海水工況下水利閘門防腐技術研究

武魏成

（中交河海工程有限公司，江蘇 南京 430012）

我國水利工程設施大多數位于內河，海洋工況下的水利工程較少。在海洋高腐蝕環境下金屬結構防腐要求更苛刻，單一的防腐技術無法解決這個問題，需要相應的防腐配套技術支持，目前金屬結構防腐蝕技術措施包括金屬熱噴涂、油漆涂層防護、犧牲陽極保護等方式。

影響鋼結構腐蝕的因素包括自然因素、防腐材料因素及施工因素。自然因素包括溫度、海水水質及海洋生物等；防腐材料因素包括附著力、耐濕熱性、耐酸堿性、耐鹽霧性等；施工因素主要是施工質量差、未遵守防腐施工工藝、人為破壞防腐層等。由于海洋環境較差，在各因素綜合作用下，鋼結構腐蝕破壞類型主要以局部腐蝕至全面腐蝕的情形存在[1]。

1 工程概況

中新天津生態城北堤水閘及船閘建設工程水閘工程位于天津市濱海新區臨海新城北圍堤東側，結構形式為換水閘，共計8孔，單孔凈寬10 m。水閘設計流量550 m3/s，閘室長度97.2 m，寬度20.5 m，主體采用鋼筋混凝土胸墻式結構。

本工程閘門為平面定輪直升式鋼閘門，共計8扇，寬度9.94 m，高度5.4 m，單扇閘門30 t，底檻高程-2.0 m，胸墻底高程3.0 m，啟閉機工作橋頂高程14.2 m，其上安裝啟閉機基礎及現地控制設備。閘門采用四主橫梁結構，門葉主材均為Q355B，主梁采用變截面魚腹形，跨中高1 100 mm，端部梁高900 mm，配有850 mm懸臂式主滾輪。閘門主梁、主縱梁均為“H1”型焊接結構，端柱為雙腹板箱型結構。

對海水取樣3 組，進行室內水質簡分析試驗。分析結果表明，海水屬Cl-、Ca2+、Mg2+型弱堿性水，pH值在8.23左右。水中各離子含量，詳見表1。

表1 地下水樣主要離子含量

經試驗分析，本場地海水對鋼結構有中等腐蝕性，腐蝕介質為Cl-、SO42-。

2 閘門腐蝕分析

本工程閘門長期處于海水水下區、水位變化區與海水浪濺區，由于重度鹽霧作用，受到嚴重化學侵蝕。閘門利用內外海潮汐差進行換水，腐蝕介質主要是SO42-和Cl-，會產生很強的電解質。這種富含電解質的溶液對于金屬具有很強的腐蝕作用，受潮汐作用閘門長期處于水下及干濕交替環境中，水中的氧氣快速運動，腐蝕更為劇烈[2]。與此同時，一些海洋中的生物例如藤壺、海蠣也會趁機附著在金屬結構上，導致金屬表面腐蝕加速。閘門腐蝕環境及腐蝕特征，詳見表2。

表2 閘門腐蝕環境及腐蝕特征

海洋環境腐蝕速度曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，海泥區及大氣區腐蝕速度最低，飛濺區是腐蝕最嚴重部位。海洋金屬結構防腐設計應針對不同區域選擇防腐方案。

圖1 海洋環境腐蝕速度示意

3 防腐工藝

由于海水對閘門鋼結構及埋件腐蝕性較高，采用單一的防腐工藝很難滿足鋼結構耐久性要求，設計采用200 μm 鋅鋁合金+60 μm 環氧富鋅防銹底漆+80 μm 環氧云鐵防銹中間漆+100 μm 船用酚醛樹脂面漆，對鋼結構進行犧牲陽極保護，并在施工過程中嚴格把控每道工序材料及施工質量。

3.1 基面處理

金屬結構在涂裝前必須進行預處理。表面預處理采用噴射或拋射、手工或動力工具、高壓射流等處理方法，處理后的鋼板表面應達到或高于Sa2.5級標準，經過處理后基材表面粗糙度應達到40～150 μm。基于《水工金屬結構防腐蝕規范》（SL105-2007），表面粗糙度取值范圍根據涂層類別確定，詳見表3。處理后的鋼結構基面應及時涂刷底層涂料，間隔時間不應超過5 h。

表3 表面粗糙度取值范圍 μm

3.2 金屬熱噴涂保護

金屬熱噴涂保護系統分為金屬噴涂層和涂料封閉層。熱噴涂是一種表面強化技術，是表面工程技術的重要組成部分。金屬噴涂層在被涂物表層形成致密、均勻的鋅層，可以耐磨、耐蝕、隔熱、抗氧化、絕緣、導電、防輻射等。噴涂后必須進行涂料封閉處理，一般采用彈性聚氨酯環氧涂料或氟碳漆，然后再涂覆中間漆和面漆。封閉后的復合涂層壽命是不封閉的1.5～2.3倍，金屬熱噴涂保護系統可有效使金屬結構“延年益壽”，有效防腐年限達到20～30 a，最長的國外已有60～70 a之久。

熱噴涂表面所用金屬材料主要有鋅、鋁、鋅鋁合金或者不銹鋼等。利用陰極保護原理，在鋼鐵表面熱噴涂金屬鋅、鋁、鋅鋁合金或者不銹鋼等外加封孔劑，就可以形成長效防腐的復合涂層。

鋼結構基底預處理驗收合格后進行金屬熱噴涂作業，金屬熱噴涂必須選擇干噴砂進行表面處理，磨料粒徑最好選擇0.5～2 mm 冷激鋼砂。在晴朗天氣或者恒溫恒濕條件下，基體表面沒有浮銹狀態下可適當延長，否則需重新噴砂。熱噴涂材料金屬鋅、鋁、鋅鋁合金絲直徑1.6～3 ㎜。

