金属结构防腐蚀措施研究

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三峡水利枢纽金属结构规模为世界之最，金属材料用量高达26万t，需防腐蚀的表面积为240万m2（不含地下厂房部分）。金属结构所处的环境介质及运行工况复杂，金属结构在使用过程中都会受到环境因素的作用（化学、电化学、微生物和磨擦等等）而发生腐蚀破坏，因环境条件的不同其破坏的程度也不相同。因此，根据三峡工程金属结构的环境条件和运行工况对金属材料腐蚀的研究，提出不同环境及工况下的金属结构的防腐蚀材料、涂装措施及工艺要求和阴极保护成套应用技术，从根本上解决深水固定或难于更换的金属结构的长期保护与局部腐蚀的问题，达到延长金属结构的使用寿命，确保结构及机械正常运行的目的。
    长江委设计院为了作好三峡工程金属结构防腐蚀措施、涂装材料、施工工艺等方面的技术问题，进行了大量的调研、挂片观测、交流研讨及室内加速试验等全面的研究工作。
    1、三峡金属结构环境腐蚀条件的研究
    为了充分了解三峡金属结构所处的环境介质及自然环境条件。我们对三峡地区自然环境条件进行了大量的调查研究，掌握了三峡地区自然环境的科学数据。
    1.1 水文气象条件
    ①降雨：三峡枢纽库区降水比较丰富，并且带有酸雨，年平均降雨量在1 100mm，日降水强度较小，约在150mm左右。
    ②气温和水温：三峡地区大多数平均气温在16～18℃，库区内在21～22℃范围内，且年际间变幅较少，历年最高气温42℃，历年最低气温-2℃，多年平均气温18℃。历年最高水温29.5℃，历年最低水温-1.4℃，多年平均水温17.9℃。
    ③风：年平均风速一般为1.0～1.5m/s。
    ④雾：三峡地区是多雾地区，西部重庆68.9 d为最多，到峡谷为8.4d为最小，到坝区则有所增加，宜昌为23.2d。
    ⑤相对湿度和蒸发：三峡库区温度较大，年平均相对湿度为76.1%，最高达到80%，库区内多年平均水面蒸发量约在800～1000mm。
    1.2 水质情况
    库区的水体PH值在6.8～9.1之间，溶解氧为8.0 mg/L，耗氧量在1.4～1.9 mg/L，硝酸盐含量大于氨氮和亚硝酸盐，水中有铁细菌及硫酸还原菌及附着生物。
    1.3 含沙量
    多年平均含沙量为1.19～1.69 kg/m3，最大含沙量为10.5 kg/m3。经过环保的治理、长江上游干、支流的输沙量和含沙量都在减少。
    2、三峡工程金属结构防腐蚀关键技术的专题研究
    长江委设计院根据三峡工程金属结构的运行工况和所处的自然环境条件，为了延长其金属结构的使用寿命，增长维修周期，提高耐腐蚀性能，从1995年起对三峡金属结构所用的涂料配套体系、长效热喷金属体系及阴极保护等措施进行专题研究，并进行了大量现场挂片试验和室内加速试验。
    2.1 防腐蚀材料的试验
    为了模拟三峡工程的实际工况，在三峡地区建立了3个大气腐蚀试验站，分别位于秭归、三峡坝区八河口和宜昌市区；长江水环境腐蚀试验点2个，分别位于葛洲坝二号船闸上、下游人字门梁系内。针对三峡工程的具体情况组织了全国最有代表性的43家的优质产品共97种防腐蚀体系以及黑色金属材料10种及电化学保护方法1种，总计108种材料和防护体系，在上述5个试验点开展了三峡地区大气、长江水自然环境下材料的曝晒性能和水下耐蚀性能的试验。
