金屬結構防腐蝕措施研究

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三峽水利樞紐金屬結構規(guī)模為世界之最，金屬材料用量高達26萬t，需防腐蝕的表面積為240萬m2（不含地下廠房部分）。金屬結構所處的環(huán)境介質及運行工況復雜，金屬結構在使用過程中都會受到環(huán)境因素的作用（化學、電化學、微生物和磨擦等等）而發(fā)生腐蝕破壞，因環(huán)境條件的不同其破壞的程度也不相同。因此，根據三峽工程金屬結構的環(huán)境條件和運行工況對金屬材料腐蝕的研究，提出不同環(huán)境及工況下的金屬結構的防腐蝕材料、涂裝措施及工藝要求和陰極保護成套應用技術，從根本上解決深水固定或難于更換的金屬結構的長期保護與局部腐蝕的問題，達到延長金屬結構的使用壽命，確保結構及機械正常運行的目的。
    長江委設計院為了作好三峽工程金屬結構防腐蝕措施、涂裝材料、施工工藝等方面的技術問題，進行了大量的調研、掛片觀測、交流研討及室內加速試驗等全面的研究工作。
    1、三峽金屬結構環(huán)境腐蝕條件的研究
    為了充分了解三峽金屬結構所處的環(huán)境介質及自然環(huán)境條件。我們對三峽地區(qū)自然環(huán)境條件進行了大量的調查研究，掌握了三峽地區(qū)自然環(huán)境的科學數據。
    1.1 水文氣象條件
    ①降雨：三峽樞紐庫區(qū)降水比較豐富，并且?guī)в兴嵊?，年平均降雨量? 100mm，日降水強度較小，約在150mm左右。
    ②氣溫和水溫：三峽地區(qū)大多數平均氣溫在16～18℃，庫區(qū)內在21～22℃范圍內，且年際間變幅較少，歷年最高氣溫42℃，歷年最低氣溫-2℃，多年平均氣溫18℃。歷年最高水溫29.5℃，歷年最低水溫-1.4℃，多年平均水溫17.9℃。
    ③風：年平均風速一般為1.0～1.5m/s。
    ④霧：三峽地區(qū)是多霧地區(qū)，西部重慶68.9 d為最多，到峽谷為8.4d為最小，到壩區(qū)則有所增加，宜昌為23.2d。
    ⑤相對濕度和蒸發(fā)：三峽庫區(qū)溫度較大，年平均相對濕度為76.1%，最高達到80%，庫區(qū)內多年平均水面蒸發(fā)量約在800～1000mm。
    1.2 水質情況
    庫區(qū)的水體PH值在6.8～9.1之間，溶解氧為8.0 mg/L，耗氧量在1.4～1.9 mg/L，硝酸鹽含量大于氨氮和亞硝酸鹽，水中有鐵細菌及硫酸還原菌及附著生物。
    1.3 含沙量
    多年平均含沙量為1.19～1.69 kg/m3，最大含沙量為10.5 kg/m3。經過環(huán)保的治理、長江上游干、支流的輸沙量和含沙量都在減少。
    2、三峽工程金屬結構防腐蝕關鍵技術的專題研究
    長江委設計院根據三峽工程金屬結構的運行工況和所處的自然環(huán)境條件，為了延長其金屬結構的使用壽命，增長維修周期，提高耐腐蝕性能，從1995年起對三峽金屬結構所用的涂料配套體系、長效熱噴金屬體系及陰極保護等措施進行專題研究，并進行了大量現(xiàn)場掛片試驗和室內加速試驗。
    2.1 防腐蝕材料的試驗
    為了模擬三峽工程的實際工況，在三峽地區(qū)建立了3個大氣腐蝕試驗站，分別位于秭歸、三峽壩區(qū)八河口和宜昌市區(qū)；長江水環(huán)境腐蝕試驗點2個，分別位于葛洲壩二號船閘上、下游人字門梁系內。針對三峽工程的具體情況組織了全國最有代表性的43家的優(yōu)質產品共97種防腐蝕體系以及黑色金屬材料10種及電化學保護方法1種，總計108種材料和防護體系，在上述5個試驗點開展了三峽地區(qū)大氣、長江水自然環(huán)境下材料的曝曬性能和水下耐蝕性能的試驗。
