江蘇淮河流域水利工程腐蝕與防護(hù)方案應(yīng)用研究

王占華，吳舒海，王守香，張小陽

(1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南 鄭州 450044;2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127;3.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225003)

江蘇淮河流域水利工程腐蝕與防護(hù)方案應(yīng)用研究

王占華1，吳舒海2，王守香3，張小陽1

(1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南 鄭州 450044;2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127;3.江蘇省水利機(jī)械制造有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225003)

通過選取水利工程常用的碳鋼材料、不銹鋼材料、金屬涂層及涂料涂層體系等形成了幾十種配套方案,在江蘇淮河金灣閘淡水及小洋口擋潮閘海淡水環(huán)境進(jìn)行了為期1年的實(shí)際環(huán)境試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明:含鋁涂層在淡水及海淡水環(huán)境下應(yīng)盡量避免使用,封閉漆應(yīng)選用環(huán)氧封閉漆,2種水質(zhì)環(huán)境下對(duì)面漆耐水性要求較高,單純的涂料涂層在2種水質(zhì)環(huán)境下均發(fā)生了失效,普通不銹鋼C r 13在2種水質(zhì)環(huán)境下均出現(xiàn)了腐蝕失重,Q 460q (St e 355)在小洋口海淡水環(huán)境腐蝕速率比金灣閘淡水環(huán)境快很多。

江蘇淮河;腐蝕與防護(hù)方案;淡水;海淡水

為準(zhǔn)確了解淮河流域材料腐蝕狀況，設(shè)計(jì)執(zhí)行了“江蘇淮河流域水利工程腐蝕與防護(hù)方案應(yīng)用研究”項(xiàng)目。結(jié)合江蘇淮河流域水利工程金屬結(jié)構(gòu)防腐特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了常用的金屬防護(hù)涂層體系、金屬涂層及其封閉體系、常用涂料涂層、金屬材料及涂料復(fù)合保護(hù)體系、新涂料應(yīng)用體系等共39種進(jìn)行比較;試驗(yàn)也選擇了3種常用碳鋼材料及4種不銹鋼金屬材料進(jìn)行自然環(huán)境下腐蝕規(guī)律研究。

根據(jù)試驗(yàn)安排，本項(xiàng)目試驗(yàn)選取揚(yáng)州市江都金灣閘和南通小洋口入海口攔潮閘處作為試樣投放位置，其水質(zhì)可分別代表淮河流域淡水環(huán)境、海淡水交界環(huán)境。

于2012年底完成了試樣及試樣架制作，并于2013年4月初完成了試樣投放工作。試驗(yàn)周期設(shè)定為1、2、3、4年。按照取樣計(jì)劃，2014年4初月完成了1年試驗(yàn)周期取樣工作。現(xiàn)將1年試驗(yàn)時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)分析，供同仁參考指正。

1 試驗(yàn)環(huán)境及水質(zhì)情況

在表1及表2中列出了江都金灣閘、小洋口入海口攔潮閘部分水質(zhì)數(shù)據(jù)。

從表1-2中可以看出，江都金灣閘水質(zhì)比較穩(wěn)定，不同季節(jié)的變化不大，pH保持弱堿性，為7.7～8.3;總硬度保持在127～163m g/L、溶解氧在5.1～12.2m g/L、氯離子在39.5～53.6m g/L、硫酸鹽在34.7～47.3m g/L、化學(xué)需氧量在16.7～ 20.0m g/L;小洋口擋潮閘水質(zhì)數(shù)據(jù)看也比較穩(wěn)定，pH值始終呈弱堿性，保持在7.57～7.81之間，懸浮物、溶解氧、總氮和化學(xué)需氧量也基本一致;可以認(rèn)為水質(zhì)對(duì)試樣腐蝕速率的影響在整個(gè)投放期間基本不變。

表1 江都金灣閘水質(zhì)(節(jié)選)

表2 小洋口港攔潮閘水質(zhì)(節(jié)選)

