基于水利水电工程金属结构腐蚀分析与防腐措施控制研究

蒋天元

(辽宁西北供水有限责任公司，沈阳 110000)

0 引 言

在海水、漂浮物、氧气、水流等因素的作用下拦污栅、引水光管、闸门等水利水电工程结构，通常存在较为严重的腐蚀问题。受腐蚀损伤后的水工金属结构截面面积大大减少，应力急剧增大，从而使得整个结构刚度、刚度和承载力降低，对金属设备的使用寿命和正常运行造成不利影响[1]。

通过统计分析腐蚀数据和腐蚀监测，可为结构应力计算和构建蚀余厚度的确定提供数据支撑，为估算构件的使用年限、腐蚀速率和金属结构的腐蚀程度提供科学的依据。数据处理和安全监测为水利水电工程安全检车的主要内容，为更加全面、准确的了解设备运行状态有必要采取科学有效的方法检测其腐蚀程度，从而为采取有效的防腐措施提供重要的决策依据。

1 腐蚀监测

1.1 表面处理

处于潮湿或水下恶劣环境中的钢闸门等水工金属结构，长期受各类污物的腐蚀和污染作用，构建表面常常附着氧化皮、水生物、尘土、杂草及泥垢等杂物。所以，表面处理为腐蚀检测的基本前提和条件。

总体上可将表面处理分2步完成，首先对构件表面的尘土、杂草、泥垢等杂物利用水冲洗法清洗，然后对表面附着的水生物、氧化物和铁锈利用刮刀及钢丝刷除去，最后用软布擦拭干净表面。在表面处理过程中应避免对金属本体的损伤，且能够完全去除腐蚀物。

1.2 腐蚀监测

水工金属结构经过长期的服役运行，均在一定程度上存在锈蚀现象。锈蚀后的金属结构面积、整体刚度及强度显著减少，结构所承受的应力急剧增大，对其安全运行产生直接的不利影响。为了更加科学、合理的检测锈余厚度和速度有必要采取合适的检测措施，为结构应力计算和水利水电工程安全运行评估提供重要的数据支撑。

腐蚀监测项目主要包括锈孔或秀坑的大小、分布特征、密集程度等；腐蚀部位的锈余面积、发生锈蚀区域占比；构件腐蚀分布状况及其位置等。由于所处环境的差异，即使不同部位的同一构件的环境条件也有所差异，因此水工金属结构的腐蚀程度不一，在检测过程中应结合构件的腐蚀特征选取合适的方法。当前，较为常用的锈蚀监测方法有割取试件法、橡皮泥法、超声波法直接量测法等。另外，对于构件锈蚀深度利用特制的游标卡尺或焊缝检测尺测量时，最常用、最直接的辅助方法还有腐蚀曲线配合照片法。

对于存在锈蚀深度浅、腐蚀程度均匀的锈坑，工程上一般采用测厚仪法，如果构件上分布有少而分散的锈孔腐蚀，则特制的量具为适宜的检测方法；针对存在密布成片且锈坑较深的构建，橡皮泥填充法为工程上普遍应用的方法，割取试件法一般适用于允许切割的构件。在实际工程中，应结合现场具体的条件选取合适的检测方法。

2 金属结构腐蚀数据分析

当前，检测数据处理采用的主要方法有列表法、直方图法和对比法等，在实际应用时各方法均存在其优缺点，在实际应用时可配合使用也可单独应用，应结合构件腐蚀的实际情况选择合适的方法。一般情况下，选取腐蚀率速率反映金属结构的腐蚀状况。

2.1 腐蚀速率

(1)

2.2 数据分析方法

钢闸门为最常见的水工金属结构，可从如下方面分析溢洪道等闸门的腐蚀监测数据，从而更加系统、全面的掌握闸门整体及构件的局部和均匀锈蚀状况，具体如下：

2) 同一构件不同闸门的腐蚀速率和腐蚀量。根据主梁、纵梁、小横梁、面板和支臂等不同结构类型分类整理所有的数据资料，然后作出发生不同程度锈蚀的直方图，结合直方图确定各构件腐蚀量的和，不同构件的腐蚀量表示为，根据具体情况也可计算相应的腐蚀速率。

为了能够准确、客观的反映锈余厚度和原厚度之间的变化特征，工程上主要采用列表法和对比图法，单元工程闸门不同构件的腐蚀状况可依据该项数据进行较为准确的分析处理。

3) 综合分析同类闸门。水利水电工程所有闸门的腐蚀监测数据进行系统的整理分析，由此确定该工程的总体腐蚀速率、腐蚀总量并作出直方图。单元工程闸门的总体腐蚀状况可选用该项数据进行系统的分析。

在计算分析闸门局部最大和整体平均腐蚀速率、腐蚀量的同时，还可对腐蚀数据从年腐蚀速率的角度进行处理。结合监测数据校核闸门的结构应力，将服役年限的估算结果作为评估工程结构安全运行的重要参数，为闸门更新改造或加固方案的优化设计提供科学的依据。

2.3 工程腐蚀数据统计

自1998年，相关部门基本完成了对全国重点水利工程的300多扇闸门的腐蚀检测工作，从抽样分析的24个典型的单元工程检测数据可知：

1) 闸门的平均腐蚀速率总体处于0.01-0.06mm/a范围，标准差和平均腐蚀量介于0.3-0.8mm、0.6-1.5mm之间。

2) 构件腐蚀与闸门类型的关系不大。通过对弧形、平面闸门的腐蚀频率的调查分析，统计结果显示平面闸门的好像更易发生腐蚀。然而，这主要与选取的1个进水口快速闸门和4个小型闸的样本类型有关，此类闸门的检修和维护机会较少，除去这几项腐蚀量大且原因明确的闸门后，弧形闸门的腐蚀速率略低于平面闸门，由此表明闸门类型与构件腐蚀之间不存在必然关系。

