龙泉港出海闸钢闸门热喷涂防腐蚀研究

　　摘要：据统计，目前全球每年因钢结构腐蚀造成的经济损失高达数千亿美元以上，而且由于钢结构的腐蚀还不断危及到结构的安全运行。因此，采用钢结构防腐蚀技术，特别是长效防腐蚀新技术就显得尤为重要。如果钢结构能够在20年或更长年限免维护或少维护的话，使用方将大量节省维护经费，并大大提高钢结构的安全性与使用寿命。本文就龙泉港出海闸钢闸门的热喷涂防腐蚀技术进行了初步探索。
　　关键词：水工，钢闸门，热喷涂，防腐蚀
　　
　　1龙泉港出海闸钢闸门的工况分析
　　1.1龙泉港出海闸的地理位置，水情、工情概况
　　龙泉港出海闸位于上海市金山区山阳镇，杭州湾一线海塘5号到6号丁坝之间，其内河为龙泉港，向北经叶榭塘通黄浦江，外出杭州湾。
　　龙泉港出海闸外海潮位情况表

　　注：高程单位为米，佘山吴淞标高，下同。
　　杭州湾海水盐度界于5.563‰～26.397‰之间，而且龙泉港出海闸所处海域中有较多的贝类等附着生物。该海域涨潮平均含沙量为0.78Kg/m3，落潮为0.24Kg/m3，其含沙量的季节性变化和随潮流月相的周期变化比较明显。其内河龙泉港为淡水环境，内河水位变幅较小，2004年实测水位最高为2.85米，最低为2.15米，一般为2.40米。
　　龙泉港出海闸的运行情况为每日趁潮排水1～2次，每次排水时间半小时至3个半小时不等，闸门开度视上下游流态、过闸流速、冲淤需要等情况具体设定。其余时间闸门状态为全关。
　　1.2龙泉港出海闸钢闸门的现状
　　龙泉港出海闸钢闸门材料为普通碳素结构钢，牌号为Q235－A（钢板）和Q235－B（角钢、槽钢），主要加工工艺为焊接，焊接结束后，2002年8月23日进行了表面喷砂处理，9月9日表面油漆完工，油漆厚度为325μm。
　　至截稿时，该钢闸门已经使用了近3年的时间，从当前的情况来看，由于水生物附着，闸门基体锈蚀，过闸水流冲刷等原因，导致表面涂层损坏严重。表面涂层的破坏，使其阻断作用失效，在海水电化学腐蚀的作用下，闸门的腐蚀速度呈加快趋势。
　　1.3闸门的工况
　　从金山嘴的潮位情况来看，龙泉港出海闸钢闸门的顶标高为4.6米，闸门底标高为－2.0米，门体外海侧下部1.78米处于海水全浸区，中部3.95米处于间浸区，门上部0.87米为飞溅区；闸门内河侧下部4.40米处于淡水全浸区，0.70米处于间浸区，门上部1.50米为飞溅区。根据海水腐蚀的一般规律，飞溅区的腐蚀速度最快，平均低潮位线附近的腐蚀速度次之。从现场的情况可以得到例证，三扇闸门上部及动滑轮外壳均锈蚀严重，表面涂层几乎完全脱落。闸门内侧由于处于淡水环境，当前虽也有腐蚀现象，但总体情况明显优于外海侧。
　　2热喷涂防腐蚀研究
　　龙泉港出海闸钢闸门的腐蚀情况已经引起了管理单位的高度重视，并开始着手防腐蚀技术的研究。热喷涂防腐蚀技术是钢结构长效防腐蚀的一种新型方法，这种方法可以保护钢结构在大气、土壤或水中至少20年不需要任何维护和超过40年后的少量维护。世界许多国家几十年的现场试验和工程应用证明：热喷涂防腐蚀技术是迄今为止对大型及重要钢结构做长效防腐蚀的最好方法。
　　2.1热喷涂材料选择