    試驗材料中有：有機涂層（丙烯酸聚氨脂類、環(huán)氧類、醇酸類、氯化橡膠類、烯烴類、聚氨脂類及其它），無機涂層（醇溶性無機富鋅、水性無機富鋅），黑色金屬（有A3、低合金鋼、中強鋼、高強鋼）和金屬涂層（噴鋅、噴鋁、噴鋅鋁合金、噴稀土鋁）。
    材料提供單位類屬：國外廠商、國企、外企、集體、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等。
    通過試驗，獲得了材料的腐蝕數據近5000個，三峽地區(qū)大氣、長江水的環(huán)境數據約400個。
    室內加速腐蝕試驗選用13家單位的防腐蝕體系共34個品種。種類分為：①水溶性無機富鋅，②醇溶性無機富鋅漆，③環(huán)氧富鋅漆，④各種熱噴金屬涂層，⑤各種富鋅漆加封閉涂層，⑥金屬噴涂層加封閉涂層。
    2.2 試驗結果
    （1）無機富鋅涂層對鋼鐵的陰極保護性能明顯優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂層，但從結合強度上看，環(huán)氧富鋅涂層優(yōu)于無機富鋅涂層。
    （2）磷酸鹽富鋅涂層表現(xiàn)了優(yōu)良的耐蝕性的結合性能。在硅酸鹽富鋅中，醇溶性無機富鋅的保護效果更好。
    （3）從涂層的耐老化性試驗來看，丙烯酸聚氨酯和硅氧烷涂層有著優(yōu)異的耐候性能和裝飾性能，在2000 h的紫外光老化試驗中失光率較小?？杀?0年不失光、不粉化、不退色和不龜裂。
    （4）研究并提出了適應環(huán)境保護要求的防腐蝕材料，如水性無機涂料和無溶劑的環(huán)氧涂料等等。
    （5）從抗沖耐磨性能試驗來看，加填料的無溶劑材料的抗沖耐磨性能較好，特別是加金剛砂的環(huán)氧樹脂材料的耐磨性比一般其它填料的環(huán)氧樹脂材料要好一些。
    （6）熱噴鋅、鋅鋁合金有著良好的犧牲陽極保護作用，噴鋁、AcAl、稀土鋁層的表面能生成氧化膜可起到遮蔽作用，其腐蝕速率非常低。
    在噴稀土鋁、AcAl、ZnAl合金、Zn、Al等5種長效防護體系的熱噴金屬材料中，噴鋅腐蝕速度最大，噴鋁最小，噴鋅鋁合金的腐蝕速度與噴鋁接近，噴稀土鋁合金可提高涂層的耐蝕性能。
    （7）熱噴金屬材料加上封閉涂料體系，其防護壽命預計可達20年以上。熱噴金屬加封閉涂料是最好的長效防腐蝕措施。封閉底層材料可選用滲透性強的各類清漆以及環(huán)氧硅氧烷等材料。
    （8）陰極保護技術在三峽工程金屬結構中應用的研究。對犧牲陽極法和外加電流法進行了仔細地研究與計算，確定了陽極材料、電流密度。保護面積及參比電極等有關技術參數。得出涂層加陰極保護可使金屬結構的保護壽命達30年左右。對于犧牲陽極的陰極保護已在三峽臨時船閘攔污柵中進行了實地試驗，并取得了良好效果。
    （9）為確保防腐蝕材料的質量，通過對各個涂料生產廠家調研及現(xiàn)場掛片試驗，并進行綜合比較，初步確定了6個三峽二期工程金屬結構涂料的生產廠家。
    （10）防腐蝕質量的好壞，主要決定于涂裝施工的質量，為了確保防腐蝕的施工質量，對三峽金屬結構涂裝施工單位的資質、人員、設備等都有明確的規(guī)定。
    3、三峽金屬結構防腐蝕措施的技術要求
    3.1 保護年限的要求
    保護年限系指在確定的防腐蝕設計方案下應當達到的設計保護年限，是選定涂裝材料及供貨廠家，確定防腐涂裝工藝及施工單位等需考慮的綜合因素。
    （1）對經常處于水下或干濕交替環(huán)境，且不易檢修或檢修對發(fā)電、泄洪、航運有較大影響者，其保護年限要求達到20年以上。
    （2）對雖然經常處于水下或干濕交替環(huán)境，但比較易于檢修且對發(fā)電、泄洪、航運無大影響者，其保護年限應達到10～15年。
    （3）對于處于大氣環(huán)境者，室外的保護年限要求達到20年以上，室內要求達到25年以上。
    （4）對外觀質量考慮到作風景旅游景點的需要，應能耐陽光、雨水等侵蝕，保色、保光性好，要求在5～8年內不褪色、不失光。
