第!"卷第##期水利电力机械
$%&’!"(%’##
!))*年##月
+,-./01(2./$,(034.5.0-/6071+./8,096(./3
!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(%:’!))*
水工金属结构防腐方案探讨
;<=>??<%@%@ABC D@A<=%EE%?<%@F&D@%G BHIED>&<=JCAD&?AE>=A>EC
周伟，侯庆宏，姚宏超
（黄河勘测规划设计有限公司机械及钢结构设计咨询中心，河南郑州
KL)))M ）
摘要：以水工钢闸门为例，就水工金属结构产生腐蚀的原因及目前常用的防腐蚀方法做了较为详细的探
讨，并作出了经济技术评价。
关键词：水工金属结构；化学腐蚀；涂料保护；金属热喷涂；阴极保护中图分类号：-$KN
文献标识码：O
文章编号：#))*P *KK*（!))*）##P ))L)P )M
收稿日期：!))*P )N P #N
作者简介：周伟（#Q"#P ），男，河南兰考人，黄河勘测规划设计有限公司机械及钢结构设计咨询中心助理工程师，主要从事水工金属结构专业的设计工作。
水工金属结构是水利工程重要的组成部分，由于其所处环境恶劣，长期受气候变化、日光照射、干湿交替、高速水流冲击或海水侵蚀等因素影响，很容易产生腐蚀，使钢闸门的承载能力显著降低，严重影响水利工程的安全，在维修防护上消耗大量的人力、物力和财力，因此，有效地控制水工金属结构的腐蚀，延长其使用寿命具有很大的现实意义。
!金属结构产生腐蚀的原因分析
金属腐蚀发生的主因是化学反应，具体来讲可
分为化学腐蚀和电化学腐蚀。!’!
化学腐蚀
化学腐蚀是根据化学的多相反应机理，金属表面的原子直接与反应物（如氧、水、酸）的分子相互作用。如钢铁与干燥的气体反应或在高温中氧化以及在酒精、汽油等非电解质溶液中发生的腐蚀都属于化学腐蚀。!’"
电化学腐蚀
电化学腐蚀机理是：在电解质溶液中，金属表面各个部分的电位不同，构成腐蚀电池，在这种电池中，电位较高的部分称为阳极，电位较低的部分称为阴极。阳极上的金属溶解成为金属离子进入溶液，放出的电子流到阴极消耗掉，整个过程伴随着电流
的产生。水工钢闸门用的钢材，其成分除铁之外，还有石墨、渗碳体（RC M 0）以及其他金属和杂质，它们大多数腐蚀电位比铁高。这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，由于铁与杂质紧密接触，遇到含有酸、碱、盐的水溶液，海水或者潮湿的大气构成的电解质溶液，就刚好符合形成原电池的M 个条件：还原性强的阳极，氧化性的负极；两极用导线连接或者直接接触构成闭合回路；两极之间填充电解液。大量的实例表明，水工钢闸门的腐蚀主要以电化学腐蚀为主。
此外，外界环境因素，如水温、F9值、水质污染、水阻率、流速、钢闸门在水中的不同位置、生物附着情况及钢闸门表面防腐涂层状况等，对钢闸门的腐蚀也产生很大影响。
"
常用的防腐蚀方法
水工钢闸门防腐应以防为主，防治结合。其关
键就是要消除形成原电池腐蚀的各种要素。目前，我国较常见的金属结构防腐蚀方法有涂料保护法、金属热喷涂保护法及电化学保护法等。"’!
