能、耐熱性和抗損傷性上都非常穩定，且隨著技術的不斷發展，當前很多研究人員在作業當中將某些防銹顏料與鋅粉共同使用從而提升結構質量。磷化底漆則會與金屬結構基體發生反應覆蓋在鋼鐵基體表面從而讓金屬基體表面鈍化，既能夠保障底漆和材料的結合力，同時還起到了比較穩定的抗腐蝕性能。不過某些化合物終究具有一定的致癌作用，且防銹材料有著一定的水溶性特征，磷化底漆在潮濕環境下不宜使用。

中間漆的功能在于增加漆膜厚度改善漆層質量，作為面漆和底漆之間的中間層，在技術應用合理的前提之下可以有效提升附著力。

面漆涂料類型眾多，不同材料的分子結構決定了不同的耐水性與防銹性能。例如，將一定比例的環氧樹脂和煤焦瀝青作為主要成分制造的環氧瀝青面漆，就可以同時具備環氧涂料的堅固性、耐化學性和煤焦瀝青的防銹性能，在當前的水利工程建設環節作用突出。此外氟碳涂料面漆、聚硅氧烷涂料面漆的耐化學品面漆也有著不同的應用場合。

2.2 金屬熱噴涂保護

熱噴涂技術是材料工程學的重要組成部分，其應用非常廣泛也得到了國家工業發展規劃的大力支持。其本質原理是利用熱源將噴涂材料加熱至熔融、半融化狀態，之后再利用高速氣流進行霧化，通過一定的速度來噴射至金屬基體的表面，從而獲得良好的表面性質。通常情況下以熱噴涂技術形成的涂層可以給金屬結構基體提供良好的抗高溫氧化性能、耐磨性能等，使用壽命大幅增加，而且，熱噴涂還可以同步應用其它的技術方法，在金屬結構中起到電解質封閉和電化學保護作用。現階段的金屬熱噴涂技術方案包含金屬噴涂層與涂料層，涂料密封后可以覆蓋一層面漆以確保技術應用的有效性[1]。

熱噴涂使用的材料可以和基體金屬不一致，也可以和基體金屬選擇同一種類型的材料（復合材料與有機材料均可）。通常來說大部分材料都可以被作為熱噴涂的主要材料，涵蓋范圍非常廣泛，優勢眾多具有良好的技術適應性，在材料表面強化和修復方面作用突出。

在目前的技術條件下，還可以通過冷氣體動力噴涂技術將壓縮的超音速噴射氣流噴涂在金屬結構表面形成涂層。使用廣泛的鋅鋁合金、鋁鎂合金等熱噴涂材料比其它金屬材料的性能相對穩定，同時將金屬基體和環境介質水進行隔離，避免金屬形成完整電回路而產生原電池腐蝕。其表面形成的氧化膜起到了關鍵的防護功能，形成復合防護系統[2]。金屬結構中常用的熱噴涂防腐方案為噴鋅。

2.3 電化學陰極保護

電化學陰極保護技術在當前金屬防腐技術當中效果突出，能夠讓整個金屬的電位降低至平衡電位，讓被保護的金屬成為電化學系統的陰極，此時金屬不會快速失去電子，金屬的腐蝕速度明顯下降甚至完全停止。按照金屬本身的腐蝕機理來看，水利水電工程的金屬結構由于長期接觸水，部分金屬結構還會接觸含有鹽的海水，此時材料電子分布不均勻產生數量眾多的陽極區、陰極區。在陽極區金屬表面的電子形成流出電流進入到環境區域的電解質當中，此時陽極區失去電子出現腐蝕問題，但陰極區電流經過環境介質流入之后金屬腐蝕速率減緩，當電子能夠在被保護的金屬基體之上，那么就可以緩解金屬嚴重的腐蝕過程。當前的陰極保護方法也可以從以下兩個方面進行研究。

第一是犧牲陽極的陰極保護技術，即將兩種活性差異的金屬連接后放置在相同的電解質之內，活潑的陽極區失去大量電子被腐蝕后，被保護的陰極區金屬得到大量電子，此時金屬基體表面整體處于電子過剩狀態，達到相同負電位，陰極金屬反而得到保護，我們通常選擇電化學性質活潑的鎂鋁合金材料作為陽極材料，在周圍環境電阻率較小時該技術的應用效果比較穩定[3]。

第二則是強制電流陰極保護技術，又被稱為外加保護技術，利用的是電化學當中的電解池反應將需要保護的金屬、外加電源負極連接之后成為陰極，再利用外加電源使得金屬陰極產生大量電子，輔助電機和外加電源正極連接之后產生電解池陽極，被保護的金屬基體作為陰極，此時兩種物質形成閉合回路后，電子將會朝著金屬結構的陰極而移動，金屬表面電位保持一致，腐蝕速度減緩，確保金屬不失去電子而變為離子狀態。該方法是通過外部電源來提供金屬電位讓電子聚集在金屬結構的基體表現，整體處于低電位狀態。如果金屬表面電子積累一段時間后，整個基體也會處于負電位狀態避免腐蝕進一步發展。

2.4 防腐前的表面預處理及涂裝要求

金屬結構防腐涂裝前應進行表面預處理，除涂層修補外，應采用噴射方法進行表面預處理。在進行噴（拋）射處理之前，應清除焊渣、飛濺、毛刺等附著物，并應用砂輪機對銳利的切割邊緣進行處理，然后清洗結構表面可見的油脂及其他污物。處理后其表面清潔度等級不宜低于GB8923《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》中規定的Sa2.5級，表面粗糙度Rz值應在60～100μm范圍內。

表面預處理與涂裝之間的間隔時間應盡量縮短，在潮濕或工業大氣環境條件下，應在2h內涂裝完畢;在晴天或濕度不大的條件下，最長應不超過8h[4]。

2.5工程應用實例

在小清河防洪綜合治理工程部分海洋環境建筑物工程中，金屬結構的防腐方案采用了犧牲陽極陰極保護裝置，金屬結構表面預處理后先進行噴鋅，然后刷涂防腐漆，防腐涂料采用了改性耐磨環氧漆”Jotamastic 87”底漆，改性耐磨環氧漆”Jotamastic 87”中間漆，丙烯酸聚氨酯面漆”Futura AS”;淡水環境的建筑物工程中，防腐涂料采用了環氧（水性無機）富鋅底漆，厚漿型環氧云鐵防銹漆，環氧面漆。

3.結語

水利水電工程在我國建設領域意義重大，由于所處環境特殊，金屬結構防腐方案的設計、選擇及維護管理工作是延長金屬結構使用壽命的工作重點。相關單位應該具備防腐意識并強化對于防腐技術的研究工作，從提升金屬材料耐腐蝕性能的角度出發展開系統化和完善化的工程設計。今后的工程環節可以考慮在材料種類、配方方面作出改進，全面地提升水工金屬結構的材料性能和工程質量。

參考文獻：

[1]蔣天元. 基于水利水電工程金屬結構腐蝕分析與防腐措施控制研究[J]. 黑龍江水利科技， 2020， 48（03）：151-153.

[2]劉旭輝， 陳小明， 黃海楊，等. 海洋環境中活塞桿兩種噴涂防腐技術測試報告分析和工程應用初探[J]. 水利與建筑工程學報， 2019（1）.

[3]李傳建. 水利水電工程施工中的新技術應用和環境保護研究[J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2019， 294（12）：170.

[4]鄧華.淺析水工金屬結構防腐蝕涂裝的施工管理和質量控制[J].工程技術，2016，99：87.

（桂林市水電建筑工程公司，廣西 桂林 541301）