新疆伊犁特克斯河山口水庫中的材料制品腐蝕研究

王占華，宋江義，張小陽

（1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，鄭州450044；2.新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

新疆伊犁特克斯河山口水庫中的材料制品腐蝕研究

王占華1，宋江義2，張小陽1

（1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，鄭州450044；2.新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

目的了解不同涂層體系及金屬材料在新疆伊犁特克斯流域的腐蝕行為，為特克斯河流域水利開發提供設計依據。方法 通過實地投放金屬涂層制品、涂層體系及金屬材料，并按周期取樣觀察對比。結果獲得了8種金屬涂層、14種金屬與封閉涂層、5種富鋅涂料體系、10種復合涂層體系、2種碳鋼材料和5種不同不銹鋼和碳鋼面積比偶合件0.5，2 a的試驗結果。結論噴鋅層是該水庫中最適合的金屬涂層；環氧封閉是表現最好的封閉涂層；環氧富鋅是最好的富鋅底漆；氯化橡膠、環氧瀝青、環氧面漆、無溶劑耐磨環氧表面良好，適合用作面漆；脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆不適合用于水下；可復涂聚氨酯用作面漆應視涂層體系謹慎使用；碳鋼腐蝕速率和不銹鋼與碳鋼偶合件面積比之間存在顯性的線性關系，不銹鋼比例越大，碳鋼腐蝕速度越快；鍍鋅層對鋼絲繩有明顯的保護作用，比未鍍鋅鋼絲繩腐蝕較輕。

特克斯河山口水庫；涂層；金屬材料；腐蝕；不銹鋼與碳鋼焊接偶合件

KEY WORDS:Tekes River Shankou Reservoir; coatings; metal; corrosion; couple of stainless steel and carbon-steel;

“國家材料環境腐蝕平臺”是我國材料環境腐蝕數據積累的重要平臺。幾年來，“國家材料環境腐蝕平臺”各個試驗站通過材料投放開展了大量材料環境試驗[1—3]，積累的環境腐蝕數據和階段研究成果在國家重大建設防腐設計和選材、防腐規范與標準制訂、企業材料生產工藝的改進、產品質量的提高、以及新材料的研發等方面發揮了作用。鄭州黃河淡水試驗站是平臺的重要組成部分，承擔著我國淡水環境中材料環境腐蝕數據的積累任務。幾年來試驗站陸續開展了在三門峽水庫、新疆“635”水庫、江蘇小洋口入海口及揚州江都閘開展了材料環境腐蝕試驗[4—8]，為水利水電金屬結構防腐行業標準制修訂提供了依據。為了滿足特克斯河流域水利水電工程建設的需要，鄭州黃河淡水試驗站和新疆水利水電勘測規劃研究院合作進行了”新疆淡水流域自然環境材料腐蝕試驗”項目，在新疆伊犁特克斯河山口水庫開展了材料環境腐蝕試驗。根據試驗設計，山口水庫共投放涂層材料試樣37種，金屬材料試樣2種，不銹鋼與碳鋼不同面積比偶合件試樣5種，鋼絲繩和鍍鋅鋼絲繩對比各1種。試驗取樣周期為0.5，1，2，4 a，由于客觀條件和原因，取樣周期發生了變化。2014年度完成了伊犁特克斯河山口水庫中材料制品0.5，2 a取樣，現將0.5，2 a試驗結果總結分析如下。

1 試驗

1.1 試驗環境及水質

伊犁特克斯山口水庫位于伊犁鞏留縣，水質常年比較穩定，山口水庫一年度周期水質數據見表1。

表1 伊犁特克斯河山口水庫水質數據分析結果

從表1數據可以看出，水庫中水質相對較穩定。pH值在6.64～8.01之間，基本屬于中性范圍。電導率較低，變化也較小，常年在304～369 μS/cm之間。溶解氧則保持在9.96～16.69 mg/L范圍內。氯離子和硫酸根雖然不同月份變化較大，但總體含量較低。水溶物則更穩定，始終在0.204～0.244 mg/mL范圍內。總體來說，不同季節水質對材料腐蝕影響差別不大。

