鎂合金在金屬結(jié)構(gòu)犧牲陽極陰極保護(hù)防腐中的應(yīng)用研究

褚 奇，楊 崧

（常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000）

1 引言

常州市主城區(qū)“暢流活水”活動(dòng)堰工程是運(yùn)北主城區(qū)暢流活水系統(tǒng)工程的一部分，是營造城周水勢(shì)、增加入城水量、城內(nèi)科學(xué)配水的重要工程，是滿足常州市東北部城區(qū)先期活水需求的核心內(nèi)容。具體工程任務(wù)為：利用澡港河引江入城清水，增加入城水量，減少水量散失，提升引江入城效率；營造南北水勢(shì)，靈活調(diào)控古城區(qū)市河與關(guān)河、澡港西支與東支分流比，按需配水實(shí)現(xiàn)東北部城區(qū)自流活水；作為暢流活水系統(tǒng)工程中先期實(shí)施項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)中“重點(diǎn)區(qū)域（古城區(qū)、東北部城區(qū)）一年初步見效”的分步顯效任務(wù)。

常州市主城區(qū)“暢流活水”活動(dòng)堰工程共包含四座活動(dòng)堰，分別為盤龍?jiān)贰⒖铸垐@、洋橋以及新市橋活動(dòng)堰。該工程金屬結(jié)構(gòu)主要包括：活動(dòng)堰6 扇工作閘門及配套液壓啟閉機(jī)、活動(dòng)堰檢修閘門及上述設(shè)備相應(yīng)的埋件。活動(dòng)堰均采用底軸驅(qū)動(dòng)翻板式鋼閘門，其中盤龍?jiān)贰⒖铸垐@活動(dòng)堰為32 m 寬雙孔堰，洋橋活動(dòng)堰為16 m 寬單孔堰，共5 扇；配套QRWY-2×630 kN/300 kN液壓式啟閉機(jī)共5 臺(tái)套，預(yù)留檢修門槽。新市橋活動(dòng)堰為28 m寬單孔堰，共1 扇；配套QRWY-2×800 kN/400 kN 液壓式啟閉機(jī)共1 臺(tái)套，預(yù)留檢修門槽。為便于今后4 座活動(dòng)堰工作閘門檢修，設(shè)置一套檢修閘門共用，檢修門形式為浮箱疊梁檢修門，共8 塊，上下游各4 塊。該工程于2018 年1 月開工實(shí)施，5 月底通過水下工程驗(yàn)收。

2 活動(dòng)堰工程中犧牲陽極保護(hù)方案的選擇制定

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求

對(duì)6 扇活動(dòng)堰工作閘門常年處于水下的部位進(jìn)行犧牲陽極保護(hù)初步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求為：有效保護(hù)期大于10 年；有效保護(hù)期限內(nèi)，被保護(hù)的部位電位可達(dá)-0.85V～-1.15 V（參比電極：Cu/CuSO4）；有效保護(hù)期間內(nèi)，被保護(hù)閘門外部與淡水接觸的內(nèi)表面與閘門表面不產(chǎn)生任何銹蝕，保護(hù)度達(dá)95%以上，同時(shí)也可以消除閘門、螺栓等不銹鋼部件因淡水腐蝕造成的潛在危害。

2.2 閘門尺寸和水位條件

新市橋活動(dòng)堰閘門平面尺寸為27.8 m×4.226 m，底軸中心高程-0.44 m，門頂高程4.20 m，上游側(cè)最高水位4.20 m，下游側(cè)最低水位3.40 m。

盤龍?jiān)贰⒖铸垐@、洋橋活動(dòng)堰閘門平面尺寸為15.8 m×4.186 m，底軸中心高程-0.30 m，門頂高程4.20 m，上游側(cè)最高水位4.20 m，下游側(cè)最低水位3.40 m。