　　在钢结构热喷涂防腐蚀施工中应用最多的材料是锌、铝以及它们的合金。一般情况下，热喷涂选材海水环境用铝，淡水环境用锌。锌铝合金热喷涂材料用于钢结构的腐蚀防护始于上世纪80年代，美国的TAFA公司对该涂层进行了许多研究工作，试验研究和实际的应用证明，该合金材料在许多环境下具有良好的耐腐蚀性能，可以对钢结构基体提供有效的保护。随着锌铝合金的开发和应用，其优良性能越来越得到广泛的认同。同时随着加工工艺的改进，其生产成本也有了一定程度的降低，目前我国也有了商品化的Zn-Al15合金热喷涂线材供应。根据龙泉港出海闸钢闸门的运行工况，其临海和临内河侧均可以选择Zn-Al15合金线材作为热喷涂材料。
　　Zn-Al15合金涂层与纯锌涂层和纯铝涂层相比，具有明显的优点：1.与纯锌涂层相比，Zn-Al15合金涂层的耐蚀性较高，在多种使用环境下，相同的涂层厚度有更长的防护寿命，同样在相同的设计防护寿命下，可以使用较薄的涂层厚度，这在经济性和施工效率上可以占优；2.与纯铝涂层相比，它的阴极保护效果更好，在涂层发生机械损伤情况下，仍可为钢铁基体提供可靠的保护（在海水环境下，这一优势特别重要）；3.与纯锌涂层相比，Zn-Al15合金涂层的力学性能好，耐磨损、抗冲刷能力强（杭州湾海域海水含沙量较多，海水涌浪对闸门的冲刷较强，需要涂层具有较好的力学性能）；4.该涂层的抗氧化性能好，腐蚀产物少，气孔率小，具有快速自封闭特性，外观较好；5.Zn-Al15合金喷涂施工时的沉积率较高，可达70％以上。
　　2.2主要参数选择与质量控制
　　2.2.1喷砂清基
　　热喷涂前钢闸门基体表面的预处理是关系到喷涂操作成败的关键一环。由于热喷涂涂层与钢基体主要是以互相镶嵌的机械方式结合，所以热喷涂涂层的结合强度直接取决于钢闸门的表面处理状态。经喷砂预处理后的基体表面应无油、无锈及其它污物，并有足够的粗糙度。考虑到龙泉港出海闸施工现场的喷砂磨料不能很经济地回收重复使用，在喷砂清基施工中拟选择天然石英砂磨料，粒度选择为12＃～18＃。磨料回收重复利用前，需经过筛分，清理其中的灰尘，并及时补充新的磨料，同时防止被污染的磨料再返回使用。
　　喷砂时砂束流与钢基体表面应成75o～90o的喷射角，操作方式为规则的单向移动。喷砂嘴到基体表面的距离，一般控制在100～300mm，根据喷嘴的口径及喷砂机的处理能力酌定。喷枪的移动速度，根据目视钢闸门表面的初始状态和喷砂后的表面质量，不断进行调整，过短和过长的喷砂时间，都不能得到理想的表面结构。
　　经喷砂处理后的钢闸门表面，最适宜的等级是Sa3级，呈灰白均匀金属色泽，表面粗糙度在50～80μm之间。
　　2.2.2喷涂施工
　　经喷砂处理后的钢闸门表面应尽快进行喷涂，理论上讲，其间隔时间越短越好。根据国标规定，在晴天和不太潮湿的天气，间隔时间不可超过12小时；在雨天，潮湿或含盐雾气氛下，间隔时间不可超过2小时，且喷涂操作需在室内或工棚中进行。喷涂施工时，环境大气温度需高于5℃或基体金属的温度至少比大气露点高3℃。由于停留时间过长或其它原因，致使基体表面明显变质时，应重做喷砂处理。
　　根据龙泉港出海闸的工作环境，查表可得，Zn-Al15合金热喷涂层的适宜厚度应选择为150μm。
　　由于电弧喷涂具有生产效率高、涂层结合强度高、能源利用率高和操作简便等优点，所以出海闸的热喷涂施工方法首选电弧喷涂。为了提高喷涂效率，锌铝合金线材直径规格宜选用3mm，线材卷绕状态和表面质量良好。喷涂锌铝合金时，工作电压宜选为28～30V之间，喷涂施工的最佳雾化空气的压力、送丝速度和喷枪移动速度，则要根据喷涂施工的实际情况合理调节。为保证喷涂过程中锌铝合金粒子获得适宜的飞行速度和粒子温度，喷涂距离应控制在150～250mm之间，在该范围内可以得到较好的涂层质量和喷涂效果。
