探尋京杭運河（常州段）鋼閘門電化學腐蝕影響因素最不利組合狀態

王 帆 莊 楊 蔣 益 周小虎

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092 2.常州市城市防洪工程管理處常州 213000 3.常州明水水利安裝有限公司 常州 213000）

1 引言

鋼閘門因運行需要不斷交替干濕狀態，自然水體因含有各種化學成分表現出離子電解質的特質，鋼閘門處于關閉狀態時，不斷受到水流沖刷，微生物又在表層吸附、繁殖，一旦涂料層存在破損，電化學腐蝕極易發生；當鋼閘門處于開啟狀態，又極易受霧、霜、露等形式的水分子影響，表面易形成水膜，酸性水膜會導致析氫腐蝕，當水膜酸性較弱時則發生吸氧腐蝕，生成Fe2O3。這些外界因素都以不同的強度和方式對鋼鐵產生腐蝕效應，進而影響鋼閘門的承載力和穩定性。

由于咸水環境更易縮短鋼材使用壽命，國內外專家學者多致力于研究海水環境下的鋼閘門腐蝕速率、使用壽命以及腐蝕程度檢測與修復等。淡水環境中的鋼閘門腐蝕研究多集中于特定鋼閘門的電化學腐蝕檢測、概括性的腐蝕機理分析或是防腐新技術的應用。

京杭運河沿線水工建筑物現有閘門均為鋼閘門，運管單位投入大量人力、物力進行補漆、加涂防腐層等防腐措施，但腐蝕情況仍會發生。如果一線工作人員能精準地把控鋼閘門易腐蝕時間段，有針對性地加強防護，就可以杜絕腐蝕形成。因此，開展鋼閘門電化學腐蝕的影響因子最不利組合狀態研究，可以為鋼閘門防腐保養提供理論支撐。

2 電化學腐蝕速率影響因子

鋼閘門電化學腐蝕機理涉及眾多影響因素，鑒于自然狀態下，常州地區不存在季節性水流攜沙率的大幅度變化，微生物的腐蝕機理又較為復雜且難以量化，本文不將其納入分析范圍。

鋼鐵與水體構成微電池后，鋼鐵失去電子的速度與水環境中離子種類和濃度密切相關，陰離子對電化學反應的作用遠超陽離子，其中Cl-又是引發鋼閘門孔蝕的主要原因。現有研究資料，常用鋼表面氧的擴散速率估算鋼鐵發生電化學腐蝕的速率，并認定當水體pH 值處于9～11 范圍內，鋼鐵所受的腐蝕影響最小。與此同時，流速對鋼鐵腐蝕也存在不可忽視的影響，根據趙國仙[1]的研究成果，流速提升會促進電荷傳遞，加速腐蝕，試驗結果顯示，動水會加速鋼試件的失重概率，當流速為4m/s 時，失重率值最大；不足4m/s 時，失重率與流速正相關；超過4m/s 后，失重率與流速增長負相關。

綜上，Cl-濃度、含氧量、pH 值以及水體流速直接影響鋼結構的電化學腐蝕速度和強度，本文針對這4 種影響因子設計試驗，分析環境因素對鋼閘門防腐工作的最不利組合狀態。

3 試驗開展情況

試驗主要關注河道水流的Cl-含量、pH 值、含氧量以及流速4 方面的月度變化情況，以此推算京杭運河常州段鋼閘門最易腐蝕時間段。

圖1 河段月平均Cl-濃度圖

3.1 點位設置

本次試驗共設有5 個基準監測點位，將總長約25km 的測段進行定點劃分，另外設20 個一般檢測點，從基準點位1 上游3km 到基準點位5 下游1km范圍內沿線均勻分布，平均每1km 設置一個測點，并根據周邊工業源分布情況進行微調。

3.2 試驗設備與采樣

為保證檢測結果的隨機性，2019年1—12月，每月分2 個檢測周期，采用Banter 氯離子測定儀和便攜式溶解氧檢測儀LH-D9 測定水流的Cl-含量、pH 值和含氧量。