2.3 犧牲陽極材料選擇

犧牲陽極材料的選擇以及陽極用量與鋼閘門所處水域水體的化學(xué)成分和電阻率以及鋼閘門表面涂層狀況等多種因素有關(guān)。通過計(jì)算閘門保護(hù)面積，根據(jù)實(shí)測(cè)上下游水質(zhì)電導(dǎo)率及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成功工程經(jīng)驗(yàn)，確定鋼閘門陰極保護(hù)電流密度；選擇犧牲陽極；計(jì)算犧牲陽極輸出電流，確定陽極用量；并根據(jù)陽極總質(zhì)量復(fù)核陽極使用壽命。

閘門犧牲陽極材料采用鎂合金犧牲陽極，鎂陽極成分符合《鎂合金犧牲陽極》（GB/T 17731-2009）。

1）保護(hù)面積（表1）

表1 活動(dòng)堰閘門數(shù)量及面積

2）保護(hù)電流密度的選取

參照《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備防腐蝕技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5358-2006）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，閘門與介質(zhì)接觸的所有表現(xiàn)均涂有防護(hù)油漆，結(jié)合項(xiàng)目水質(zhì)條件數(shù)據(jù)，故本方案保護(hù)電流密度選定為：Ii=15 mA/m2。

3）保護(hù)電流的計(jì)算

按照上述計(jì)算成本出的總面積和選定保護(hù)電流密度，計(jì)算總保護(hù)電流。

新市橋活動(dòng)堰：I=Si×Ii=286×15=4290 mA

盤龍?jiān)贰⒖铸垐@、洋橋活動(dòng)堰：I=Si×Ii=165×15=2475 mA

4）犧牲陽極材料的選擇

現(xiàn)階段市場上主要采用的犧牲陽極材料為Al-Zn-In-Cd、Al-Zn-In-Si、Al-Zn-In-Mg-Ti，用電化學(xué)工作站測(cè)試電化學(xué)性能，按照陰陽面積比60∶1，陽極工作電流密度為1 mA/cm2，試驗(yàn)時(shí)間為240 h，試驗(yàn)介質(zhì)為海水進(jìn)行試驗(yàn)。通過光譜分析法分析化學(xué)成分（見表2），用合金的主要成分計(jì)算三種犧牲陽極的理論容量，用1 mA/cm2的電流密度對(duì)三種犧牲陽極進(jìn)行恒定電流放電，通過放電后的重量變化（見表3），計(jì)算出電流效率；通過電位測(cè)試，分析三種犧牲陽極的開路電位和工作電位隨時(shí)間的變化（見圖1、圖2）。試驗(yàn)最終得出在三種犧牲陽極中，Al-Zn-In-Mg-Ti 犧牲陽極的電流效率最高，具有最負(fù)的的工作電位和開路電位，而且表面溶解均勻（見圖3），腐蝕產(chǎn)物松軟易脫落，陽極自身腐蝕小，材料來源充足，可為以后更新提供方便。

表2 3 種犧牲陽極的化學(xué)成分 單位：%

表3 犧牲陽極恒電流放電前后的重量變化

圖1 犧牲陽極開路電位隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖2 犧牲陽極工作電位隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖3 犧牲陽極材料表面的腐蝕形貌圖片

5）犧牲陽極規(guī)格尺寸的選擇

考慮到有效保護(hù)期限和每支陽極發(fā)生電流值，以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征。選用犧牲陽極規(guī)格尺寸為：500 mm×（115+135）mm×130 mm。

6）每支陽極發(fā)生電流值計(jì)算

7）犧牲陽極需要的塊數(shù)

參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：Ni=Ii×Si/If，并對(duì)稱均衡布置，陽極塊數(shù)量選用數(shù)量見表4。

表4 陽極塊數(shù)量表

8）犧牲陽極布置、安裝方式

鎂合金采用對(duì)稱均勻布置。鎂合金緊貼被保護(hù)的閘門以焊接的方式安裝。使鎂合金與閘門的接觸電阻穩(wěn)定，使閘門的水利特性不被破壞，焊接位置近水水封壓板等易銹蝕部件,采用電弧焊接，焊接處采用原涂料修復(fù)。

