镁合金在金属结构牺牲阳极阴极保护防腐中的应用研究

褚 奇，杨 崧

（常州市城市防洪工程管理处，江苏 常州 213000）

1 引言

常州市主城区“畅流活水”活动堰工程是运北主城区畅流活水系统工程的一部分，是营造城周水势、增加入城水量、城内科学配水的重要工程，是满足常州市东北部城区先期活水需求的核心内容。具体工程任务为：利用澡港河引江入城清水，增加入城水量，减少水量散失，提升引江入城效率；营造南北水势，灵活调控古城区市河与关河、澡港西支与东支分流比，按需配水实现东北部城区自流活水；作为畅流活水系统工程中先期实施项目，实现总体目标中“重点区域（古城区、东北部城区）一年初步见效”的分步显效任务。

常州市主城区“畅流活水”活动堰工程共包含四座活动堰，分别为盘龙苑、恐龙园、洋桥以及新市桥活动堰。该工程金属结构主要包括：活动堰6 扇工作闸门及配套液压启闭机、活动堰检修闸门及上述设备相应的埋件。活动堰均采用底轴驱动翻板式钢闸门，其中盘龙苑、恐龙园活动堰为32 m 宽双孔堰，洋桥活动堰为16 m 宽单孔堰，共5 扇；配套QRWY-2×630 kN/300 kN液压式启闭机共5 台套，预留检修门槽。新市桥活动堰为28 m宽单孔堰，共1 扇；配套QRWY-2×800 kN/400 kN 液压式启闭机共1 台套，预留检修门槽。为便于今后4 座活动堰工作闸门检修，设置一套检修闸门共用，检修门形式为浮箱叠梁检修门，共8 块，上下游各4 块。该工程于2018 年1 月开工实施，5 月底通过水下工程验收。

2 活动堰工程中牺牲阳极保护方案的选择制定

2.1 设计内容和设计要求

对6 扇活动堰工作闸门常年处于水下的部位进行牺牲阳极保护初步设计。设计要求为：有效保护期大于10 年；有效保护期限内，被保护的部位电位可达-0.85V～-1.15 V（参比电极：Cu/CuSO4）；有效保护期间内，被保护闸门外部与淡水接触的内表面与闸门表面不产生任何锈蚀，保护度达95%以上，同时也可以消除闸门、螺栓等不锈钢部件因淡水腐蚀造成的潜在危害。

2.2 闸门尺寸和水位条件

新市桥活动堰闸门平面尺寸为27.8 m×4.226 m，底轴中心高程-0.44 m，门顶高程4.20 m，上游侧最高水位4.20 m，下游侧最低水位3.40 m。

盘龙苑、恐龙园、洋桥活动堰闸门平面尺寸为15.8 m×4.186 m，底轴中心高程-0.30 m，门顶高程4.20 m，上游侧最高水位4.20 m，下游侧最低水位3.40 m。

2.3 牺牲阳极材料选择

牺牲阳极材料的选择以及阳极用量与钢闸门所处水域水体的化学成分和电阻率以及钢闸门表面涂层状况等多种因素有关。通过计算闸门保护面积，根据实测上下游水质电导率及实验室试验数据和成功工程经验，确定钢闸门阴极保护电流密度；选择牺牲阳极；计算牺牲阳极输出电流，确定阳极用量；并根据阳极总质量复核阳极使用寿命。

闸门牺牲阳极材料采用镁合金牺牲阳极，镁阳极成分符合《镁合金牺牲阳极》（GB/T 17731-2009）。

1）保护面积（表1）

表1 活动堰闸门数量及面积

2）保护电流密度的选取

参照《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》（DL/T 5358-2006）标准的规定，闸门与介质接触的所有表现均涂有防护油漆，结合项目水质条件数据，故本方案保护电流密度选定为：Ii=15 mA/m2。

3）保护电流的计算

按照上述计算成本出的总面积和选定保护电流密度，计算总保护电流。

新市桥活动堰：I=Si×Ii=286×15=4290 mA

盘龙苑、恐龙园、洋桥活动堰：I=Si×Ii=165×15=2475 mA

4）牺牲阳极材料的选择

现阶段市场上主要采用的牺牲阳极材料为Al-Zn-In-Cd、Al-Zn-In-Si、Al-Zn-In-Mg-Ti，用电化学工作站测试电化学性能，按照阴阳面积比60∶1，阳极工作电流密度为1 mA/cm2，试验时间为240 h，试验介质为海水进行试验。通过光谱分析法分析化学成分（见表2），用合金的主要成分计算三种牺牲阳极的理论容量，用1 mA/cm2的电流密度对三种牺牲阳极进行恒定电流放电，通过放电后的重量变化（见表3），计算出电流效率；通过电位测试，分析三种牺牲阳极的开路电位和工作电位随时间的变化（见图1、图2）。试验最终得出在三种牺牲阳极中，Al-Zn-In-Mg-Ti 牺牲阳极的电流效率最高，具有最负的的工作电位和开路电位，而且表面溶解均匀（见图3），腐蚀产物松软易脱落，阳极自身腐蚀小，材料来源充足，可为以后更新提供方便。