2 試樣制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案以考察各種涂料涂層的保護(hù)性能和金屬材料的自然腐蝕速率為主。金屬涂層包括鋅、鋁、鋅鋁合金(Z nA l 15)、鋅鋁假合金、鋅鋁合金(Z n-A l)、先噴鋅后噴鋁、先噴鋁后噴鋅，厚度均在120μ m左右。金屬涂層保護(hù)系統(tǒng)選擇的金屬涂層包括噴鋅、噴鋁，厚度在120μ m左右，選擇的封孔涂料包括磷化底漆、環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵、氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、環(huán)氧聚氨酯、丙烯酸聚氨酯、氟碳面漆，封孔涂料厚度均為80μ m。復(fù)合涂層系統(tǒng)采用的金屬涂層包括噴鋅、噴鋁，厚度在120μ m左右，選擇的底漆為環(huán)氧富鋅，中間漆為環(huán)氧云鐵，面漆包括氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、環(huán)氧聚氨酯、丙烯酸聚氨酯、氟碳面漆。為了考察單獨(dú)使用涂料的可行性，還設(shè)計(jì)了幾種涂料配套及單一涂料試驗(yàn)，涂料配套選用的底漆為環(huán)氧富鋅、中間漆為環(huán)氧云鐵、面漆分別為氯化橡膠、環(huán)氧面漆、丙烯酸聚氨酯、環(huán)氧聚氨酯、氟碳面漆，每道涂層均為80μ m，選擇的單一涂料包括改性環(huán)氧600、環(huán)氧焦油、改性環(huán)氧60、環(huán)氧600+玻璃鱗片、低表面環(huán)氧樹脂漆、氯化橡膠、環(huán)氧面漆、丙烯酸聚氨酯、環(huán)氧聚氨酯、氟碳，涂層厚度240μ m。考察金屬自然腐蝕速率的碳鋼材料為Q 235B、Q 345、Q 460q(St e 355)，不銹鋼材料為304、316L、C r 17、C r 13。

試樣規(guī)格安裝按照GB5776［1］要求，由江蘇省水利機(jī)械制造有限公司統(tǒng)一進(jìn)行制作，涂料由某廠家統(tǒng)一提供。涂層試樣表面預(yù)處理清潔度達(dá)到GB 8923［2］中規(guī)定的 Sa 2，粗糙度等級(jí)達(dá)到 GB/T 13288［3］規(guī)定的中級(jí)。每個(gè)試樣通過打孔進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí)，然后用銅棒固定在金屬構(gòu)架上，試樣與試樣之間、試樣與銅棒之間用塑料套管絕緣。涂層試樣進(jìn)行定期觀察，金屬試樣按 GB16545［4］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 各種涂層系統(tǒng)在2種環(huán)境中的保護(hù)作用比較

3.1.1 純金屬涂層

表3列出了幾種純金屬涂層的1年試驗(yàn)結(jié)果，從結(jié)果中可以看出:單純金屬涂層在不封閉的情況下只有噴鋅涂層在2種水質(zhì)環(huán)境中表現(xiàn)出了明顯的電化學(xué)保護(hù)作用，試樣外觀沒有失效現(xiàn)象，但消耗非常明顯，應(yīng)用時(shí)必須與涂料涂層配合使用。先噴鋅后噴鋁涂層在金灣閘也表現(xiàn)出了一定的電化學(xué)保護(hù)性能，涂層未出現(xiàn)明顯變化，但在小洋口攔潮閘處則出現(xiàn)了較多析出物。噴鋁、鋅鋁合金、噴A c鋁、鋅鋁合金(Z n-A l 50)先噴鋁后噴鋅等含鋁涂層試驗(yàn)后表面均出現(xiàn)了較多白色析出物，部分有脫落生銹。涂層表面白色析出物為鋁的腐蝕產(chǎn)物，原因是腐蝕發(fā)生后，在鋁表面形成鈍化膜使得涂層進(jìn)一步消耗受到了阻礙，失去對(duì)鋼鐵的保護(hù)性能，說明含鋁涂層在江蘇淮河淡水及海淡水環(huán)境中應(yīng)盡量避免直接應(yīng)用［5］，與在三門峽水庫和新疆“635”水庫中結(jié)果一致［6，7］。含鋁涂層在海淡水環(huán)境中也出現(xiàn)白色析出物，說明在小洋口入海口處海淡水環(huán)境中的氯離子還不能夠連續(xù)破壞鋁的鈍化膜，促進(jìn)其消耗溶解進(jìn)而對(duì)鋼鐵提供電化學(xué)保護(hù)作用。

