海水工况下水利闸门防腐技术研究

武魏成

（中交河海工程有限公司，江苏 南京 430012）

我国水利工程设施大多数位于内河，海洋工况下的水利工程较少。在海洋高腐蚀环境下金属结构防腐要求更苛刻，单一的防腐技术无法解决这个问题，需要相应的防腐配套技术支持，目前金属结构防腐蚀技术措施包括金属热喷涂、油漆涂层防护、牺牲阳极保护等方式。

影响钢结构腐蚀的因素包括自然因素、防腐材料因素及施工因素。自然因素包括温度、海水水质及海洋生物等；防腐材料因素包括附着力、耐湿热性、耐酸碱性、耐盐雾性等；施工因素主要是施工质量差、未遵守防腐施工工艺、人为破坏防腐层等。由于海洋环境较差，在各因素综合作用下，钢结构腐蚀破坏类型主要以局部腐蚀至全面腐蚀的情形存在[1]。

1 工程概况

中新天津生态城北堤水闸及船闸建设工程水闸工程位于天津市滨海新区临海新城北围堤东侧，结构形式为换水闸，共计8孔，单孔净宽10 m。水闸设计流量550 m3/s，闸室长度97.2 m，宽度20.5 m，主体采用钢筋混凝土胸墙式结构。

本工程闸门为平面定轮直升式钢闸门，共计8扇，宽度9.94 m，高度5.4 m，单扇闸门30 t，底槛高程-2.0 m，胸墙底高程3.0 m，启闭机工作桥顶高程14.2 m，其上安装启闭机基础及现地控制设备。闸门采用四主横梁结构，门叶主材均为Q355B，主梁采用变截面鱼腹形，跨中高1 100 mm，端部梁高900 mm，配有850 mm悬臂式主滚轮。闸门主梁、主纵梁均为“H1”型焊接结构，端柱为双腹板箱型结构。

对海水取样3 组，进行室内水质简分析试验。分析结果表明，海水属Cl-、Ca2+、Mg2+型弱碱性水，pH值在8.23左右。水中各离子含量，详见表1。

表1 地下水样主要离子含量

经试验分析，本场地海水对钢结构有中等腐蚀性，腐蚀介质为Cl-、SO42-。

2 闸门腐蚀分析

本工程闸门长期处于海水水下区、水位变化区与海水浪溅区，由于重度盐雾作用，受到严重化学侵蚀。闸门利用内外海潮汐差进行换水，腐蚀介质主要是SO42-和Cl-，会产生很强的电解质。这种富含电解质的溶液对于金属具有很强的腐蚀作用，受潮汐作用闸门长期处于水下及干湿交替环境中，水中的氧气快速运动，腐蚀更为剧烈[2]。与此同时，一些海洋中的生物例如藤壶、海蛎也会趁机附着在金属结构上，导致金属表面腐蚀加速。闸门腐蚀环境及腐蚀特征，详见表2。

表2 闸门腐蚀环境及腐蚀特征

海洋环境腐蚀速度曲线，如图1所示。从图1可以看出，海泥区及大气区腐蚀速度最低，飞溅区是腐蚀最严重部位。海洋金属结构防腐设计应针对不同区域选择防腐方案。

图1 海洋环境腐蚀速度示意

3 防腐工艺

由于海水对闸门钢结构及埋件腐蚀性较高，采用单一的防腐工艺很难满足钢结构耐久性要求，设计采用200 μm 锌铝合金+60 μm 环氧富锌防锈底漆+80 μm 环氧云铁防锈中间漆+100 μm 船用酚醛树脂面漆，对钢结构进行牺牲阳极保护，并在施工过程中严格把控每道工序材料及施工质量。

3.1 基面处理

金属结构在涂装前必须进行预处理。表面预处理采用喷射或抛射、手工或动力工具、高压射流等处理方法，处理后的钢板表面应达到或高于Sa2.5级标准，经过处理后基材表面粗糙度应达到40～150 μm。基于《水工金属结构防腐蚀规范》（SL105-2007），表面粗糙度取值范围根据涂层类别确定，详见表3。处理后的钢结构基面应及时涂刷底层涂料，间隔时间不应超过5 h。

表3 表面粗糙度取值范围 μm

3.2 金属热喷涂保护

金属热喷涂保护系统分为金属喷涂层和涂料封闭层。热喷涂是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分。金属喷涂层在被涂物表层形成致密、均匀的锌层，可以耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等。喷涂后必须进行涂料封闭处理，一般采用弹性聚氨酯环氧涂料或氟碳漆，然后再涂覆中间漆和面漆。封闭后的复合涂层寿命是不封闭的1.5～2.3倍，金属热喷涂保护系统可有效使金属结构“延年益寿”，有效防腐年限达到20～30 a，最长的国外已有60～70 a之久。

热喷涂表面所用金属材料主要有锌、铝、锌铝合金或者不锈钢等。利用阴极保护原理，在钢铁表面热喷涂金属锌、铝、锌铝合金或者不锈钢等外加封孔剂，就可以形成长效防腐的复合涂层。

钢结构基底预处理验收合格后进行金属热喷涂作业，金属热喷涂必须选择干喷砂进行表面处理，磨料粒径最好选择0.5～2 mm 冷激钢砂。在晴朗天气或者恒温恒湿条件下，基体表面没有浮锈状态下可适当延长，否则需重新喷砂。热喷涂材料金属锌、铝、锌铝合金丝直径1.6～3 ㎜。