    试验材料中有：有机涂层（丙烯酸聚氨脂类、环氧类、醇酸类、氯化橡胶类、烯烃类、聚氨脂类及其它），无机涂层（醇溶性无机富锌、水性无机富锌），黑色金属（有A3、低合金钢、中强钢、高强钢）和金属涂层（喷锌、喷铝、喷锌铝合金、喷稀土铝）。
    材料提供单位类属：国外厂商、国企、外企、集体、乡镇企业等。
    通过试验，获得了材料的腐蚀数据近5000个，三峡地区大气、长江水的环境数据约400个。
    室内加速腐蚀试验选用13家单位的防腐蚀体系共34个品种。种类分为：①水溶性无机富锌，②醇溶性无机富锌漆，③环氧富锌漆，④各种热喷金属涂层，⑤各种富锌漆加封闭涂层，⑥金属喷涂层加封闭涂层。
    2.2 试验结果
    （1）无机富锌涂层对钢铁的阴极保护性能明显优于环氧富锌涂层，但从结合强度上看，环氧富锌涂层优于无机富锌涂层。
    （2）磷酸盐富锌涂层表现了优良的耐蚀性的结合性能。在硅酸盐富锌中，醇溶性无机富锌的保护效果更好。
    （3）从涂层的耐老化性试验来看，丙烯酸聚氨酯和硅氧烷涂层有着优异的耐候性能和装饰性能，在2000 h的紫外光老化试验中失光率较小。可保20年不失光、不粉化、不退色和不龟裂。
    （4）研究并提出了适应环境保护要求的防腐蚀材料，如水性无机涂料和无溶剂的环氧涂料等等。
    （5）从抗冲耐磨性能试验来看，加填料的无溶剂材料的抗冲耐磨性能较好，特别是加金刚砂的环氧树脂材料的耐磨性比一般其它填料的环氧树脂材料要好一些。
    （6）热喷锌、锌铝合金有着良好的牺牲阳极保护作用，喷铝、AcAl、稀土铝层的表面能生成氧化膜可起到遮蔽作用，其腐蚀速率非常低。
    在喷稀土铝、AcAl、ZnAl合金、Zn、Al等5种长效防护体系的热喷金属材料中，喷锌腐蚀速度最大，喷铝最小，喷锌铝合金的腐蚀速度与喷铝接近，喷稀土铝合金可提高涂层的耐蚀性能。
    （7）热喷金属材料加上封闭涂料体系，其防护寿命预计可达20年以上。热喷金属加封闭涂料是最好的长效防腐蚀措施。封闭底层材料可选用渗透性强的各类清漆以及环氧硅氧烷等材料。
    （8）阴极保护技术在三峡工程金属结构中应用的研究。对牺牲阳极法和外加电流法进行了仔细地研究与计算，确定了阳极材料、电流密度。保护面积及参比电极等有关技术参数。得出涂层加阴极保护可使金属结构的保护寿命达30年左右。对于牺牲阳极的阴极保护已在三峡临时船闸拦污栅中进行了实地试验，并取得了良好效果。
    （9）为确保防腐蚀材料的质量，通过对各个涂料生产厂家调研及现场挂片试验，并进行综合比较，初步确定了6个三峡二期工程金属结构涂料的生产厂家。
    （10）防腐蚀质量的好坏，主要决定于涂装施工的质量，为了确保防腐蚀的施工质量，对三峡金属结构涂装施工单位的资质、人员、设备等都有明确的规定。
    3、三峡金属结构防腐蚀措施的技术要求
    3.1 保护年限的要求
    保护年限系指在确定的防腐蚀设计方案下应当达到的设计保护年限，是选定涂装材料及供货厂家，确定防腐涂装工艺及施工单位等需考虑的综合因素。
    （1）对经常处于水下或干湿交替环境，且不易检修或检修对发电、泄洪、航运有较大影响者，其保护年限要求达到20年以上。
    （2）对虽然经常处于水下或干湿交替环境，但比较易于检修且对发电、泄洪、航运无大影响者，其保护年限应达到10～15年。
    （3）对于处于大气环境者，室外的保护年限要求达到20年以上，室内要求达到25年以上。
    （4）对外观质量考虑到作风景旅游景点的需要，应能耐阳光、雨水等侵蚀，保色、保光性好，要求在5～8年内不褪色、不失光。
    3.2 涂装材料的技术要求
