鎂合金在金屬結構犧牲陽極陰極保護防腐中的應用研究

褚 奇，楊 崧

（常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000）

1 引言

常州市主城區“暢流活水”活動堰工程是運北主城區暢流活水系統工程的一部分，是營造城周水勢、增加入城水量、城內科學配水的重要工程，是滿足常州市東北部城區先期活水需求的核心內容。具體工程任務為：利用澡港河引江入城清水，增加入城水量，減少水量散失，提升引江入城效率；營造南北水勢，靈活調控古城區市河與關河、澡港西支與東支分流比，按需配水實現東北部城區自流活水；作為暢流活水系統工程中先期實施項目，實現總體目標中“重點區域（古城區、東北部城區）一年初步見效”的分步顯效任務。

常州市主城區“暢流活水”活動堰工程共包含四座活動堰，分別為盤龍苑、恐龍園、洋橋以及新市橋活動堰。該工程金屬結構主要包括：活動堰6 扇工作閘門及配套液壓啟閉機、活動堰檢修閘門及上述設備相應的埋件。活動堰均采用底軸驅動翻板式鋼閘門，其中盤龍苑、恐龍園活動堰為32 m 寬雙孔堰，洋橋活動堰為16 m 寬單孔堰，共5 扇；配套QRWY-2×630 kN/300 kN液壓式啟閉機共5 臺套，預留檢修門槽。新市橋活動堰為28 m寬單孔堰，共1 扇；配套QRWY-2×800 kN/400 kN 液壓式啟閉機共1 臺套，預留檢修門槽。為便于今后4 座活動堰工作閘門檢修，設置一套檢修閘門共用，檢修門形式為浮箱疊梁檢修門，共8 塊，上下游各4 塊。該工程于2018 年1 月開工實施，5 月底通過水下工程驗收。

2 活動堰工程中犧牲陽極保護方案的選擇制定

2.1 設計內容和設計要求

對6 扇活動堰工作閘門常年處于水下的部位進行犧牲陽極保護初步設計。設計要求為：有效保護期大于10 年；有效保護期限內，被保護的部位電位可達-0.85V～-1.15 V（參比電極：Cu/CuSO4）；有效保護期間內，被保護閘門外部與淡水接觸的內表面與閘門表面不產生任何銹蝕，保護度達95%以上，同時也可以消除閘門、螺栓等不銹鋼部件因淡水腐蝕造成的潛在危害。

2.2 閘門尺寸和水位條件

新市橋活動堰閘門平面尺寸為27.8 m×4.226 m，底軸中心高程-0.44 m，門頂高程4.20 m，上游側最高水位4.20 m，下游側最低水位3.40 m。

盤龍苑、恐龍園、洋橋活動堰閘門平面尺寸為15.8 m×4.186 m，底軸中心高程-0.30 m，門頂高程4.20 m，上游側最高水位4.20 m，下游側最低水位3.40 m。

2.3 犧牲陽極材料選擇

犧牲陽極材料的選擇以及陽極用量與鋼閘門所處水域水體的化學成分和電阻率以及鋼閘門表面涂層狀況等多種因素有關。通過計算閘門保護面積，根據實測上下游水質電導率及實驗室試驗數據和成功工程經驗，確定鋼閘門陰極保護電流密度；選擇犧牲陽極；計算犧牲陽極輸出電流，確定陽極用量；并根據陽極總質量復核陽極使用壽命。

閘門犧牲陽極材料采用鎂合金犧牲陽極，鎂陽極成分符合《鎂合金犧牲陽極》（GB/T 17731-2009）。

1）保護面積（表1）

表1 活動堰閘門數量及面積

2）保護電流密度的選取

參照《水電水利工程金屬結構設備防腐蝕技術規程》（DL/T 5358-2006）標準的規定，閘門與介質接觸的所有表現均涂有防護油漆，結合項目水質條件數據，故本方案保護電流密度選定為：Ii=15 mA/m2。

3）保護電流的計算

按照上述計算成本出的總面積和選定保護電流密度，計算總保護電流。

新市橋活動堰：I=Si×Ii=286×15=4290 mA

盤龍苑、恐龍園、洋橋活動堰：I=Si×Ii=165×15=2475 mA

4）犧牲陽極材料的選擇

現階段市場上主要采用的犧牲陽極材料為Al-Zn-In-Cd、Al-Zn-In-Si、Al-Zn-In-Mg-Ti，用電化學工作站測試電化學性能，按照陰陽面積比60∶1，陽極工作電流密度為1 mA/cm2，試驗時間為240 h，試驗介質為海水進行試驗。通過光譜分析法分析化學成分（見表2），用合金的主要成分計算三種犧牲陽極的理論容量，用1 mA/cm2的電流密度對三種犧牲陽極進行恒定電流放電，通過放電后的重量變化（見表3），計算出電流效率；通過電位測試，分析三種犧牲陽極的開路電位和工作電位隨時間的變化（見圖1、圖2）。試驗最終得出在三種犧牲陽極中，Al-Zn-In-Mg-Ti 犧牲陽極的電流效率最高，具有最負的的工作電位和開路電位，而且表面溶解均勻（見圖3），腐蝕產物松軟易脫落，陽極自身腐蝕小，材料來源充足，可為以后更新提供方便。