表3 金屬涂層1年試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 金屬涂層與封閉涂料

表4列出了金屬涂層封閉1年后的試驗(yàn)情況，從表4中可以看出，金灣閘淡水環(huán)境中以鋅為基底金屬時(shí)，幾種封孔涂料表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)明顯的失效現(xiàn)象，以鋁為基底時(shí)，環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵表現(xiàn)良好，其余均出現(xiàn)了失效現(xiàn)象;小洋口海淡水環(huán)境中以鋅為基底時(shí)，環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵、氯化橡膠、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆表現(xiàn)良好，其余出現(xiàn)失效現(xiàn)象;以鋁為基底時(shí)均出現(xiàn)了失效現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果說明封閉涂料性能不僅與應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，也與基底金屬具有十分緊密的聯(lián)系。實(shí)際選擇時(shí)，以環(huán)氧封閉、環(huán)氧云鐵效果最好。

表4 金屬涂層封孔涂料1年試驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 金屬涂層與涂料復(fù)合保護(hù)體系

該體系考察面漆耐水性，試驗(yàn)選定的底漆與中間漆相同，均為環(huán)氧富鋅漆與環(huán)氧云鐵中間漆。表5列出了金屬涂層與涂料復(fù)合保護(hù)體系1年試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果來看，這幾種面漆在基底金屬?zèng)]有進(jìn)行封閉的情況下，以鋁為基底時(shí)，2種水質(zhì)環(huán)境下，全部面漆出現(xiàn)了起泡失效現(xiàn)象;以鋅為基底時(shí)，環(huán)氧瀝青、環(huán)氧面漆、氟碳面漆在兩種水質(zhì)環(huán)境中表現(xiàn)良好，氯化橡膠丙烯酸聚氨酯出現(xiàn)了起泡失效現(xiàn)象;環(huán)氧聚氨酯面漆則在金灣閘淡水環(huán)境中表現(xiàn)良好，在小洋口海淡水環(huán)境中，則出現(xiàn)失效。

表5 金屬涂層及涂料復(fù)合保護(hù)體系1年試驗(yàn)結(jié)果

3.1.4 單獨(dú)涂料保護(hù)體系

單獨(dú)涂料保護(hù)體系考察不采用金屬涂層的防腐性能。表6列出了幾種單獨(dú)涂層1年試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果看，環(huán)氧體系中除了環(huán)氧聚氨酯出現(xiàn)失效，其余均表現(xiàn)良好，氟碳涂料表現(xiàn)良好;氯化橡膠、丙烯酸聚氨酯則出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，與金屬涂層及涂料涂層試驗(yàn)結(jié)果基本一致。氯化橡膠面漆出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，說明這2種水質(zhì)環(huán)境對(duì)面漆的耐水性具有非常高的要求，也可能與試樣制作質(zhì)量、配套采用的涂料品種有關(guān)。

表6 單獨(dú)涂料保護(hù)體系1年試驗(yàn)結(jié)果

3.2 金屬材料在2種水質(zhì)環(huán)境中的腐蝕

3.2.1 常用碳鋼材料在2種水質(zhì)環(huán)境中的腐蝕

圖1為3種碳鋼材料在金灣閘及小洋口2種水質(zhì)環(huán)境中1年的腐蝕情況。從圖1中可以看出:

(1)Q 235B、Q 345及Q 460q(St e 355)與在江都金灣閘水質(zhì)環(huán)境中腐蝕比較接近。腐蝕速率基本相同。

(2)Q 235B、Q 345和Q 460q(St e 355)在小洋口港海淡水交界水質(zhì)環(huán)境中腐蝕程度比較接近，腐蝕速率基本相同;而Q 460q(St e 355)在海淡水環(huán)境中腐蝕速度明顯比 Q 235B及 Q 345高很多，約為其2.5倍。

(3)Q 235B、Q 345在上述淡水及海淡水環(huán)境中腐蝕速度基本一致，但Q 460q(St e 355)在海淡水環(huán)境中腐蝕速率約為在淡水環(huán)境中腐蝕速率的2.5倍。

由于金灣閘水質(zhì)基本穩(wěn)定，且為弱堿性，流速也較小，生成的腐蝕產(chǎn)物不易溶解，對(duì)碳鋼材料Q 235B、Q 345及Q 460q(St e 355)腐蝕速度影響基本差不多;小洋口閘試樣掛片位置海淡水交替，海水也屬于弱堿性，pH值也在7.8，故Q 235與Q 345碳鋼腐蝕速度與淡水中差不多，但Q 460q(St e 355)屬于低合金高強(qiáng)度鋼材，在海淡水環(huán)境中電導(dǎo)率接近海水，電偶腐蝕效應(yīng)更明顯，進(jìn)而導(dǎo)致 Q 460q (St e 355)腐蝕速度大大增加。

