探寻京杭运河（常州段）钢闸门电化学腐蚀影响因素最不利组合状态

王 帆 庄 杨 蒋 益 周小虎

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092 2.常州市城市防洪工程管理处常州 213000 3.常州明水水利安装有限公司 常州 213000）

1 引言

钢闸门因运行需要不断交替干湿状态，自然水体因含有各种化学成分表现出离子电解质的特质，钢闸门处于关闭状态时，不断受到水流冲刷，微生物又在表层吸附、繁殖，一旦涂料层存在破损，电化学腐蚀极易发生；当钢闸门处于开启状态，又极易受雾、霜、露等形式的水分子影响，表面易形成水膜，酸性水膜会导致析氢腐蚀，当水膜酸性较弱时则发生吸氧腐蚀，生成Fe2O3。这些外界因素都以不同的强度和方式对钢铁产生腐蚀效应，进而影响钢闸门的承载力和稳定性。

由于咸水环境更易缩短钢材使用寿命，国内外专家学者多致力于研究海水环境下的钢闸门腐蚀速率、使用寿命以及腐蚀程度检测与修复等。淡水环境中的钢闸门腐蚀研究多集中于特定钢闸门的电化学腐蚀检测、概括性的腐蚀机理分析或是防腐新技术的应用。

京杭运河沿线水工建筑物现有闸门均为钢闸门，运管单位投入大量人力、物力进行补漆、加涂防腐层等防腐措施，但腐蚀情况仍会发生。如果一线工作人员能精准地把控钢闸门易腐蚀时间段，有针对性地加强防护，就可以杜绝腐蚀形成。因此，开展钢闸门电化学腐蚀的影响因子最不利组合状态研究，可以为钢闸门防腐保养提供理论支撑。

2 电化学腐蚀速率影响因子

钢闸门电化学腐蚀机理涉及众多影响因素，鉴于自然状态下，常州地区不存在季节性水流携沙率的大幅度变化，微生物的腐蚀机理又较为复杂且难以量化，本文不将其纳入分析范围。

钢铁与水体构成微电池后，钢铁失去电子的速度与水环境中离子种类和浓度密切相关，阴离子对电化学反应的作用远超阳离子，其中Cl-又是引发钢闸门孔蚀的主要原因。现有研究资料，常用钢表面氧的扩散速率估算钢铁发生电化学腐蚀的速率，并认定当水体pH 值处于9～11 范围内，钢铁所受的腐蚀影响最小。与此同时，流速对钢铁腐蚀也存在不可忽视的影响，根据赵国仙[1]的研究成果，流速提升会促进电荷传递，加速腐蚀，试验结果显示，动水会加速钢试件的失重概率，当流速为4m/s 时，失重率值最大；不足4m/s 时，失重率与流速正相关；超过4m/s 后，失重率与流速增长负相关。

综上，Cl-浓度、含氧量、pH 值以及水体流速直接影响钢结构的电化学腐蚀速度和强度，本文针对这4 种影响因子设计试验，分析环境因素对钢闸门防腐工作的最不利组合状态。

3 试验开展情况

试验主要关注河道水流的Cl-含量、pH 值、含氧量以及流速4 方面的月度变化情况，以此推算京杭运河常州段钢闸门最易腐蚀时间段。

图1 河段月平均Cl-浓度图

3.1 点位设置

本次试验共设有5 个基准监测点位，将总长约25km 的测段进行定点划分，另外设20 个一般检测点，从基准点位1 上游3km 到基准点位5 下游1km范围内沿线均匀分布，平均每1km 设置一个测点，并根据周边工业源分布情况进行微调。

3.2 试验设备与采样

为保证检测结果的随机性，2019年1—12月，每月分2 个检测周期，采用Banter 氯离子测定仪和便携式溶解氧检测仪LH-D9 测定水流的Cl-含量、pH 值和含氧量。