1.2 試樣制備及試驗方案

試驗方案考察各種涂料涂層的保護性能和金屬材料的自然腐蝕速率。金屬涂層包括鋅、鋁、鋅鋁合金、Ac鋁、鋅鋁假合金、鋁鎂合金、先噴鋅后噴鋁、先噴鋁后噴鋅等，厚度均為120 μm，噴涂采用電弧噴涂方式。金屬涂層加封孔涂層試樣選擇的金屬涂層包括噴鋅、噴鋁，厚度為120 μm，封孔涂料包括磷化底漆、環氧封閉、環氧云鐵、氯化橡膠、環氧瀝青等，封孔涂料厚度均為80 μm。富鋅涂料包括環氧富鋅、無機富鋅（硅酸鋰型）、無機富鋅（磷酸鋰型）等，涂料厚度均為80 μm。涂層及復合涂層系統中，金屬涂層包括噴鋅、噴鋁等，厚度為120 μm，中間漆為環氧云鐵，面漆包括可復涂聚氨酯、氯化橡膠、脂肪族聚氨酯面漆、環氧瀝青、環氧面漆、氟碳面漆、無溶劑耐磨環氧等。考察金屬自然腐蝕速率的碳鋼材料為16Mn，Q235B，304不銹鋼與Q235B碳鋼不同面積比偶合件。

試樣規格安裝按照GB 5776[9]要求，由水利水電三門峽防腐工程有限公司統一進行制作，涂料由某廠家統一提供。涂層試樣表面預處理清潔度達到GB 8923.1[10]中規定的Sa21/2，粗糙度等級達到GB/T 13288.1[11]規定的中級。每個試樣通過打孔進行唯一性標識，然后用銅棒固定在金屬構架上，試樣與試樣之間、試樣與銅棒之間用塑料套管絕緣。取樣后的涂層試樣進行定期觀察拍照，金屬試樣按GB 16545[12]標準規定的方法進行處理。

2 結果與討論

2.1 金屬涂層

表2中列出了幾種純金屬涂層0.5，2 a的腐蝕情況。從試驗結果可以看出，噴鋅層與先噴鋁后噴鋅涂層表面無明顯變化，但試驗2 a后觀察到先噴鋁后噴鋅表面仍覆蓋有鋅層，其更多的表現為鋅的性能，其效果還有待通過長期試驗進行觀察。其余噴鋁、鋅鋁合金、噴Ac鋁、鋅鋁假合金、鋁鎂合金、先噴鋅后噴鋁等含鋁金屬涂層均在2 a后出現了白色析出物。鋅涂層在淡水環境中發生電化學反應形成的腐蝕產物能夠順利從涂層表面脫落，可以對鋼鐵提供持續的電化學保護作用。含鋁涂層表面形成了完整致密的氧化膜，山口水庫中氯離子含量較低，不能持續破壞鋁表面的鈍化膜，因此，形成的腐蝕產物不易從涂層表面脫落，造成表面有很多的白色析出物，所以含鋁涂層不適合在山口水庫中應用。

表2 金屬涂層試驗結果

2.2 金屬涂層+封孔涂層

表3列出了金屬涂層+封孔涂料0.5，2 a的試驗結果。可以看出，噴鋅與磷化底漆、環氧清漆、環氧云鐵、氯化橡膠、環氧瀝青封孔涂料之間具有良好的配合，2 a后涂層表面均無明顯的變化。噴鋁使用磷化底漆、環氧云鐵、氯化橡膠、環氧瀝青封孔及Ac鋁使用環氧云鐵封孔時，2 a后均出現了明顯白色析出物，但二者用環氧清漆封閉時，噴鋁2 a未出現明顯變化，噴Ac鋁出現變色但未有白色析出物，說明環氧封閉封孔效果較其他涂料好。這是因為金屬涂層噴涂后一般都有15%～18%的孔隙率，涂層中含有大量的空氣，封閉涂料必須具有良好的滲透性能。相比其他涂層，環氧清漆和磷化底漆的滲透性更好。環氧清漆和磷化底漆相比和其他涂層配合時具有更好的層間結合力，因此，工程施工宜優先選擇環氧清漆。噴鋅與噴鋁涂層使用火焰噴涂時，0.5，2 a后表面均無明顯變化，與電弧噴涂結果相同，說明熱噴涂方式在兩年試驗期內對涂層腐蝕無明顯影響。