圖1 碳鋼在2種水質(zhì)環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)

3.2.2 不銹鋼在兩種水質(zhì)環(huán)境中的腐蝕

圖2為常用的304、316L、C r 17、C r 13不銹鋼在2種水質(zhì)環(huán)境中1年的腐蝕情況。從圖2中可以看出:

(1)304、316L、C r 17這3種不銹鋼在2種水質(zhì)環(huán)境中均沒有明顯的失重現(xiàn)象，可以認(rèn)為這3種材料在這2種水質(zhì)環(huán)境中是比較耐蝕的，可以單獨(dú)應(yīng)用，與不銹鋼在三門峽水庫腐蝕情況類似［8］。

(2)C r 13不銹鋼在2種水質(zhì)環(huán)境中均出現(xiàn)了明顯的失重，這與其耐蝕成分C r含量不夠高，無法形成連續(xù)鈍化保護(hù)膜有關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎。

圖2 不銹鋼在2種水質(zhì)環(huán)境中的腐蝕規(guī)律

4 結(jié)論

針對(duì)江蘇淮河流域金灣閘淡水及小洋口海淡水水質(zhì)特點(diǎn)，通過試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論。

(1)噴鋅對(duì)于鋼鐵基底能夠提供良好的電化學(xué)保護(hù)作用，推薦應(yīng)用;含鋁涂層包括噴鋁、A c鋁、鋁鎂合金、鋅鋁合金、先噴鋁后噴鋅在兩種水質(zhì)環(huán)境中均不宜使用;先噴鋅后噴鋁在淡水環(huán)境中可以使用。

(2)金屬涂層的封閉涂層推薦采用環(huán)氧封閉漆及環(huán)氧云鐵，其它涂料不適合直接在金屬涂層上使用。

(3)金屬涂層與涂料涂層配合時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇環(huán)氧面漆、環(huán)氧瀝青、氟碳涂層。

(4)除了氯化橡膠、環(huán)氧聚氨酯、丙烯酸聚氨酯涂料及其配套體系出現(xiàn)起泡失效外，所選擇的幾種單純的涂料涂層或涂層體系在試驗(yàn)過程中表現(xiàn)良好，說明2種水質(zhì)下單純應(yīng)用涂料涂層具備一定的可行性，其效果還有待后續(xù)檢驗(yàn)。

(5)Q 235B與Q 345在2種環(huán)境中腐蝕速率基本一致，Q 460q(St e 355)在海淡水環(huán)境中腐蝕速率約為淡水環(huán)境中2.5倍。

(6)304、316L、C r 17在2種水質(zhì)環(huán)境中沒有發(fā)生明顯的腐蝕，C r 13在海淡水環(huán)境中的腐蝕速率約為淡水環(huán)境中的2倍。

［1］GB5776-2005.金屬和合金的腐蝕 金屬和合金在表層海水中暴露和評(píng)定的導(dǎo)則［S］.

［2］GB8923.2-2008.涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的目視評(píng)定方法［S］.

［3］GB/T13288.1-2008.涂覆涂料前鋼材表面處理 噴射清理后的鋼材表面粗糙度特性 第一部分:用于評(píng)定噴射清理后鋼材表面粗糙度的I SO表面粗糙度比較樣塊的技術(shù)要求和定義［S］.

［4］GB16545-1996.金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除［S］.

［5］江寧，王占華，張小陽，等.水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)及行業(yè)質(zhì)量管理發(fā)展概況［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2010(06).

［6］王占華，張小陽，楊建良.金屬材料及防護(hù)涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)研究及應(yīng)用(二)［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2009 (02).

［7］張小陽，關(guān)新成，王占華.金屬材料及防護(hù)涂層在兩種淡水環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2006(05).

［8］王占華，張小陽，楊建良.金屬材料及防護(hù)涂層在淡水環(huán)境中的腐蝕試驗(yàn)研究及應(yīng)用(一)［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2009 (01).

T G 174.445

A

1008-1305(2016)05-0030-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.013

2015-10-20

王占華(1977年—)，男，高級(jí)工程師。