涂料保护
涂料防腐法是用环氧类、树脂类或者氯化橡胶类等高性能涂料涂敷在钢件表面，使闸门表面与水
第!"卷第##期周伟，等：水工金属结构防腐方案探讨$#
或其他引起腐蚀的介质隔离，达到防腐的目的。防腐蚀涂层系统应由与基体金属附着良好的底漆和具有耐候性、耐水性的面漆组成，而中间漆宜选用能增加与底漆、面漆之间结合力且有一定耐蚀性能的涂料。另外还要求：同一涂层系统的涂料要相容；底漆硬度不能低于面漆硬度；底漆成分中要求粉料多一些，以使底层有一定的粗糙度；面漆要求平整、光滑等。
水工金属结构大多难以明确区分水上、水下部位，所以，使用涂料需要满足多方面的要求、应根据其具体使用条件，掌握其需要满足的性能，协调多种性能的要求选择适合的涂料配套方案。%&#’$()$《水工金属结构防腐蚀规范》附录*给出了各种应用条件下的涂料配套参考表。
这种方法在国内应用最为广泛，就不再举例介绍了。
!+!金属热喷涂
金属热喷涂保护系统包括金属喷涂层和涂料封闭层。金属热喷涂和涂料的复合保护系统还应在涂料封闭后，涂覆面漆。目前，我国应用广泛的金属热喷涂材料有锌、铝、锌铝合金和铝镁合金，近年来稀土铝也开始被应用（注：淡水中上述皆可选用，但是海水及工业大气条件下不宜选用喷锌方法）。该措施对于水工钢闸门具有隔绝电解液和电化学双重保护作用。一是像涂料保护那样把钢闸门基体与水或其它引起腐蚀的介质隔离开来，避免形成原电池腐蚀；二是如果涂料封闭层发生破损，从理论上讲，金属喷涂层不可避免存在细微孔隙，使得钢闸门基体与水溶液接触，由于喷涂金属电位比铁电位更低，这样就形成了腐蚀电池，喷涂金属失去电子成为阳极，而铁则为阴极受到了保护，起到了牺牲阳极保护阴极的作用。另外，喷铝或稀土铝在金属结构的表面能形成氧化膜可起到遮蔽作用，其腐蚀速率非常低。在喷稀土铝、锌铝合金、锌、铝等几种长效防护体系的热喷金属材料中，锌腐蚀速度最大，铝最小，喷锌铝合金的腐蚀速度和喷铝接近，喷稀土铝合金可提高涂层的耐蚀性能。三峡工程二期金属结构件大部分采用热喷锌、稀土铝、锌铝合金等长效防腐蚀材料，金属涂层外再加涂料封闭，构成复合保护系统，另外，葛洲坝、龙羊峡等工程都有大量的应用。
!+"阴极保护
阴极保护的原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。
（#）牺牲阳极阴极保护。将电位更低的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较低的相同的电位下，低电位金属变成离子而“牺牲”。该方法在其他行业中应用广泛，比如我国第一座真正意义上的跨海大桥———上海国际航运中心洋山深水港（一期）工程东海大桥钢管桩防腐就是采用这种方法，还有在海上航行的轮船船体常镶上锌块，在海水中形成原电池，以保护船体。泰国巴帕南水利工程在闸门上焊接不少“阳极块”来保护闸门不受海水侵蚀的方法是水利行业中应用该方法的成功实例，三峡工程一期工程临时船闸拦污珊的防腐也采取的是牺牲阳极法。
（!）外加电流阴极保护。利用外加直流电，负极接在被保护金属上成为阴极，正极接辅助阳极，由于水工金属结构受条件限制，用该方法在管理上尚有困难，在此不作详细探讨。
!+#在冶炼钢铁时加入某些合金元素，改变合金内部组织结构，增强其抗蚀性能。
由金属腐蚀的机理可知，要提高金属的抗腐蚀能力，一方面使金属在室温下呈单一均匀组织，另一方面更重要的是提高金属本身的电极电位。为了达到上述目的，常在钢材中加入较多数量的,-，./等合金元素。实践证明，加入,-，./后能在阳极区域基体金属表面生成一层致密的氧化物保护膜，它能阻碍阳极区域的反应，并增加基体电极电位致使电化学腐蚀过程减缓，专业上称之为“钝化”现象。不锈钢的耐腐蚀性能就是这个机理，但是不锈钢造价高，而且力学性能不如普通钢材，综合成本是普通钢的0倍左右。不锈钢复合板解决了这个问题，不锈钢复合板是以碳钢为基板，单面或双面包覆不锈钢复材的双金属高效多功能材料，既具有不锈钢的耐腐蚀性、耐磨性，又具有碳钢良好的力学性能。该材料在三峡工程中也有应用，如三峡电站泄洪坝段深孔一、二期金属结构埋件过流面以及二期工程厂房坝段进水口位置布置的1条排砂钢管等均采用不锈复合钢板制造。
此外，还有一些其他防腐法也在水利工程中开始应用，比如江苏淮海农场水工钢闸门采用聚脂玻璃钢防腐技术就取得了较好的防护效益和经济效
