水工钢结构的腐蚀防护方法研究

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摘要

  钢结构在水利工程中的应用广泛,比如水工建筑物中大量采用的钢闸门、阀门、拦污栅、船闸闸门、升船机和钢引桥等。由于空气和水中含有各种化学介质,如果钢结构表面未采取防腐措施,则会发生锈蚀,特别是水工建筑物中的钢结构常处于水下或干湿交替的环境中,更易发生化学变化,腐蚀更加严重。

  腐蚀不仅会削弱钢结构截面的承载能力,还会产生局部锈坑,形成应力集中,进而降低正体结构的承载能力,引发结构脆断。

  因此,开展水工钢结构的腐蚀防护研究非常重要,从而确保水工钢结构的完整性,延长其使用寿命。

  1 水工钢结构腐蚀的原理和影响因素

  1.1 腐蚀原理

  腐蚀是指物质与外部介质发生化学作用而产生的破坏现象。腐蚀的形式主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程;电化学腐蚀是指不纯的金属与电解质溶液接触时发生的原电池反应,比较活泼的金属会因失去电子而被氧化。水工钢结构的腐蚀多属于电化学腐蚀。

  1.2 影响因素

  1.2.1 钢结构所处环境

  比如,水工钢闸门常处于水下或半水下的干湿交替环境,易发生电化学腐蚀现象;空气中的介质会与暴露在外的钢材发生化学反应。

  1.2.2 水质影响

  水中含有一些侵蚀性的介质,特别是海水中含有较多的氯离子,其对钢材的腐蚀影响非常大。此外,水工钢结构的腐蚀具有连续性,水流的流动会加快腐蚀速度。

  1.2.3 钢结构自身的状态

  由于钢材中含有铁以外的其他元素或杂质,特别是合金钢中含有合金元素,其会引起钢材腐蚀;钢材表面的粗糙度、裂纹和机械损伤等对腐蚀的影响较大。

  2 水工钢结构防腐蚀措施分析

  2.1 防腐蚀的原理

  钢结构的防腐可从腐蚀因素入手,从而抑制腐蚀过程的发生,比如控制钢材表面质量、通过某种途径将金属与介质隔绝、寻找牺牲品和延缓腐蚀速度等。因此,钢结构防腐蚀的原理为在考虑经济成本的前提下,通过各种途径抑制腐蚀过程的某一个环节或整个过程。

  2.2 防腐蚀措施

  2.2.1 表面预处理

  金属结构在涂装前应先将钢材表面的锈蚀、油渍和污物清除干净,并做好干燥处理。喷射清理后,金属表面的清洁度等级不应低于 GB8923 中规定的 Sa2.5 级;表面粗糙度 Rz 应依据涂层类别确定,通常为 40~150 μm.

  2.2.2 涂料保护

  防腐涂料的品种很多,主要有油脂漆、环氧树脂漆、沥青漆、氯化橡胶漆和船体防锈漆等。防腐涂层一般由底漆、中间漆和面漆三部分组成。其中,底漆应具有良好的附着性、耐蚀性;面漆应具有良好的耐侯性、耐干湿交替性;中间漆应能提高底漆和面漆的黏合性。实践表明,水工钢结构防腐单采用涂料保护的效果并不理想,保护周期多为 3~5 年。

  2.2.3 金属热喷涂与涂料联合保护

  金属热喷涂保护系统包括金属喷涂层和涂料封闭层。目前,水工钢结构主要采用热喷镀锌或铝,它是一种通过专用设备将锌丝、铝丝熔融喷射到钢材表面形成的镀层。实践证明,在淡水环境中喷锌(锌铝合金)比喷铝(铝合金)具有更稳定的保护效果。对于重要零件,比如闸门轮轴等可采用镀铬,将钢材表面同周围介质隔绝。在金属喷镀后覆盖一层涂料防护的保护周期一般为 10~15 年,在氯盐侵蚀严重的沿海地区也可达 10年以上。

  2.2.4 阴极保护技术

  阴极保护技术包括外加电流和牺牲阳极两种方法,其原理是通过外加电流或牺牲阳极的溶解使被保护的金属电位降至腐蚀电位以下,从而避免腐蚀。外加电流阴极保护受运行和水位的影响较大,且维护管理复杂;牺牲阳极阴极保护在各种水环境下都可应用,施工、维护方便,应用较广。常用的牺牲阳极材料有锌基、铝基和镁基合金。该方法在海水防腐中应用广泛,比如在沿海挡潮闸钢闸门、海上采油平台水下钢管结构等中的应用。此外,牺牲阳极阴极保护应与涂料保护联合使用。

  2.2.5 添加合金元素

  在钢材中加人适量的 Cr、Ni 等合金元素可提高金属的抗腐蚀能力。实践证明,钢在大气、水等弱介质中,耐蚀性随钢材中 Cr 含量的增加而增强,当其含量达到一定比例时,钢的耐蚀性会发生突变,即从易生锈到不易生锈。而 Ni 元素可改变 Cr的组织性能,从而提高钢材的耐腐蚀性能。

  2.2.6 包覆防蚀技术

  我国从国外引进了一种新型包覆技术,即在被保护钢材表面包覆可延缓或防止钢材腐蚀的材料,其比较适用于形状规整、面积较大和易包覆的钢材。但该技术目前尚未成熟,有待进一步研究。

  2.3 选用原则和质量控制

  选择水工钢结构的防腐蚀方案应按照“等效防腐”的原则,即水工钢结构的各个部位应具有相同的保护年限,同时,应根据钢结构的使用环境、运行状况、维护管理条件和经济条件等综合选定。涂层防腐不受钢材形状和环境的制约,因而被广泛应用,应根据钢结构的材质及其所处的介质选取涂料,其与金属热喷涂或牺牲阴极保护联合应用的效果更佳。

  影响水工钢结构防腐蚀涂层寿命的主要因素是表面预处理质量,其影响程度可达 49.5%.因此,在钢材表面预处理中,应控制好钢材的表面清洁度、表面粗糙度,表面清洁度较多采用Sa2.5 级为标准。此外,为了保证防腐蚀的质量,施工单位、质检员和操作工人等均应具备相关专业知识,且应持证上岗。

  3 结束语

  腐蚀是钢结构应用中的一大缺陷,合理的防腐蚀措施是延长水工钢结构使用寿命的关键。在选择防腐蚀方案时,应根据钢结构的工作环境、材料性能和设计要求等综合比选,从而使钢结构的应用达到安全、经济和长效的目标。此外,国内仍需继续加大对金属结构长效防腐的研发力度。

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