　　2.2.3表面涂层
　　热喷涂表层的形成过程实际上是喷涂粒子在基体表面的沉积过程，基体本身的粗糙表面和粒子沉积的物理过程决定了喷涂层不可避免的存在涂层孔隙。由于龙泉港出海闸钢闸门的运行工况为海洋环境，为防止海水通过涂层孔隙腐蚀闸门基体，热喷涂结束后必须对锌铝合金涂层表面进行封闭处理。
　　龙泉港出海闸钢闸门锌铝合金喷涂层可采用环氧涂料作为封闭剂，操作方法为：在锌铝合金喷涂后，迅速用清洁的压缩空气清除喷涂层表面的污物和灰尘，再用磷酸进行表面预处理，然后用毛刷均匀涂抹经稀释的环氧富锌底漆1～2遍，待封闭剂完全固化后，再涂刷或者滚涂环氧树脂面漆。
　　3喷涂质量检验
　　根据国家标准，喷锌及锌合金检查项目中，外观质量检查、喷涂厚度检查、喷涂层与基体结合性能检查三项为必须检查项目。
　　外观质量检查以视觉检查和触觉检查为主，闸门喷砂清基、热喷涂、封闭剂涂刷、面漆施工等各个阶段，都应进行外观质量检查。
　　喷涂厚度检查在Zn-Al15合金热喷涂施工后进行，一般采用磁性测量法，该测量法是利用电磁原理测定磁性基体上无磁性涂层厚度的方法，磁性测量法使用的仪器有两种类型：一种是测量磁体与基体金属之间的磁引力，该磁引力由于覆盖层的存在而受到影响；另一种是测量通过覆盖层和基体金属磁通路的磁阻。
　　喷涂层与基体结合性能检查，一般采用切格试验法，其原理是使用锋利的刀具，从表面向基体切断涂层，将涂层分割成许多个小格子，然后在划格区域的表面粘贴胶带纸，再揭开胶带纸，检验被切割孤立的涂层是否与基体分离，以此判断涂层的结合性能。
　　4预期效果评估
　　用工程实例参照：1985年长江葛洲坝大型水工钢闸门，采用喷涂锌加涂料封闭防腐。1986年黄河龙羊峡大型水工闸门，采用喷涂铝加涂料封闭防腐。此外，江苏三河闸管理处采用热喷涂工艺对大型钢闸门进行大面积喷锌并加涂一层氯化橡胶铝粉漆。山东德州地区水利局在大型钢闸门上大面积喷铝，加涂一层沥青漆，大大提高了钢闸门的耐腐蚀性能，使用16年后检查涂层完好，预计寿命可超过30年，比原油漆涂层寿命提高6～10倍。
　　在其它钢结构的防腐蚀项目中，热喷涂技术也得到了大量的应用，上海磁悬浮列车轨道功能件是磁悬浮列车的重要部件，防腐面积达35万平方米。该项目按德国的要求，其轨道梁的防腐年限为80年，施工中全部采用热喷涂铝和Ac铝的复合涂层进行防腐处理，取得了良好的防护效果。
　　5结论
　　针对水工钢结构闸门的严重腐蚀环境，各种防腐方法各有优缺点，但总的来说，电弧喷涂铝或锌加封闭的复合保护涂层，同现有其它防腐方法比较，具有技术先进、涂层防腐寿命长久、20年内基本不需要进行任何防腐维护、可以现场施工、年均防腐费用低、经济合理等特点，是水工钢闸门等水工金属结构防腐蚀的优选方案。国内外应用热喷涂铝或锌来保护水工钢闸门已有较久的历史，其成功应用经验也充分证明了这一点。国内仍需加强钢结构长效防腐蚀技术的研究，并继续大力推广电弧喷涂长效防腐蚀技术。
　　
　　
　　参考文献
　　[1]张忠礼编著，钢结构热喷涂防腐蚀技术，化学工业出版社，2004年5月第1版
　　[2]曹楚南主编，中国材料的自然环境腐蚀，化学工业出版社，2005年1月第1版
　　[3]浦南东片出海闸及龙泉港南段河道工程，节制闸工程（0120－5标），工程设备报审表（1＃、2＃钢闸门）及内业资料，上海水利投资建设有限公司立卷