表3 金屬涂層+封孔涂料試驗結果

2.3 富鋅涂料+中間漆

表4列出了幾種富鋅涂料半年和二年的腐蝕情況。可以看出，富鋅涂料中環氧富鋅表現最好，2 a后無明顯變化，硅酸鋰型無機富鋅和磷酸鹽型無機富鋅0.5 a未出現明顯變化，但2 a后邊緣開始出現銹蝕現象，效果沒有環氧富鋅好。無機富鋅與環氧云鐵中間漆配合時，2 a后也出現了邊緣生銹，表現與單純的無機富鋅相似。環氧富鋅與環氧云鐵配合時，2 a后表面無明顯變化，其配合性也較好。環氧富鋅由于其成分環氧樹脂與聚酰氨樹脂進行固化反應形成的漆膜比無機富鋅致密性好，物理屏蔽性能大大提高，防腐效果更好。無機富鋅形成的涂層一般微觀多孔、屏蔽性能差、電化學極化率增大，容易造成涂層過早失效、涂層較厚時有裂紋傾向，硅酸鹽涂料還存在穩定性差的特點，形成的涂層容易凝膠，導致效果更差。

表4 富鋅涂料+中間漆試驗結果

2.4 涂層及復合涂層體系

表5列出了幾種涂層體系的面漆0.5，2 a的腐蝕情況。可以看出，可復涂聚氨酯下面有噴Ac鋁+環氧封閉、噴鋅+環氧封閉時，其涂層表面出現變色現象。下面有環氧富鋅底漆時，表面無明顯變化，但直接覆蓋在環氧云鐵表面時出現起泡現象，說明底涂層會對可復涂聚氨酯有一定的影響。根據以前其他項目的試驗結果[3]，不推薦水下環境使用可復涂聚氨酯面漆。氯化橡膠、環氧瀝青、環氧面漆、無溶劑耐磨環氧2 a后涂層均無明顯變化，適合用于水下。氟碳面漆、脂肪族聚氨酯面漆則出現了密集起泡，不適合在水下環境應用。氯化橡膠涂層具有分子量小、分子間隙小、水和氧氣滲透率低的特點，使其水下應用效果較好。環氧瀝青、環氧面漆、無溶劑耐磨環氧則是由于和固化劑進行固化反應時交聯度高，苯環結構使得其涂膜致密性好，在水下應用時具有很好的防水作用。聚氨酯涂料則由于其分子結構容易遇水發生水解反應產生二氧化碳氣體，在涂層表面容易產生氣泡。氟碳涂層中氟樹脂含量是影響其耐蝕性的重要成分，此外，在水下耐蝕性則與水質環境有很大的關系，施工質量好壞會影響其涂層表面是否產生氣泡等缺陷。

表5 復合涂層體系試驗結果

2.5 金屬材料

表6列出了金屬材料16Mn，Q235B，304不銹鋼與Q235B碳鋼偶合件0.5，2 a經計算后的腐蝕速率數據。

從表6可以看出以下幾點。

1）16Mn與Q235B相比，0.5 a時其腐蝕速率比Q235B略低，但相差不大。隨著時間延長，其腐蝕速率越來越接近。與周學杰等在長江中試驗的結果相比，兩種碳鋼材料腐蝕速率較低。腐蝕速率差異與試驗流速有關，由于長江水具有一定的流速，試樣表面的氧氣相對比較充足，而山口水庫中的水體相對靜止，試樣表面附近氧氣消耗后補充速度較慢。

表6 金屬材料0.5，2 a腐蝕數據

2）材料0.5 a腐蝕速率/2 a腐蝕速率比值相差很小，表明碳鋼材料在伊犁山口水庫中的腐蝕隨時間延長其變化規律基本一致，都隨著腐蝕產物的增加，阻礙了腐蝕的進一步發生，導致腐蝕速率越來越低。

3）不銹鋼和碳鋼焊接偶合件碳鋼部分腐蝕速率表明，不銹鋼占比越大，碳鋼腐蝕速率顯著增加。碳鋼腐蝕速率與陰陽極面積比值經偶合計算顯示出二者之間存在顯性的線性關系。0.5 a時腐蝕數據偶合結果為y=1.08301x+3.129，相關性系數R2為0.9954；2 a腐蝕數據偶合結果為y=0.6949x+1.3588，相關性系數R2為0.9919。該結果與黃桂橋等[13]在武漢長江水里面現場試驗結果相比，線性關系更加顯著。這可能是因為山口水庫中水質非常較好，試樣表面比較干凈，而在長江水中試驗時，試樣表面有藻類等微生物附著所致。因此，在工程實際中應減少不銹鋼與碳鋼偶合情況的出現，實在無法避免時，應通過結構設計盡量減少不銹鋼的面積比例，避免大陰極小陽極現象發生。

