水利水电工程金属结构防腐技术研究

唐国华

摘 要：在水利水电工程中，金属结构的防腐工作至关重要。由于很多金属结构部件会长期接触到水，受到环境腐蚀的影响程度较大，锈蚀速度比较快，且腐蚀形态的差异性比较明显，需要在防腐工作中做好检测和防腐方案选择，从而提升设备的使用效率和使用寿命。本次研究结合工程经验对金属结构的防腐技术进行了针对性探讨。

关键词：水利水电工程;金属结构;防腐技术

0.引言

水利工程金属结构一直是水利水电工程建设的关键组成部分，而金属结构以钢结构居多，容易受到外界环境的影响导致质量缺陷。例如，在恶劣的气候条件及自然环境的影响下，金属结构收到腐蚀后，其刚度性能会受到影响，整个结构的承载力大幅下降，安全风险极高。这要求相关的工程人员结合工程实施地域的水文、地质、环境，仔细分析防腐技术方案，选择合理的工程防腐措施。

1.水利水电工程金属结构腐蚀的分类及其影响因素

1.1 化学腐蚀与物理腐蚀

化学腐蚀是化学反应所导致的腐蚀类型，包括金属表面和氧气、水、酸等接触之后产生的相互作用。例如钢结构在大气环境之下，非电解质中的氧化剂和金属表面的原子发生作用，就会导致化学腐蚀。而物理腐蚀则是简单的金属结构物理溶解导致的结构问题。

1.2 大气腐蚀

大气腐蚀中对金属结构材料影响程度比较明显的因素是温度和湿度，尽管温度本身不会影响到金属结构的表面性能导致腐蚀，但金属材料对于水分吸收能力的改变就会直接关系到水分积累，此时如果有腐蚀性元素在金属表面沉积，必然会让表面水分聚集。例如在某些湿度较大的环境中，很多具有腐蚀作用的物质会聚集在金属表面引起腐蚀现象。从某种程度上来看，空气当中的湿度在很大程度上与金属材料表面水膜的形成速度相关，如果空气中的水分含量在短時间内大量增加，那么，金属对于腐蚀性产物的抵抗力明显降低。

风力与金属结构材料的腐蚀程度也存在着重要联系。风力在很大程度上会影响到金属表面水膜的形成和腐蚀物质的产生，而且，风带来的沙尘、污染物等与水膜产生作用后会给金属结构表面带来损伤，包括金属材料自身对于污染物的吸附作用等。

某些金属材料表面亦会受到紫外线的影响而降低耐腐蚀性能。

1.3 电化学腐蚀

电化学腐蚀指的是电解质溶液引起的腐蚀。每一部分的金属表面存在着不同的电位，在腐蚀电池当中溶液金属离子的溶解过程会释放电子电流消耗阴极结构，某些石墨、液压金属部件的腐蚀电位相对较高，金属和杂质的成分密切接触之后腐蚀就会变得更加严重，外部环境会极大的影响到电化学腐蚀的程度。因此，金属结构工作自然环境中的水质对其腐蚀的程度有重要影响。

2.金属结构的防腐技术分析

2.1 涂料保护

金属结构的防腐处理以预防为主，目的在于消除让金属结构形成原电池的因素，此时就需要根据金属材料本身的特征和腐蚀特性来选择防腐技术。目前比较成熟的防腐技术以涂料保护为主，因为金属结构在产生原电池腐蚀时要具备完整的电路，而涂料保护的作用就是让金属表面具有一层绝缘性质的涂料（如环氧类材料或树脂类材料等），这样金属结构表面和水及其它引起腐蚀的介质可以进行隔离，从而起到预防腐蚀的目的。现行的涂料保护方案会使用的防腐漆包括防锈底漆、中间漆、面漆等涂料漆，其中防锈底漆类型又包括了磷化底漆、富锌底漆;中间漆包括环氧云铁漆;面漆类型包括氯化橡胶面漆等，一些高档的面漆还会选择带有修复特性的智能防腐蚀涂料等。