3 金屬熱噴涂保護(hù)+犧牲陽極陰極保護(hù)在金屬結(jié)構(gòu)制作安裝中的應(yīng)用

本工程閘門防腐采用金屬熱噴涂保護(hù)+犧牲陽極陰極保護(hù)措施。

1）金屬熱噴涂保護(hù)先噴鋅在涂刷封閉漆，閘門主體鋼結(jié)構(gòu)采用噴砂除銹，清除金屬表面鐵銹、氧化皮、油污、焊渣、飛濺、灰塵、水分等附著物，經(jīng)處理后鋼材表面清潔度等級(jí)不低于《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB 8923-88）中規(guī)定的Sa2.5 級(jí)，表面粗糙度達(dá)到Rz40 μm～80 μm。金屬噴涂層應(yīng)無溶滴、粗粒、掉塊、裂紋及其他影響使用的缺陷，最小局部厚度不小于設(shè)計(jì)值160 μm，附著力好，膠帶粘起不剝離。在涂料封閉時(shí)，涂漆的技術(shù)要求遵照SL 105 的規(guī)定執(zhí)行，設(shè)計(jì)要求封閉漆層厚度為環(huán)氧漆30 μm，中間環(huán)氧云鐵防銹漆80 μm，外加氯化橡膠面漆90 μm。底漆、中間漆及面漆均采用高壓無氣噴涂，每層漆膜涂裝前應(yīng)對(duì)上一層涂層外觀進(jìn)行檢查。漆膜的外觀檢查：濕膜不得有曳尾、縮孔縮邊、起泡、噴絲、發(fā)白失光、浮色、流掛、滲色、咬底、皺皮桔皮等弊病；干膜不得有白化、針孔、細(xì)裂龜裂、回粘、片落剝落脫皮等弊病。漆膜拜最小厚度值不低于設(shè)計(jì)厚度的85%。

2）犧牲陽極陰極保護(hù)。現(xiàn)場在閘門上清除需要焊接鎂合金防腐塊的防腐涂層，焊接鎂合金塊，逐一檢查是否焊接牢固，導(dǎo)電接觸是否良好，確保陽極鐵腳焊接處焊縫飽滿，無虛焊、漏焊現(xiàn)象，焊縫處用鋼絲刷除去焊接浮渣，對(duì)油漆破損處再用氯化橡膠漆涂刷兩遍。

整個(gè)閘門的防腐工藝質(zhì)量滿足《水利金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》（SL 105-2007)規(guī)范要求，洋橋活動(dòng)堰現(xiàn)場照片見圖4。

圖4 洋橋活動(dòng)堰現(xiàn)場照片

4 結(jié)論

隨著城市防洪大包圍和引清活水的調(diào)度需要，常州市水利工程數(shù)量較多，鋼閘門基本已經(jīng)全面替代了傳統(tǒng)的老式混凝土閘門或者鑄鐵閘門。雖然鋼閘門具有結(jié)構(gòu)靈活、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，但是在部分水體污染、水質(zhì)惡化較重的環(huán)境中，鋼閘門存在易受腐蝕的情況，特別是閘門制作安裝時(shí)的焊接處理、防腐涂料的吸水、透氣性，均是產(chǎn)生腐蝕的隱患，陰極保護(hù)技術(shù)正在逐步推廣。鎂合金犧牲陽極陰極保護(hù)雖然相對(duì)傳統(tǒng)防腐技術(shù)一次性投資較大，但是設(shè)計(jì)壽命長，對(duì)于長期處于水下工作，維修養(yǎng)護(hù)條件困難來說，從長期防腐的綜合費(fèi)用來看還是經(jīng)濟(jì)高效的。希望此次在主城區(qū)“暢流活水”活動(dòng)堰工程中運(yùn)用該技術(shù)，能夠?yàn)橐院蟾黝愃こ探饘俳Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)運(yùn)用、老閘改造的技術(shù)創(chuàng)新提供參考。