表7列出了鋼絲繩0.5，2 a以長度為單位計算的腐蝕速率情況。

表7 鋼絲繩0.5，2 a腐蝕速率數據

從表7可以看出，鍍鋅鋼絲繩0.5，2 a腐蝕速率均比同期未鍍鋅鋼絲繩低，且鍍鋅鋼絲繩表面未見鋼絲銹蝕，說明鍍鋅層對鋼絲繩保護作用明顯。因此 ，工程設計時，應盡量選擇鍍鋅鋼絲繩。隨著時間的延長，腐蝕產物增加阻止了腐蝕的進一步發生，其腐蝕速率也大大降低。

3 結論

從上述分析可知，通過材料及制品在新疆伊犁特克斯流域環境中的腐蝕試驗可以得出以下結論。

1）金屬結構表面防護體系選用金屬涂層時噴鋅效果最好，含鋁涂層不適合用于該流域水環境。

2）選擇金屬涂層的封閉涂層時，環氧封閉涂料效果最好，應優先選擇。

3）選擇富鋅底漆時，應選擇環氧富鋅，無機富鋅效果較差。

4）選擇涂層體系面漆時，氯化橡膠、環氧瀝青、環氧面漆、無溶劑耐磨環氧表現良好，均可應用；氟碳面漆、脂肪族聚氨酯面漆表面起泡，不適合用于水下；可復涂聚氨酯面漆與涂層體系有關，容易出現變色或起泡，應慎重選用。

5）16Mn與Q235B腐蝕狀況類似，在該水質環境中腐蝕速率比較接近。

Q235B與304不銹鋼焊接偶合試件中，碳鋼部分的腐蝕速率隨著陰陽極面積比值增大而增大。與陰陽極面積比值之間具有顯性的線性關系，半年時線性關系為y=1.08301x+3.129，相關性系數R2為0.9954，二年時線性關系為y=0.6949x+1.3588，相關性系數R2為0.9919。工程實際中應減少大陰極小陽極偶合現象的發生。

鍍鋅鋼絲繩腐蝕速率較未鍍鋅鋼絲繩腐蝕速率明顯降低，鍍鋅層對鋼絲繩的保護效果明顯，工程設計應盡量選擇鍍鋅鋼絲繩。

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Corrosion of Materials and Coatings in the Xinjiang Yili Tekes River Shankou Reservoir

WANG Zhan-hua1, SONG Jiang-yi2, ZHANG Xiao-yang2
(1. National Center of Quality Inspection & Testing for Hydro-Steel Structure, Ministry of Water Resource, Zhengzhou 450044, China; 2.Institute of Hydro-Power Investigation & Design of Xinjiang Province, Urumqi, 830000, China)

ObjectTo understand the corrosion characteristics of coating systems and metals in the Xinjiang Yili Tekes River to help design for water conservancy development of the Tekes River.MethodsSamples of metal coating product, coating system and metal material were put at site to sample, observe and compare in different periods.ResultsTest results on eight metal coatings, fourteen metal coatings with sealing, five zinc rich coatings, ten composite coatings, two carbon steel and five couples of stainless steel and carbon steel in half year and two years were obtained.ConclusionZinc coating is the best metal coating; epoxy sealer is the best sealer for metal coating; zinc rich epoxy is the best zinc rich coating; chlorinated rubber, epoxy asphalt, epoxy finish paint, solvent-free wear-resisting epoxy are suitable for using as top coatings; aliphatic polyurethane paint, fluorocarbon paint are not fit for using in water; recoatable polyurethane coating shall be used prudently according to the base coating; corrosion rate of carbon steel increases with the increase of stainless steel area, and typical linear relationship exists between corrosion rate of carbon and ratio of carbon area and stainless steel area; the larger the proportion of stainless steel, the faster the corrosion rate of carbon steel; the galvanized layer obviously protects wire rope. The corrosion of galvanized steel wire rope is less severe than that of ungalvanized steel wire rope.

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.014

TJ04；TG172.5

A

1672-9242(2017)02-0072-05

2016-10-30；

2016-11-03

王占華（1977—），男，河南長垣人，碩士，高級工程師，主要研究方向為淡水環境中的腐蝕與防護。

張小陽（1968—），男，河南商丘人，教授級高級工程師，主要研究方向為淡水環境中的腐蝕與防護。