    （1）用于三峡工程的涂装材料，应选用经过工程实践证明其综合性能优良，且能与国际接轨的一流产品。
    （2）使用的涂料质量，必须符合国家标准或国际相应涂料标准。
    （3）涂料应配套使用。底、中、面漆宜选用同一厂家的产品。
    （4）对采用金属热喷涂的金属成份、纯度、直径应符合国家的有关规范要求。
    （5）承包者采用任何一种涂料都应具备下列资料并报监理工程师审查：
    ①产品说明书、产品批号、生产日期、合格证及检验资料。
    ②涂料工艺参数：包括闪点、比重；固体含量；表干、实干时间；涂覆间隔时间；理论涂覆率；规定温度下的粘度范围；规定稀释剂的稀释材料和稀释比例及对各种涂覆方法的适应性等。
    ③涂料主要机械性能指标及组成涂料的原料性能指标。
    ④涂料厂对表面予处理、涂装施工设备及环境的要求等。
    3.3 涂装施工
    （1）人员资质条件
    ①质检人员应具有国家有关部门颁发的资质证书。
    ②操作人员应经过培训，考试合格，持证上岗。操作人员的培训及考试必须在国家有关职能部门的管理下进行，并应有一定数量的国家有关部门颁发资质证书的操作人员。
    ③合格质检人员及考试合格的操作人员名单应报监理工程师确认备案，其数量应满足涂装施工的要求。
    （2）表面预处理
    ①除涂层修补外，应采用喷射方法进行表面预处理。
    ②喷射处理所用的磨料必须清洁、干燥。金属磨料应符合GB6484～6487的规定，磨料料径应在0.5～1.5 mm范围内，磨料应不易碎裂，粉尘少，并符合环保条例的有关规定。矿物磨料粒径应在0.5～2.0mm范围内，严禁使用河砂。
    ③喷射处理前必须仔细清除焊渣、飞溅附着物，磨平焊疤、毛刺等，并清洗基体金属表面可见的油脂及其他污物。
    ④喷射处理所用压缩空气，必须经过冷却装置及油水分离器处理，以保证压缩空气的干燥、无油，空气压力在0.4～0.6 MPa范围。
    ⑤喷射处理后的金属表面清洁度等级：对于涂料涂装应不低于GB8923中规定的Sa212级，对于热喷金属涂装应达到Sa3级，对与混凝土接触表面应达到Sa2级，手工和动力工具除锈只适用于涂层缺陷局部修理和无法进行喷射处理的部位，其表面清洁度等级应达到GB8923中规定的St3级。
    ⑥喷射处理后的表面粗糙度值：对于涂料涂装Ry应在40～70μm范围以内，对于热喷金属涂装Ry应在60～90μm范围以内。
    ⑦喷射除锈时，施工环境相对湿度应不大于85%，金属表面温度应不低于露点以上3℃，推荐采用封闭式车间进行涂装施工，以便有效地控制环境条件，确保质量。露天施工时，雨、雪、降露和高温天气不得进行涂装施工。
    （3）涂装工艺
    ①承包人（分包人）应根据标书的规定，制定涂装施工工艺规程报监理工程师批准后，方能进行涂装施工。
    ②金属喷涂工艺可采用电弧喷涂或火焰喷涂，优先采用电弧喷涂，涂料喷涂应采用高压无气喷涂。
    ③金属表面喷射除锈经检查合格后，应尽快进行涂覆，其间隔时间可根据环境条件一般不超过4～8h。各层涂料的涂装间隔时间，应在前一道漆膜达到表干后才能进行下一道涂料的涂装，具体间隔时间可按涂料生产厂的规定进行。金属热喷涂在尚有余温时，再进行封闭涂料的涂装。
    3.4涂装检验
    （1）涂料涂装
    ①承包人涂装前首先要对涂料性能进行抽检，还应对环境情况（温度、湿度、天气状况及工件表面温度）进行检测记录。
    ②承包人涂装前应对表面预处理的质量、清洁度、粗糙度等进行检查，合格后方能进行涂装。