底漆可以保障涂层和金属基底的附着力，然后给后续的中间漆、面漆喷涂提供良好的粗糙度基础。防锈底漆类型众多，传统的含铅底漆因为会产生较大程度的污染因此逐渐地被淘汰，另一些含有防锈颜料的底漆作用有限，因此使用频率也明显较低。当前水利水电工程当中常见的底漆类型包括磷化底漆、车间底漆等，这些底漆的基础物料当中会加入一些特殊的颜料、溶剂与添加剂，吸收来自空气当中的水分在进行水解缩聚，和金属结构当中的活性单质产生反应生成复合盐，从而附着在金属结构的表面。此类底漆在防锈性能、力学性能、耐热性和抗损伤性上都非常稳定，且随着技术的不断发展，当前很多研究人员在作业当中将某些防锈颜料与锌粉共同使用从而提升结构质量。磷化底漆则会与金属结构基体发生反应覆盖在钢铁基体表面从而让金属基体表面钝化，既能够保障底漆和材料的结合力，同时还起到了比较稳定的抗腐蚀性能。不过某些化合物终究具有一定的致癌作用，且防锈材料有着一定的水溶性特征，磷化底漆在潮湿环境下不宜使用。

中间漆的功能在于增加漆膜厚度改善漆层质量，作为面漆和底漆之间的中间层，在技术应用合理的前提之下可以有效提升附着力。

面漆涂料类型众多，不同材料的分子结构决定了不同的耐水性与防锈性能。例如，将一定比例的环氧树脂和煤焦沥青作为主要成分制造的环氧沥青面漆，就可以同时具备环氧涂料的坚固性、耐化学性和煤焦沥青的防锈性能，在当前的水利工程建设环节作用突出。此外氟碳涂料面漆、聚硅氧烷涂料面漆的耐化学品面漆也有着不同的应用场合。

2.2 金属热喷涂保护

热喷涂技术是材料工程学的重要组成部分，其应用非常广泛也得到了国家工业发展规划的大力支持。其本质原理是利用热源将喷涂材料加热至熔融、半融化状态，之后再利用高速气流进行雾化，通过一定的速度来喷射至金属基体的表面，从而获得良好的表面性质。通常情况下以热喷涂技术形成的涂层可以给金属结构基体提供良好的抗高温氧化性能、耐磨性能等，使用寿命大幅增加，而且，热喷涂还可以同步应用其它的技术方法，在金属结构中起到电解质封闭和电化学保护作用。现阶段的金属热喷涂技术方案包含金属喷涂层与涂料层，涂料密封后可以覆盖一层面漆以确保技术应用的有效性[1]。

热喷涂使用的材料可以和基体金属不一致，也可以和基体金属选择同一种类型的材料（复合材料与有机材料均可）。通常来说大部分材料都可以被作为热喷涂的主要材料，涵盖范围非常广泛，优势众多具有良好的技术适应性，在材料表面强化和修复方面作用突出。

在目前的技术条件下，还可以通过冷气体动力喷涂技术将压缩的超音速喷射气流喷涂在金属结构表面形成涂层。使用广泛的锌铝合金、铝镁合金等热喷涂材料比其它金属材料的性能相对稳定，同时将金属基体和环境介质水进行隔离，避免金属形成完整电回路而产生原电池腐蚀。其表面形成的氧化膜起到了关键的防护功能，形成复合防护系统[2]。金属结构中常用的热喷涂防腐方案为喷锌。

2.3 电化学阴极保护

电化学阴极保护技术在当前金属防腐技术当中效果突出，能够让整个金属的电位降低至平衡电位，让被保护的金属成为电化学系统的阴极，此时金属不会快速失去電子，金属的腐蚀速度明显下降甚至完全停止。按照金属本身的腐蚀机理来看，水利水电工程的金属结构由于长期接触水，部分金属结构还会接触含有盐的海水，此时材料电子分布不均匀产生数量众多的阳极区、阴极区。在阳极区金属表面的电子形成流出电流进入到环境区域的电解质当中，此时阳极区失去电子出现腐蚀问题，但阴极区电流经过环境介质流入之后金属腐蚀速率减缓，当电子能够在被保护的金属基体之上，那么就可以缓解金属严重的腐蚀过程。当前的阴极保护方法也可以从以下两个方面进行研究。

