三峡永船人字门应用稀土铝防腐

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 1、概况
    三峡工程永久船闸6个闸首共装有24扇人字闸门，单扇闸门有高37.5和38.5m两种，宽20.3m，门厚3m，为框式金属结构，单扇门重791.55 t（37.5 m）和828t（38.5m）。原设计人字闸门防腐采用热喷锌加涂料，防腐面积分别为9 985m2（用于37.5m）和10192.5m2（用于38.5m）。1999年江南造船厂接受有关专家建议并考虑到环境污染问题，经过调研和试验，提出修改设计建议：由热喷锌改为热喷稀土铝加涂料防腐。由于热喷稀土铝作为大型闸门防腐材料在国内属第一次施工，而人字闸门面积大，结构复杂，防腐质量要求高，从试验到制造和安装过程的实践，都会遇到一些困难问题，因此，施工过程中需不断研究，确保达到标书规定的质量要求。选用热喷锌稀土铝加涂料防腐属于先进的防腐技术和工艺，能够提高人字闸门的运行寿命，延长使用周期减少运行时维修费用，提高通航综合效率。
    2、人字门防腐工程特性及原理
    2.1 人字闸门对防腐工程的要求
    人字闸门的运行寿命、维修周期和维修施工时间都直接影响长江干流通航效益。人字门安装在6个闸首，所处的运行条件比较恶劣，如果按门叶高度来分，可以分为3段。上部长期处于露天大气环境中，中部随运行过程中水位升降，经常处于变水位，暴露于大气和淹没水中之交变。下部则长期淹没在水里。根据葛洲坝船闸运行情况观察，尤以中部腐蚀较为严重，下部附有海生物腐蚀，为此要求三峡船闸人字门防腐不仅要抗蚀性能好，而且要长效耐腐蚀，抗碰撞和抗海生物，按设计要求防腐寿命为20年。满足设计标准，探索防腐质量和效果是我们实践中研究的目的。
    2.2 防腐方式及稀土铝涂层特性
    除本身具有抗蚀性能的金属材料（如不锈钢）外，目前，常用钢结构的防腐可归纳为两种，一类是带外电源的阴级保护，另一类为屏障防腐（隔离防腐）。三峡工程人字闸门属后一类。屏障防腐种类甚多，效果较好者采取金属热喷涂+涂料。金属热喷涂常用材料为锌、铝、镍、铬等丝材，但是，单纯的锌、铝作为防腐都不是理想材料，而镍、铬则价格昂贵，不宜用于大型金属构件。所以，自上世纪80年代初，国际上有采用锌铝合金丝，我国于上世纪末也冶炼成锌、铝合金丝开始用于防腐材料。
    江南造船厂在承制三峡人字门时，经过试验报请长江委设计院同意，用稀土铝丝作为热喷涂材料。这种材料的特性，防腐原理及施工实践，本文作简单介绍。
    2.3 锌和铝涂层特性的比较
    上世纪50年代，国际上就开始用热喷锌作为钢结构件或铸铁件的防腐。锌层在大气中有较好的耐蚀性能，但是，锌和铁的分子结构都属于阳离子，属于牺牲阳极保护，涂层的腐蚀速度每年1～3.5m。纯铝在大气中会很快形成致密的氧化铝膜，它具有自愈能力，且对各种涂料都是惰性的，涂料在铝层上能牢固地结合起到保护内层作用，其腐蚀速度小于1μm/a。由于铝分子外层为负离子，与铁结合后，离子间易渗透聚合。但是，也有不可忽视的弊病。
    如果在铁和铝层之间，渗透某种介质（如长江水PH45～8），那么，金属的电极电位发生变化，产生电化腐蚀，会产生不利因素。所以，原苏联在海船防腐中采用锌铝合金取得较好效果。
    稀土铝涂层的特性如何呢？所谓稀土铝是在纯铝冶炼过程中，加入少量的稀土元素在高温下熔化，并通过高压气流雾化喷射到钢铁表面，形成非常致密的涂层，最大限度地杜绝第3种介质渗入铁和铝层之间，再用环氧密封涂料进一步渗入保护，克服电化腐蚀作用，使铝在大气中稳定性充分发挥而起长效防腐作用。
    为了进一步证实稀土铝、纯铝和纯锌的各种性能指标。生产厂家对3种材料在同等条件下，制作54块试板，分别用电弧喷涂的普通喷枪和高速喷枪喷涂作特性试验。
    试验喷涂在粗糙度达60～90m之间，涂层厚度分别为锌＞160m，铝＞120m情况下，对3种材料的抗蚀性能和物理性能（贯穿到基体的孔隙，与基体的结合性能）测定，并作了喷涂技术的论证。
    综合各涂层性能，证明了AcAL涂层孔隙率低，锈蚀滞呆，抗蚀性优于纯AL和纯Zn。
    应该指出：涂层的优劣，在很大程度上取决于操作方法和环境以及操作人员技术水平，因此，在施工实践中，严格按标书、规范指导，施工前对操作人员培训，加强检测工作，保证施工质量。
    3、人字门防腐工程操作实践及质量保证
    3.1 防腐材料的选择
    利用稀土铝作为防腐涂层材料有优点，但是，要被防腐施工单位和业主接受，仍然有一个认识过程。传统的喷锌已被工程界使用二三十年，传统观念认为简单、可靠、易操作，无须重新探索工艺，只要符合设计要求，仍得到广泛应用。然而，锌防腐有其弱点，其中环境污染问题不容忽视。锌在高温熔化和高压雾化过程中释放大量氧化锌粉尘，具有较强毒性，少量吸入能使人头昏、恶心，在大气中悬浮是大气污染的主要固体成分，各国、各地环保机构对氧化锌有害气体已加快限制。