圖2 雙數月各測點水體含氧量圖

表1 各測點年平均pH 值表

表2 2019年水位差統計表

（1）水體中Cl-濃度既受河道過水流量的影響，又受上游來水以及沿線各類污水排放等方面的作用。檢測數據顯示，同一次檢測過程中，各測點測得的Cl-濃度值也存在一定的波動，為了弱化沿途排放、匯流等不可控外在因素的干擾，將各測點每月的檢測結果匯總后取平均值，繪制測段月平均氯度值變化圖，以此定位一年中Cl-濃度較高的月份。

由圖1 可知，水體Cl-含量在枯水期高于汛期，在2月份左右達到全年最高值。

（2）現有研究資料顯示，水體的溶氧量與水深呈反比，自然水體的含氧量會隨水深的加深急劇下降。鑒于本次試驗目的是探尋各類影響因素的最不利組合狀態，主要采集近水面處含氧量較高的水樣進行含氧量檢測。根據溶解氧檢測儀LH-D9 的檢測結果，圖2 取2019年雙數月各測點的水體含氧量，繪制水體含氧量變化圖，圖3 為河段月平均含氧量變化圖。

圖3 顯示，隨著測點地理位置的變化，水體含氧量有一定程度的波動，除去測量誤差的影響，相鄰流段水體的含氧量差別并不大，且各月含氧量變化總體走勢一致，呈現出上游略高于下游、冬季高夏季低的走勢。

對比圖2 和圖3，水體的含氧量隨時間產生的波動比同一個月內各測點的波動幅度大，這是因為天然水體含氧量變化受溫度、日照和水中生物等多方面因素的影響，季節變化對溫度、日照時長的影響直接改變水體的溶氧能力，也作用于水生態系統造成水體含氧量的變化。因此，冬季含氧量高于夏季，8月含氧量最低。

（3）檢測河段的pH 值變化區間為7.0～8.1，各測點全年pH 值測量值的標準差分布在0.1 附近，本文將各測點的年平均pH 值近似看作該點所代表的流段的pH。

對各測點年均pH 值做離散程度分析，所得標準差為0.25，數據聚集度較高，檢測河段的全年pH值變化幅度較小。由此可見，河道pH 值長期處于[7.2～8]的弱堿性狀態，現有研究成果顯示，當金屬處于這個pH 值范圍的溶液中，最需要防范發生坑蝕。

（4）以測段沿線的采用下臥式鋼閘門的大運河東樞紐為例測算水流流速，閘室分2 孔，單孔凈寬16m。

根據設計資料，大運河東樞紐的控制最大流量為160m3/s，控制最大水位差0.035m，剔除汛期閘門關閉后造成的內外河水位差數據后，根據閘門開啟狀態的月最大水位差，用傳統水力學公式分析流速，公式如下：

結果顯示，過閘水流流速一般小于1.3m/s，并且不同月份間差異很小，河道流速常年處于較為穩定的狀態，因此該流段由流速差異造成的腐蝕失重率的影響幾乎可以忽略。

4 影響因素的最不利組合狀態

試驗結果顯示：（1）測段水體流速、pH 值的年際變化較小，對電化學腐蝕的影響較為平順。但pH值處于極易導致電化學腐蝕的范圍內，因此要尤為重視這個pH 值范圍內極易發生的坑蝕現象。（2）水體含氧量和氯度值受季節和水流量枯贏影響明顯，總體顯示出：水體冬季（枯水期）的含氧量、氯離子含量明顯高于夏季（汛期）。將圖1 和圖3 疊加后可以發現，1—3月加速電化學腐蝕的不利因素高峰基本重合，由此可見冬季是電化學腐蝕高發期，2月尤其需要加強管理巡視，做好防腐工作。

5 結論與建議

鋼鐵的電化學腐蝕反應速率遠高于化學腐蝕。相較于防腐工程措施，加強管理人員保護意識和認知能力同樣重要。綜合本文結論應從以下幾個方面提升鋼閘門防腐的管理水平：（1）避免頻繁進行不必要的閘門啟閉操作，保證閘門工作環境的合理穩定性。（2）定期進行鋼閘門的沖洗，清除閘門表面附著物，以及電解質殘留。（3）加強巡視人員培訓，提升對常見坑蝕、孔蝕的辨析能力。（4）做好日常檢查和防護保養工作，在冬季尤其要加強巡視，做到鋼閘門腐蝕的早發現、早治理■