第一是牺牲阳极的阴极保护技术，即将两种活性差异的金属连接后放置在相同的电解质之内，活泼的阳极区失去大量电子被腐蚀后，被保护的阴极区金属得到大量电子，此时金属基体表面整体处于电子过剩状态，达到相同负电位，阴极金属反而得到保护，我们通常选择电化学性质活泼的镁铝合金材料作为阳极材料，在周围环境电阻率较小时该技术的应用效果比较稳定[3]。

第二则是强制电流阴极保护技术，又被称为外加保护技术，利用的是电化学当中的电解池反应将需要保护的金属、外加电源负极连接之后成为阴极，再利用外加电源使得金属阴极产生大量电子，辅助电机和外加电源正极连接之后产生电解池阳极，被保护的金属基体作为阴极，此时两种物质形成闭合回路后，电子将会朝着金属结构的阴极而移动，金属表面电位保持一致，腐蚀速度减缓，确保金属不失去电子而变为离子状态。该方法是通过外部电源来提供金属电位让电子聚集在金属结构的基体表现，整体处于低电位状态。如果金属表面电子积累一段时间后，整个基体也会处于负电位状态避免腐蚀进一步发展。

2.4 防腐前的表面预处理及涂装要求

金属结构防腐涂装前应进行表面预处理，除涂层修补外，应采用喷射方法进行表面预处理。在进行喷（抛）射处理之前，应清除焊渣、飞溅、毛刺等附着物，并应用砂轮机对锐利的切割边缘进行处理，然后清洗结构表面可见的油脂及其他污物。处理后其表面清洁度等级不宜低于GB8923《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中规定的Sa2.5级，表面粗糙度Rz值应在60～100μm范围内。

表面预处理与涂装之间的间隔时间应尽量缩短，在潮湿或工业大气环境条件下，应在2h内涂装完毕;在晴天或湿度不大的条件下，最长应不超过8h[4]。

2.5工程应用实例

在小清河防洪综合治理工程部分海洋环境建筑物工程中，金属结构的防腐方案采用了牺牲阳极阴极保护装置，金属结构表面预处理后先进行喷锌，然后刷涂防腐漆，防腐涂料采用了改性耐磨环氧漆”Jotamastic 87”底漆，改性耐磨环氧漆”Jotamastic 87”中间漆，丙烯酸聚氨酯面漆”Futura AS”;淡水环境的建筑物工程中，防腐涂料采用了环氧（水性无机）富锌底漆，厚浆型环氧云铁防锈漆，环氧面漆。

3.结语

水利水电工程在我国建设领域意义重大，由于所处环境特殊，金属结构防腐方案的设计、选择及维护管理工作是延长金属结构使用寿命的工作重点。相关单位应该具备防腐意识并强化对于防腐技术的研究工作，从提升金属材料耐腐蚀性能的角度出发展开系统化和完善化的工程设计。今后的工程环节可以考虑在材料种类、配方方面作出改进，全面地提升水工金属结构的材料性能和工程质量。

参考文献：

[1]蒋天元. 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[J]. 黑龙江水利科技， 2020， 48（03）：151-153.

[2]刘旭辉， 陈小明， 黄海杨，等. 海洋环境中活塞杆两种喷涂防腐技术测试报告分析和工程应用初探[J]. 水利与建筑工程学报， 2019（1）.

[3]李传建. 水利水电工程施工中的新技术应用和环境保护研究[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2019， 294（12）：170.

[4]邓华.浅析水工金属结构防腐蚀涂装的施工管理和质量控制[J].工程技术，2016，99：87.

（桂林市水电建筑工程公司，广西 桂林 541301）