封閉涂料應經過試驗合格，與金屬噴涂層相容并有一定的結合力。鋅涂層有效防護期完全依賴于涂層厚度，而鋁涂層則依靠表面致密的氧化膜，化學性能特別穩定。封閉涂料為惰性基體，如選擇不當，則可能引起皂化反應，造成涂料脫落，形成氣泡等缺陷。金屬熱噴涂保護系統金屬涂層厚度，詳見表4。

表4 金屬涂層厚度

在噴涂作業過程中，噴槍距離工件10～20 cm，噴射角度為0～15°，移動速度為12～18 cm/s。更換噴涂面時，應有1/3 寬度的重疊噴涂帶，噴壓不低于0.4 MPa。電弧噴涂適合大面積作業。

4 犧牲陽極保護系統設計

本工程犧牲陽極保護系統設計使用壽命不小于10 a，具有較好可更換性、可維護性。設計前，需掌握海水流速及潮位、介質pH 值、化學成分、電阻率等；金屬結構的電連續性及水中其他金屬結構電絕緣情況；金屬結構狀況、表面涂層種類和壽命；金屬結構設計及施工資料。

4.1 單只陽極輸出電流計算

其計算公式為：

式中：Ia為單只犧牲陽極輸出電流（A）；ΔV為犧牲陽極驅動電壓（V），鋅合金犧牲陽極取0.2～0.25 V，鋁合金犧牲陽極取0.25～0.3 V；R為回路總電阻（Ω），一般情況下其值近似等于犧牲陽極接水電阻Ra。

犧牲陽極采用旁離式安裝方法，接水電阻計算公式為：

式中：ρ為海水電阻率（Ω·cm），按35 Ω·cm 計；L為陽極長度（cm），取30 cm；r為陽極當量半徑（cm），r=C/2π=7 cm；C為陽極截面周長（cm），取44 cm。

經計算，得Ra=0.20 Ω。

本項目選用鋁合金陽極，驅動電壓取0.25 V，則單只犧牲陽極輸出電流為Ia=0.25/0.20=1.25（A）。

4.2 陽極塊用量計算

4.2.1 保護電流密度

根據被保護金屬閘門的表面狀況、環境條件等，分別選取保護電流密度。本方案金屬閘門按全處水下進行設計計算。

根據《水運工程結構耐久性設計標準》（JTS153-2015），鋼結構的保護電流密度選取詳見表5，必要時通過現場試驗確定。

表5 裸鋼陰極保護電流密度 mA/m2

具有防腐涂層的鋼結構保護電流密度在表5 選值的基礎上乘以涂層破損率確定，涂層初始破損率可取1%～2%，每年破損率增加值根據涂料品種和設計使用年限可取1%～3%，或根據涂層設計保護年限按表6取值。涂層破損率，詳見表6。

表6 涂層破損率

綜上，本工程工作閘門保護電流密度詳見表7。

表7 工作閘門保護電流密度 mA/m2

4.2.2 保護電流

根據《水運工程結構耐久性設計標準》（JTS153-2015）6.6.5 條規定，本工程工作閘門總保護電流應按下式計算：

式中：I為總保護電流（A）；In為被保護鋼結構各分部位的保護電流（A）；If為其他附加保護電流（A）；in為被保護鋼結構各分部位的保護電流密度（mA/m2）；Sn為被保護鋼結構各分部位的保護面積（m2）。

工作閘門保護電流計算結果，詳見表8。

表8 工作閘門保護電流

4.2.3 陽極塊數量

單個工作閘門所需要的陽極塊數量按下式計算：

式中：N為單個工作閘門所需陽極塊數量（塊）；I末為單個工作閘門陰極保護所需末期保護電流（A）；Ia為單塊陽極發生電流（A）。

工作閘門陽極塊數量計算結果，詳見表9。

表9 工作閘門陽極塊用量

4.3 犧牲陽極塊使用壽命校核

犧牲陽極塊使用年限計算公式為：

式中：t為犧牲陽極塊使用年限（a）；Wi為單個犧牲陽極塊凈重（kg）；u為犧牲陽極塊的利用系數，長條狀陽極取0.85～0.90，手鐲式陽極取0.75～0.80，其他形狀陽極取0.75～0.85；E為犧牲陽極塊消耗率[kg/（A·a）]；Im為維持保護電流（A），其值為（0.50～0.55）I，I為總保護電流（A）。

工作閘門陽極塊使用壽命計算結果，詳見表10。

4.4 保護點位測量

犧牲陽極保護系統運行10 d 后，測量工作閘門保護電位，95%測點的保護電位應滿足以下要求：保護電位相對于飽和硫酸銅參比電極為-850 mV；閘門不銹鋼構件周圍保護電位比自然電位偏負200 mV。測量結果，詳見表11。

表11 電位測量結果

5 結語

在海洋工況環境下，水利鋼閘門的防腐工程必須在經過現場詳細勘察分析水質及水流等自然環境的基礎上，依據國家規范標準進行設計[3]。在保證質量前提下，積極采用防腐新技術及新工藝，降低施工成本。當單一防腐體系無法滿足需要時，盡可能選擇多種防腐體系。犧牲陽極保護系統是目前比較流行的防腐技術，具有施工方便、防腐效果好等優點，但施工時注意塊體布置及數量需要按照審核后布置方案及計算書進行施工，以發揮最佳的防腐蝕效果[4]。