    稀土铝丝虽有放射线，经预防医学研究院检验，AcAl丝表面外照剂量率为0.21～0.25（μsv/h），低于GB4792-81《放射卫生防护基本标准》限值2.5（μsv/h）标准，不致对人体有害。
    稀土铝涂层由于空隙率低，能够防止或减少电化腐蚀，铝层又有自愈能力和氧化铝膜层保护对钢铁表面能起长效防腐作用。但是热喷稀土铝的操作工艺，对环境、操作人员的技术水平要求比喷锌严格，在施工实践中应予重视。
    3.2 热喷稀土铝对金属结构件表面予处理的质量要求
    SL105-95规范要求金属结构件表面清洁度Sa21/2级（GB8923-88），无油污、水、锈蚀及粉尘等脏物。油、水之类在高温下很块形成油（水）雾或汽泡隔离了极细的铝晶粒，导致涂层和基体结合力下降，也是涂层鼓泡的主要原因，锈斑及粉尘对涂层也会起隔离作用，影响结合力，喷涂稀土铝对清洁度要求严格，在喷涂过程中还应防止粉尘对金属表面的二次污染。
    粗糙度是涉及金属热喷涂的结合力和表面质量的指标。金属基体经过喷砂后表面形成高低不平的峰谷，不仅增加了表面面积，而且使稀土铝晶粒在高温高压气流冲击下嵌入谷部互相熔融，在一定膜厚条件下形成防腐层，增加涂层结合力；但是，粗糙度过大却使效果相反，会导致防腐表层不光滑，使涂料涂层的光泽受到影响。特别应避免粗糙度值大于金属涂层厚度。实际施工中，我们强调粗糙度的均匀性，一般不宜超过100m。喷涂后再涂上防腐涂料可取得良好效果。
    3.3 影响热喷金属质量的因素
    热喷金属的涂层厚度是涉及工程质量、工效、使用寿命、工程造价的重要指标。按设计要求人字门喷锌＞160m，喷稀土铝＞120m；实践证明，过厚的涂层不仅影响工效和成本，而且会造成结合力下降。施工中多次发现由于涂层太厚或涂层不均而脱落现象，涂层厚度和温度梯度形成正比。涂层越厚与钢板基体温差越大，由于铝或锌与铁的热涨系数不同，致使涂层脱落。在监理过程中，按设计要求涂层厚控制上限喷锌不大于200m，喷稀土铝小于140m，操作要求均匀表面无大颗粒或未熔融现象。
    喷涂稀土铝的质量很大程度取决于喷涂方式，即金属熔融和气流对金属的雾化程度及粒子速度。
    众所周知，火焰喷涂燃烧温度低于电弧喷涂。如果采用罐装氧气和乙炔，那么，操作时会随着燃烧时间延长，压力减少，火焰温度下降，导致熔融不佳，影响质量。所以，喷稀土铝应尽量采用电弧喷涂，即使局部位置（如角铁背面、边角）电弧喷涂无法使用，也应对火焰燃烧温度采用措施，应保持恒温并达到750℃以上。
    操作电弧喷涂时必须保持输出电流、电压稳定，其值应通过试验来定，一般电压控制在28～30V，电流在180～220A之间。
    影响涂层质量的另一重要因素是气流压力、流速及雾化状况，气流压力在0.45～0.6 MPa范围力求稳定，一般喷涂机常用亚音速，目前，科研人员在普通喷枪基础上，应用空气动力学原理，制造成超音速气流喷枪，不仅使喷涂粒子的速度增加，从而提高射流动能（△E=1/2mv2）而且雾化状况得到改善，晶体更细，火焰束变成窄长，粒子束相对集中，使涂层结合力大大增加，孔隙率下降。如果能改进结构，适用施工现场操作，降低造价，可以广泛推广。在操作时，枪口与基体距离为150～180mm为宜，使用高速喷枪应尽量避免气流激波，减少飞溅，提高涂层晶粒的沉积率。
    3.4 稀土铝和锌涂层材料价格分析
    先进的技术和工艺不能不考虑经济性，用稀土铝代替锌作为防腐材料是否提高工程成本，参见表1。

表1　材料成本价计算参数
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材料名称 涂层厚度 喷涂损耗系数 村料比重 每m2用量 市场价格 10000m2用料价格 
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喷锌 160μm 1.5 6.3t/kg 1.5/kg 15000 22.68万 
喷稀土铝 120μm 1.8 62.7t/m2 0.6kg 23000 13.8万 
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　　由表1可见用稀土铝作为喷涂材料其价格低于锌价。

    即使喷稀土铝施工其他费用略高于喷锌，但总造价不会高于喷锌，经济上是合算的。

    4、结论和建议
    （1）通过对三峡永久船闸人字闸门防腐施工采用的稀土铝材料所作技术经济分析和论证，可以认为稀土铝作为新型高科技材料不仅能使防腐效果达到优质长效，而且可以降低造价，值得推广。
    （2）进一步研究喷涂技术，特别是研究轻型高速喷枪，对于防腐技术的发展十分必要，应成为今后发展方向。
    （3）建议有关部门对应用稀土铝作为防腐材料，应制订标准和规范化。
    （4）推广稀土铝涂层防腐时，尚需进一步研究耐冲击的外层涂料防腐，避免对稀土铝涂层机械拉伤和冲击，防止涂层破坏而导致电化腐蚀。