表2 3 种牺牲阳极的化学成分 单位：%

表3 牺牲阳极恒电流放电前后的重量变化

图1 牺牲阳极开路电位随时间变化的关系

图2 牺牲阳极工作电位随时间变化的关系

图3 牺牲阳极材料表面的腐蚀形貌图片

5）牺牲阳极规格尺寸的选择

考虑到有效保护期限和每支阳极发生电流值，以及设备的结构特征。选用牺牲阳极规格尺寸为：500 mm×（115+135）mm×130 mm。

6）每支阳极发生电流值计算

7）牺牲阳极需要的块数

参照标准计算公式：Ni=Ii×Si/If，并对称均衡布置，阳极块数量选用数量见表4。

表4 阳极块数量表

8）牺牲阳极布置、安装方式

镁合金采用对称均匀布置。镁合金紧贴被保护的闸门以焊接的方式安装。使镁合金与闸门的接触电阻稳定，使闸门的水利特性不被破坏，焊接位置近水水封压板等易锈蚀部件,采用电弧焊接，焊接处采用原涂料修复。

3 金属热喷涂保护+牺牲阳极阴极保护在金属结构制作安装中的应用

本工程闸门防腐采用金属热喷涂保护+牺牲阳极阴极保护措施。

1）金属热喷涂保护先喷锌在涂刷封闭漆，闸门主体钢结构采用喷砂除锈，清除金属表面铁锈、氧化皮、油污、焊渣、飞溅、灰尘、水分等附着物，经处理后钢材表面清洁度等级不低于《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB 8923-88）中规定的Sa2.5 级，表面粗糙度达到Rz40 μm～80 μm。金属喷涂层应无溶滴、粗粒、掉块、裂纹及其他影响使用的缺陷，最小局部厚度不小于设计值160 μm，附着力好，胶带粘起不剥离。在涂料封闭时，涂漆的技术要求遵照SL 105 的规定执行，设计要求封闭漆层厚度为环氧漆30 μm，中间环氧云铁防锈漆80 μm，外加氯化橡胶面漆90 μm。底漆、中间漆及面漆均采用高压无气喷涂，每层漆膜涂装前应对上一层涂层外观进行检查。漆膜的外观检查：湿膜不得有曳尾、缩孔缩边、起泡、喷丝、发白失光、浮色、流挂、渗色、咬底、皱皮桔皮等弊病；干膜不得有白化、针孔、细裂龟裂、回粘、片落剥落脱皮等弊病。漆膜拜最小厚度值不低于设计厚度的85%。

2）牺牲阳极阴极保护。现场在闸门上清除需要焊接镁合金防腐块的防腐涂层，焊接镁合金块，逐一检查是否焊接牢固，导电接触是否良好，确保阳极铁脚焊接处焊缝饱满，无虚焊、漏焊现象，焊缝处用钢丝刷除去焊接浮渣，对油漆破损处再用氯化橡胶漆涂刷两遍。

整个闸门的防腐工艺质量满足《水利金属结构防腐蚀规范》（SL 105-2007)规范要求，洋桥活动堰现场照片见图4。

图4 洋桥活动堰现场照片

4 结论

随着城市防洪大包围和引清活水的调度需要，常州市水利工程数量较多，钢闸门基本已经全面替代了传统的老式混凝土闸门或者铸铁闸门。虽然钢闸门具有结构灵活、坚固耐用的特点，但是在部分水体污染、水质恶化较重的环境中，钢闸门存在易受腐蚀的情况，特别是闸门制作安装时的焊接处理、防腐涂料的吸水、透气性，均是产生腐蚀的隐患，阴极保护技术正在逐步推广。镁合金牺牲阳极阴极保护虽然相对传统防腐技术一次性投资较大，但是设计寿命长，对于长期处于水下工作，维修养护条件困难来说，从长期防腐的综合费用来看还是经济高效的。希望此次在主城区“畅流活水”活动堰工程中运用该技术，能够为以后各类水利工程金属结构的设计运用、老闸改造的技术创新提供参考。