    3.2 涂裝材料的技術要求
    （1）用于三峽工程的涂裝材料，應選用經過工程實踐證明其綜合性能優(yōu)良，且能與國際接軌的一流產品。
    （2）使用的涂料質量，必須符合國家標準或國際相應涂料標準。
    （3）涂料應配套使用。底、中、面漆宜選用同一廠家的產品。
    （4）對采用金屬熱噴涂的金屬成份、純度、直徑應符合國家的有關規(guī)范要求。
    （5）承包者采用任何一種涂料都應具備下列資料并報監(jiān)理工程師審查：
    ①產品說明書、產品批號、生產日期、合格證及檢驗資料。
    ②涂料工藝參數：包括閃點、比重；固體含量；表干、實干時間；涂覆間隔時間；理論涂覆率；規(guī)定溫度下的粘度范圍；規(guī)定稀釋劑的稀釋材料和稀釋比例及對各種涂覆方法的適應性等。
    ③涂料主要機械性能指標及組成涂料的原料性能指標。
    ④涂料廠對表面予處理、涂裝施工設備及環(huán)境的要求等。
    3.3 涂裝施工
    （1）人員資質條件
    ①質檢人員應具有國家有關部門頒發(fā)的資質證書。
    ②操作人員應經過培訓，考試合格，持證上崗。操作人員的培訓及考試必須在國家有關職能部門的管理下進行，并應有一定數量的國家有關部門頒發(fā)資質證書的操作人員。
    ③合格質檢人員及考試合格的操作人員名單應報監(jiān)理工程師確認備案，其數量應滿足涂裝施工的要求。
    （2）表面預處理
    ①除涂層修補外，應采用噴射方法進行表面預處理。
    ②噴射處理所用的磨料必須清潔、干燥。金屬磨料應符合GB6484～6487的規(guī)定，磨料料徑應在0.5～1.5 mm范圍內，磨料應不易碎裂，粉塵少，并符合環(huán)保條例的有關規(guī)定。礦物磨料粒徑應在0.5～2.0mm范圍內，嚴禁使用河砂。
    ③噴射處理前必須仔細清除焊渣、飛濺附著物，磨平焊疤、毛刺等，并清洗基體金屬表面可見的油脂及其他污物。
    ④噴射處理所用壓縮空氣，必須經過冷卻裝置及油水分離器處理，以保證壓縮空氣的干燥、無油，空氣壓力在0.4～0.6 MPa范圍。
    ⑤噴射處理后的金屬表面清潔度等級：對于涂料涂裝應不低于GB8923中規(guī)定的Sa212級，對于熱噴金屬涂裝應達到Sa3級，對與混凝土接觸表面應達到Sa2級，手工和動力工具除銹只適用于涂層缺陷局部修理和無法進行噴射處理的部位，其表面清潔度等級應達到GB8923中規(guī)定的St3級。
    ⑥噴射處理后的表面粗糙度值：對于涂料涂裝Ry應在40～70μm范圍以內，對于熱噴金屬涂裝Ry應在60～90μm范圍以內。
    ⑦噴射除銹時，施工環(huán)境相對濕度應不大于85%，金屬表面溫度應不低于露點以上3℃，推薦采用封閉式車間進行涂裝施工，以便有效地控制環(huán)境條件，確保質量。露天施工時，雨、雪、降露和高溫天氣不得進行涂裝施工。
    （3）涂裝工藝
    ①承包人（分包人）應根據標書的規(guī)定，制定涂裝施工工藝規(guī)程報監(jiān)理工程師批準后，方能進行涂裝施工。
    ②金屬噴涂工藝可采用電弧噴涂或火焰噴涂，優(yōu)先采用電弧噴涂，涂料噴涂應采用高壓無氣噴涂。
    ③金屬表面噴射除銹經檢查合格后，應盡快進行涂覆，其間隔時間可根據環(huán)境條件一般不超過4～8h。各層涂料的涂裝間隔時間，應在前一道漆膜達到表干后才能進行下一道涂料的涂裝，具體間隔時間可按涂料生產廠的規(guī)定進行。金屬熱噴涂在尚有余溫時，再進行封閉涂料的涂裝。
    3.4涂裝檢驗
    （1）涂料涂裝
    ①承包人涂裝前首先要對涂料性能進行抽檢，還應對環(huán)境情況（溫度、濕度、天氣狀況及工件表面溫度）進行檢測記錄。
    ②承包人涂裝前應對表面預處理的質量、清潔度、粗糙度等進行檢查，合格后方能進行涂裝。