封闭涂料应经过试验合格，与金属喷涂层相容并有一定的结合力。锌涂层有效防护期完全依赖于涂层厚度，而铝涂层则依靠表面致密的氧化膜，化学性能特别稳定。封闭涂料为惰性基体，如选择不当，则可能引起皂化反应，造成涂料脱落，形成气泡等缺陷。金属热喷涂保护系统金属涂层厚度，详见表4。

表4 金属涂层厚度

在喷涂作业过程中，喷枪距离工件10～20 cm，喷射角度为0～15°，移动速度为12～18 cm/s。更换喷涂面时，应有1/3 宽度的重叠喷涂带，喷压不低于0.4 MPa。电弧喷涂适合大面积作业。

4 牺牲阳极保护系统设计

本工程牺牲阳极保护系统设计使用寿命不小于10 a，具有较好可更换性、可维护性。设计前，需掌握海水流速及潮位、介质pH 值、化学成分、电阻率等；金属结构的电连续性及水中其他金属结构电绝缘情况；金属结构状况、表面涂层种类和寿命；金属结构设计及施工资料。

4.1 单只阳极输出电流计算

其计算公式为：

式中：Ia为单只牺牲阳极输出电流（A）；ΔV为牺牲阳极驱动电压（V），锌合金牺牲阳极取0.2～0.25 V，铝合金牺牲阳极取0.25～0.3 V；R为回路总电阻（Ω），一般情况下其值近似等于牺牲阳极接水电阻Ra。

牺牲阳极采用旁离式安装方法，接水电阻计算公式为：

式中：ρ为海水电阻率（Ω·cm），按35 Ω·cm 计；L为阳极长度（cm），取30 cm；r为阳极当量半径（cm），r=C/2π=7 cm；C为阳极截面周长（cm），取44 cm。

经计算，得Ra=0.20 Ω。

本项目选用铝合金阳极，驱动电压取0.25 V，则单只牺牲阳极输出电流为Ia=0.25/0.20=1.25（A）。

4.2 阳极块用量计算

4.2.1 保护电流密度

根据被保护金属闸门的表面状况、环境条件等，分别选取保护电流密度。本方案金属闸门按全处水下进行设计计算。

根据《水运工程结构耐久性设计标准》（JTS153-2015），钢结构的保护电流密度选取详见表5，必要时通过现场试验确定。

表5 裸钢阴极保护电流密度 mA/m2

具有防腐涂层的钢结构保护电流密度在表5 选值的基础上乘以涂层破损率确定，涂层初始破损率可取1%～2%，每年破损率增加值根据涂料品种和设计使用年限可取1%～3%，或根据涂层设计保护年限按表6取值。涂层破损率，详见表6。

表6 涂层破损率

综上，本工程工作闸门保护电流密度详见表7。

表7 工作闸门保护电流密度 mA/m2

4.2.2 保护电流

根据《水运工程结构耐久性设计标准》（JTS153-2015）6.6.5 条规定，本工程工作闸门总保护电流应按下式计算：

式中：I为总保护电流（A）；In为被保护钢结构各分部位的保护电流（A）；If为其他附加保护电流（A）；in为被保护钢结构各分部位的保护电流密度（mA/m2）；Sn为被保护钢结构各分部位的保护面积（m2）。

工作闸门保护电流计算结果，详见表8。

表8 工作闸门保护电流

4.2.3 阳极块数量

单个工作闸门所需要的阳极块数量按下式计算：

式中：N为单个工作闸门所需阳极块数量（块）；I末为单个工作闸门阴极保护所需末期保护电流（A）；Ia为单块阳极发生电流（A）。

工作闸门阳极块数量计算结果，详见表9。

表9 工作闸门阳极块用量

4.3 牺牲阳极块使用寿命校核

牺牲阳极块使用年限计算公式为：

式中：t为牺牲阳极块使用年限（a）；Wi为单个牺牲阳极块净重（kg）；u为牺牲阳极块的利用系数，长条状阳极取0.85～0.90，手镯式阳极取0.75～0.80，其他形状阳极取0.75～0.85；E为牺牲阳极块消耗率[kg/（A·a）]；Im为维持保护电流（A），其值为（0.50～0.55）I，I为总保护电流（A）。

工作闸门阳极块使用寿命计算结果，详见表10。

4.4 保护点位测量

牺牲阳极保护系统运行10 d 后，测量工作闸门保护电位，95%测点的保护电位应满足以下要求：保护电位相对于饱和硫酸铜参比电极为-850 mV；闸门不锈钢构件周围保护电位比自然电位偏负200 mV。测量结果，详见表11。

表11 电位测量结果

5 结语

在海洋工况环境下，水利钢闸门的防腐工程必须在经过现场详细勘察分析水质及水流等自然环境的基础上，依据国家规范标准进行设计[3]。在保证质量前提下，积极采用防腐新技术及新工艺，降低施工成本。当单一防腐体系无法满足需要时，尽可能选择多种防腐体系。牺牲阳极保护系统是目前比较流行的防腐技术，具有施工方便、防腐效果好等优点，但施工时注意块体布置及数量需要按照审核后布置方案及计算书进行施工，以发挥最佳的防腐蚀效果[4]。