图2 双数月各测点水体含氧量图

表1 各测点年平均pH 值表

表2 2019年水位差统计表

（1）水体中Cl-浓度既受河道过水流量的影响，又受上游来水以及沿线各类污水排放等方面的作用。检测数据显示，同一次检测过程中，各测点测得的Cl-浓度值也存在一定的波动，为了弱化沿途排放、汇流等不可控外在因素的干扰，将各测点每月的检测结果汇总后取平均值，绘制测段月平均氯度值变化图，以此定位一年中Cl-浓度较高的月份。

由图1 可知，水体Cl-含量在枯水期高于汛期，在2月份左右达到全年最高值。

（2）现有研究资料显示，水体的溶氧量与水深呈反比，自然水体的含氧量会随水深的加深急剧下降。鉴于本次试验目的是探寻各类影响因素的最不利组合状态，主要采集近水面处含氧量较高的水样进行含氧量检测。根据溶解氧检测仪LH-D9 的检测结果，图2 取2019年双数月各测点的水体含氧量，绘制水体含氧量变化图，图3 为河段月平均含氧量变化图。

图3 显示，随着测点地理位置的变化，水体含氧量有一定程度的波动，除去测量误差的影响，相邻流段水体的含氧量差别并不大，且各月含氧量变化总体走势一致，呈现出上游略高于下游、冬季高夏季低的走势。

对比图2 和图3，水体的含氧量随时间产生的波动比同一个月内各测点的波动幅度大，这是因为天然水体含氧量变化受温度、日照和水中生物等多方面因素的影响，季节变化对温度、日照时长的影响直接改变水体的溶氧能力，也作用于水生态系统造成水体含氧量的变化。因此，冬季含氧量高于夏季，8月含氧量最低。

（3）检测河段的pH 值变化区间为7.0～8.1，各测点全年pH 值测量值的标准差分布在0.1 附近，本文将各测点的年平均pH 值近似看作该点所代表的流段的pH。

对各测点年均pH 值做离散程度分析，所得标准差为0.25，数据聚集度较高，检测河段的全年pH值变化幅度较小。由此可见，河道pH 值长期处于[7.2～8]的弱碱性状态，现有研究成果显示，当金属处于这个pH 值范围的溶液中，最需要防范发生坑蚀。

（4）以测段沿线的采用下卧式钢闸门的大运河东枢纽为例测算水流流速，闸室分2 孔，单孔净宽16m。

根据设计资料，大运河东枢纽的控制最大流量为160m3/s，控制最大水位差0.035m，剔除汛期闸门关闭后造成的内外河水位差数据后，根据闸门开启状态的月最大水位差，用传统水力学公式分析流速，公式如下：

结果显示，过闸水流流速一般小于1.3m/s，并且不同月份间差异很小，河道流速常年处于较为稳定的状态，因此该流段由流速差异造成的腐蚀失重率的影响几乎可以忽略。

4 影响因素的最不利组合状态

试验结果显示：（1）测段水体流速、pH 值的年际变化较小，对电化学腐蚀的影响较为平顺。但pH值处于极易导致电化学腐蚀的范围内，因此要尤为重视这个pH 值范围内极易发生的坑蚀现象。（2）水体含氧量和氯度值受季节和水流量枯赢影响明显，总体显示出：水体冬季（枯水期）的含氧量、氯离子含量明显高于夏季（汛期）。将图1 和图3 叠加后可以发现，1—3月加速电化学腐蚀的不利因素高峰基本重合，由此可见冬季是电化学腐蚀高发期，2月尤其需要加强管理巡视，做好防腐工作。

5 结论与建议

钢铁的电化学腐蚀反应速率远高于化学腐蚀。相较于防腐工程措施，加强管理人员保护意识和认知能力同样重要。综合本文结论应从以下几个方面提升钢闸门防腐的管理水平：（1）避免频繁进行不必要的闸门启闭操作，保证闸门工作环境的合理稳定性。（2）定期进行钢闸门的冲洗，清除闸门表面附着物，以及电解质残留。（3）加强巡视人员培训，提升对常见坑蚀、孔蚀的辨析能力。（4）做好日常检查和防护保养工作，在冬季尤其要加强巡视，做到钢闸门腐蚀的早发现、早治理■