    ③涂装过程中对每一道涂层均应进行湿膜厚度检测及湿膜的外观检查。
    ④涂装结束漆膜固化后，应进行干膜厚度的测定、附着性能检查、针孔检查等。
    （2）热喷金属涂装
    ①涂装前首先要对金属成份、纯度、直径进行抽检；还应对环境情况（温度、湿度、天气状况及工件表面温度）进行检测记录。
    ②涂装前应对表面预处理的质量，清洁度、粗糙度等进行检查，合格后方能进行涂装。
    ③热喷金属后，应对金属涂层外观及厚度进行检查，对金属涂层的结合性能，耐蚀性及密度等应进行抽检。
    ④只有在进行金属涂层的检验并确认合格后，才能进行封闭涂料的涂装。
    3.5 涂装监理
    在涂装施工单位质检基础上，由监理工程师进行涂装施工全过程监理，涂装监理除监督质量外，还将监督涂装资金的使用情况，确保涂装费用全部用在涂装施工上。
    4、涂装材料措施的选择
    4.1 一期工程
    主要是临时船闸系统，考虑临时船闸为临时设备，均采用涂料防腐，一般采取底中面三层的防腐蚀体系：结构件一般采用环氧富锌底漆或水性无机富锌，中间漆为环氧云铁，面漆为氯化橡胶，煤焦油环氧树脂聚酰胺等，拦污栅上并采用了牺牲阳极的阴极保护。机械设备的面漆采用可覆涂聚氨酯面漆，总厚度260～420m。
    4.2 二期工程
    （1） 热喷金属和涂料联合防腐
    结构件大部分采用热喷锌和热喷AC铝，及锌铝合金等长效防腐蚀材料，再加封闭材料。封闭底漆为环氧清漆，中间漆为环氧云铁，面漆为改性耐磨环氧或氯化橡胶，总厚度为300～340m。
    （2）涂料防腐
    一般采用底漆为环氧富锌或无机富锌，中间漆为环氧云铁，面漆为改性耐磨环氧或可覆涂脂肪族丙烯酸聚氨脂或氯化橡胶总厚度为260～300μm，压力钢管底漆为无机富锌，面漆为厚浆型环氧沥青，总厚度不低于450m，三期工程压力钢管的涂装材料为无溶剂的超强耐磨环氧漆，总厚度不低于800m。
    （3）埋件
    埋件的外露表面大部分采用热喷锌加涂料联合防腐。
    埋件的埋入表面（与混凝土结合面）采用涂刷无机改性水泥浆，厚度为300m以上。
    （4）金属镀层
    闸门的连接轴、支铰轴、吊轴、活塞杆及其它机械轴等等一般都采用了镀铬处理，镀铬层一般分硬铬和乳白铬，其厚度各在40～50m。有部分人字门液压启闭机活塞杆的表面镀黑色陶瓷。
    电站的出线结构架和输电铁塔及闸门的紧固件采用热浸锌处理，结构件的热浸锌层一般在500g/m2左右，紧固件的热浸锌层一般在400g/m2左右。
    （5）防腐蚀特殊材质
    在许多特殊而重要的高流速部位为了避免锈蚀、气蚀及冲蚀等而采用了特殊的不锈钢复合材料。具体各部件的应用的材料及配套措施详见招标文件的有关章节。
    6年来，通过对三峡地区现场挂片及室内加速试验，以及已经运用在三峡枢纽一期工程和二期工程金属结构的防腐蚀材料、配套体系、涂装工艺及运用效果来看，三峡工程金属结构使用的防腐蚀措施，是目前水工行业金属结构防腐蚀最先进的技术，最佳防腐蚀配套体系，最优质的防腐蚀材料和最科学的涂装工艺及高性能的环保技术和优良的装饰材料。金属复合喷涂热喷锌、热喷铝、热喷锌铝合金和热喷稀土铝合金等先进的长效防腐蚀涂装的先进高新技术也广泛运用在三峡二期工程金属结构的防腐蚀涂装上。
    三峡工程金属结构防腐蚀措施运用，提高了我国水工金属结构防腐蚀的水平，运用的防腐蚀体系具有较高科技含量，为水工金属结构防腐蚀奠定了科学的理论基础。其防腐蚀措施将在水工行业得到广泛的推广和运用。