3) 结构腐蚀与闸门结构型式之间存在一定的关系，杆件由型钢组成的桁架结构为早期闸门的常见形式，由于无法在槽钢、角钢等型钢缝隙间涂刷防腐油漆，其锈蚀现象较为严重，例如马迹塘溢洪道闸门和洋河滩节制闸等。

4) 锈蚀与闸门布置有关。闸门是否能够离开闸槽或提离孔口，对防腐措施工作的影响较大，通常无法全面检查、维护和保养闸门。

5) 闸门腐蚀受水质的影响显著。例如，水质污染较为严重的永定河闸、辛集闸等构筑物，腐蚀程度与水质状况密切相关。

工程检测结果显示，闸门局部腐蚀速率一般在0.07-0.52mm/a的较高水平。进一步分析腐蚀原因和腐蚀部位发现，设计上容易产生防腐蚀死角或易淤积的部位往往是局部严重腐蚀的位置。

3 防腐蚀措施及质量控制

3.1 防腐蚀方法

准确、合理的选取相应的防腐措施为影响设备服役寿命和结构安全运行的关键因素，在工程实际中应引起重视。结合当前水利工程的腐蚀特征和运行管径，工程上应用较为广泛的防腐蚀措施主要有如下3种：

1) 涂料防腐措施。在闸门上均匀的涂抹密闭性涂料，形成一种能够将腐蚀因子与金属基体合理的防护膜，由此实现抑制闸门腐蚀的目标。该项措施的费用较低、施工简便，但防护期限通常较短为3-5a。工程上可使用的土料有环氧树脂漆类、沥青漆类、醇酸树脂漆类以及油脂漆类等。在防护过程中应配套使用，严格按照工艺要求进行施工方可达到预期的效果。

2) 金属热喷防防腐措施。该方法是在闸门表面上喷涂锌、铝或锌率合金等化学活性比钢活泼的金属，从而形成覆盖均匀的防腐涂层。相对于铁元素喷涂的金属活性较高，因此具有双重防护钢铁的功能，一方面能够将氧气、水分等介质与金属隔离发挥涂料覆盖的隔离作用；另一方面，基体与涂层在涂层受到破坏后可形成腐蚀微电池，由此达到阴极保护牺牲阳极的目的。金属热喷措施的防护周期一般在15年，防护效果好且周期长。当前，在水电工程中该方法已得到广泛的应用，在三峡工程金属防腐蚀中广泛应用的长效防腐措施和高新技术，如金属复合热喷稀土铝合金、锌铝合金及热喷铝等技术。

3) 电化学防腐措施。采取通电流的方式将受保护的金属结构进行极化，由此实现防腐的目的为电化学防腐的本质。依据极化性质，将其分为保护阳极和阴极的不同类型，阴极保护一般适用于闸门的防腐。工程上又可将阴极保护进一步分为牺牲阳极、外加电流法，前者需要对阳极进行定期的更新；后者需要外加一套设备，其防护周期长但维护费用高、运行管理复杂。在工程管理和施工过程中牺牲阳极法具有明显的优势，其防护年限也较短，一般为10a。为达到更好的防腐目的，工程实际中可将以上几种最基本的防腐方法相结合，采取合适的综合防腐措施保证结构的安全。

3.2 防腐蚀质量控制

自1980年，对于水工结构的金属腐蚀问题越来越引起人们的重视，已由之前的“三遍油漆”发展至当前细化设计防腐蚀阶段，但仍需要从经济合理性、工艺严谨性和结构科学性等角度进一步强化。在结构防护工程中可从如下几方面提升防腐蚀质量，即：

1) 在工程设计过程中应尽可能的避免无法采取防腐蚀措施或很容易产生腐蚀的结构形式，从工程设计的角度做到防腐控制。

2) 设计工艺要便于质量检查和施工，操作流程明确、合理；对于成型后的部件或不能采取防腐的位置，防腐蚀单位和构件制造单位应此案去预处理措施；在安装、输送过程中还要注意防护保护层。

3) 采取最优的防腐体系、优质的材料、科学的工艺、先进的高性能环保技术，，如对于水工金属结构采用雾化喷射-快速凝固成型技术，其应用效果极为显著。

4) 加强行业管理、强化标准意识和职业培训，提升施工队伍整体素质和工艺技术水平，严格按规范进行质量检查和公式；全过程监督防腐蚀职工过程以及实行工程监理制。

5) 及时清理构件上的淤积物并加强日常管理和维护工作，对存在锈蚀或损伤的位置及时补漆。为显著提升防腐蚀效果和保证防腐蚀周期，结合国内外经验一般需要每6-8a补漆一次。

4 结 论

由于所处环境条件的差异和水工结构的形状各异，相应的腐蚀形态也不尽相同。所以，应结合构件腐蚀情况及金属结构类型选择有效的数据分析方法和腐蚀监测方式，在结构安全监测中尽可能的反映水工结构的使用寿命和腐蚀现状，并为水电工程安全评估和应力计算提供数据支撑。另外，还要不断的加强防腐工作相关研究，提升防腐蚀科技含量及强化防腐意识，切实提升防腐效益和新技术的应用程度。