表2 3 種犧牲陽極的化學成分 單位：%

表3 犧牲陽極恒電流放電前后的重量變化

圖1 犧牲陽極開路電位隨時間變化的關系

圖2 犧牲陽極工作電位隨時間變化的關系

圖3 犧牲陽極材料表面的腐蝕形貌圖片

5）犧牲陽極規格尺寸的選擇

考慮到有效保護期限和每支陽極發生電流值，以及設備的結構特征。選用犧牲陽極規格尺寸為：500 mm×（115+135）mm×130 mm。

6）每支陽極發生電流值計算

7）犧牲陽極需要的塊數

參照標準計算公式：Ni=Ii×Si/If，并對稱均衡布置，陽極塊數量選用數量見表4。

表4 陽極塊數量表

8）犧牲陽極布置、安裝方式

鎂合金采用對稱均勻布置。鎂合金緊貼被保護的閘門以焊接的方式安裝。使鎂合金與閘門的接觸電阻穩定，使閘門的水利特性不被破壞，焊接位置近水水封壓板等易銹蝕部件,采用電弧焊接，焊接處采用原涂料修復。

3 金屬熱噴涂保護+犧牲陽極陰極保護在金屬結構制作安裝中的應用

本工程閘門防腐采用金屬熱噴涂保護+犧牲陽極陰極保護措施。

1）金屬熱噴涂保護先噴鋅在涂刷封閉漆，閘門主體鋼結構采用噴砂除銹，清除金屬表面鐵銹、氧化皮、油污、焊渣、飛濺、灰塵、水分等附著物，經處理后鋼材表面清潔度等級不低于《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB 8923-88）中規定的Sa2.5 級，表面粗糙度達到Rz40 μm～80 μm。金屬噴涂層應無溶滴、粗粒、掉塊、裂紋及其他影響使用的缺陷，最小局部厚度不小于設計值160 μm，附著力好，膠帶粘起不剝離。在涂料封閉時，涂漆的技術要求遵照SL 105 的規定執行，設計要求封閉漆層厚度為環氧漆30 μm，中間環氧云鐵防銹漆80 μm，外加氯化橡膠面漆90 μm。底漆、中間漆及面漆均采用高壓無氣噴涂，每層漆膜涂裝前應對上一層涂層外觀進行檢查。漆膜的外觀檢查：濕膜不得有曳尾、縮孔縮邊、起泡、噴絲、發白失光、浮色、流掛、滲色、咬底、皺皮桔皮等弊病；干膜不得有白化、針孔、細裂龜裂、回粘、片落剝落脫皮等弊病。漆膜拜最小厚度值不低于設計厚度的85%。

2）犧牲陽極陰極保護。現場在閘門上清除需要焊接鎂合金防腐塊的防腐涂層，焊接鎂合金塊，逐一檢查是否焊接牢固，導電接觸是否良好，確保陽極鐵腳焊接處焊縫飽滿，無虛焊、漏焊現象，焊縫處用鋼絲刷除去焊接浮渣，對油漆破損處再用氯化橡膠漆涂刷兩遍。

整個閘門的防腐工藝質量滿足《水利金屬結構防腐蝕規范》（SL 105-2007)規范要求，洋橋活動堰現場照片見圖4。

圖4 洋橋活動堰現場照片

4 結論

隨著城市防洪大包圍和引清活水的調度需要，常州市水利工程數量較多，鋼閘門基本已經全面替代了傳統的老式混凝土閘門或者鑄鐵閘門。雖然鋼閘門具有結構靈活、堅固耐用的特點，但是在部分水體污染、水質惡化較重的環境中，鋼閘門存在易受腐蝕的情況，特別是閘門制作安裝時的焊接處理、防腐涂料的吸水、透氣性，均是產生腐蝕的隱患，陰極保護技術正在逐步推廣。鎂合金犧牲陽極陰極保護雖然相對傳統防腐技術一次性投資較大，但是設計壽命長，對于長期處于水下工作，維修養護條件困難來說，從長期防腐的綜合費用來看還是經濟高效的。希望此次在主城區“暢流活水”活動堰工程中運用該技術，能夠為以后各類水利工程金屬結構的設計運用、老閘改造的技術創新提供參考。