    ③涂裝過程中對每一道涂層均應進行濕膜厚度檢測及濕膜的外觀檢查。
    ④涂裝結束漆膜固化后，應進行干膜厚度的測定、附著性能檢查、針孔檢查等。
    （2）熱噴金屬涂裝
    ①涂裝前首先要對金屬成份、純度、直徑進行抽檢；還應對環(huán)境情況（溫度、濕度、天氣狀況及工件表面溫度）進行檢測記錄。
    ②涂裝前應對表面預處理的質量，清潔度、粗糙度等進行檢查，合格后方能進行涂裝。
    ③熱噴金屬后，應對金屬涂層外觀及厚度進行檢查，對金屬涂層的結合性能，耐蝕性及密度等應進行抽檢。
    ④只有在進行金屬涂層的檢驗并確認合格后，才能進行封閉涂料的涂裝。
    3.5 涂裝監(jiān)理
    在涂裝施工單位質檢基礎上，由監(jiān)理工程師進行涂裝施工全過程監(jiān)理，涂裝監(jiān)理除監(jiān)督質量外，還將監(jiān)督涂裝資金的使用情況，確保涂裝費用全部用在涂裝施工上。
    4、涂裝材料措施的選擇
    4.1 一期工程
    主要是臨時船閘系統(tǒng)，考慮臨時船閘為臨時設備，均采用涂料防腐，一般采取底中面三層的防腐蝕體系：結構件一般采用環(huán)氧富鋅底漆或水性無機富鋅，中間漆為環(huán)氧云鐵，面漆為氯化橡膠，煤焦油環(huán)氧樹脂聚酰胺等，攔污柵上并采用了犧牲陽極的陰極保護。機械設備的面漆采用可覆涂聚氨酯面漆，總厚度260～420m。
    4.2 二期工程
    （1） 熱噴金屬和涂料聯(lián)合防腐
    結構件大部分采用熱噴鋅和熱噴AC鋁，及鋅鋁合金等長效防腐蝕材料，再加封閉材料。封閉底漆為環(huán)氧清漆，中間漆為環(huán)氧云鐵，面漆為改性耐磨環(huán)氧或氯化橡膠，總厚度為300～340m。
    （2）涂料防腐
    一般采用底漆為環(huán)氧富鋅或無機富鋅，中間漆為環(huán)氧云鐵，面漆為改性耐磨環(huán)氧或可覆涂脂肪族丙烯酸聚氨脂或氯化橡膠總厚度為260～300μm，壓力鋼管底漆為無機富鋅，面漆為厚漿型環(huán)氧瀝青，總厚度不低于450m，三期工程壓力鋼管的涂裝材料為無溶劑的超強耐磨環(huán)氧漆，總厚度不低于800m。
    （3）埋件
    埋件的外露表面大部分采用熱噴鋅加涂料聯(lián)合防腐。
    埋件的埋入表面（與混凝土結合面）采用涂刷無機改性水泥漿，厚度為300m以上。
    （4）金屬鍍層
    閘門的連接軸、支鉸軸、吊軸、活塞桿及其它機械軸等等一般都采用了鍍鉻處理，鍍鉻層一般分硬鉻和乳白鉻，其厚度各在40～50m。有部分人字門液壓啟閉機活塞桿的表面鍍黑色陶瓷。
    電站的出線結構架和輸電鐵塔及閘門的緊固件采用熱浸鋅處理，結構件的熱浸鋅層一般在500g/m2左右，緊固件的熱浸鋅層一般在400g/m2左右。
    （5）防腐蝕特殊材質
    在許多特殊而重要的高流速部位為了避免銹蝕、氣蝕及沖蝕等而采用了特殊的不銹鋼復合材料。具體各部件的應用的材料及配套措施詳見招標文件的有關章節(jié)。
    6年來，通過對三峽地區(qū)現(xiàn)場掛片及室內加速試驗，以及已經運用在三峽樞紐一期工程和二期工程金屬結構的防腐蝕材料、配套體系、涂裝工藝及運用效果來看，三峽工程金屬結構使用的防腐蝕措施，是目前水工行業(yè)金屬結構防腐蝕最先進的技術，最佳防腐蝕配套體系，最優(yōu)質的防腐蝕材料和最科學的涂裝工藝及高性能的環(huán)保技術和優(yōu)良的裝飾材料。金屬復合噴涂熱噴鋅、熱噴鋁、熱噴鋅鋁合金和熱噴稀土鋁合金等先進的長效防腐蝕涂裝的先進高新技術也廣泛運用在三峽二期工程金屬結構的防腐蝕涂裝上。
    三峽工程金屬結構防腐蝕措施運用，提高了我國水工金屬結構防腐蝕的水平，運用的防腐蝕體系具有較高科技含量，為水工金屬結構防腐蝕奠定了科學的理論基礎。其防腐蝕措施將在水工行業(yè)得到廣泛的推廣和運用。