关于水工金属结构腐蚀与防腐蚀的浅析

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摘要 本文通过了解金属结构的腐蚀原理，认识到腐蚀决定金属结构的服役寿命，对结构的运行、稳定、安全有严重影响，由此深入理解控制腐蚀的重要性。

关键字 水工金属结构 腐蚀 防腐蚀 保护膜

1 概述

水利水电工程中的各类钢结构和机械设备及通航建筑物闸门、承船厢、活动钢桥等装置同属水工金属结构。水工金属结构的特点是，长期暴露于空气或处于水下环境中，没有有效保护时，表面就会发生化学反应而变质，即金属结构腐蚀。而空气中或水中有各种化学物质，更易产生电化学作用时，腐蚀更为严重。由于金属结构受腐蚀影响，导致结构有效截面的削弱，产生局部锈坑，引起应力集中，促使结构失稳。为了控制金属结构的腐蚀，应用涂装工艺对金属结构进行防护，形成有效的保护膜。

2 金属结构的腐蚀

2.1 金属结构腐蚀原理

当金属结构暴露于潮湿及有氧的环境中，铁将趋于回复成原来的形态。可用下式简单表示：

金属结构腐蚀最直观的就是铁锈，铁锈是铁氧化物的水合物，其成分类似于赤铁矿，因此说明一般情况下金属容易生锈。

金属暴露于潮湿空气中就会生锈，然而金属处于不同的环境中腐蚀的速率不同。

金属与合金暴露在相同的环境中，腐蚀速率也不同，因为与空气中的氧气所进行的腐蚀反应在金属表面形成一层氧化膜，对金属或合金起或不起保护作用。金属或合金的腐蚀速率通常取决于氧化膜以及它们保护金属不受外界环境影响的能力。说明表面膜决定腐蚀速率。

2.2 水工金属结构腐蚀主要类型

2.2.1 大气腐蚀

暴露在大气中金属结构，遇到空气中的氧气和水气，就会引起结构表面的腐蚀。如果空气相对湿度达到70%以上，并且空气中含少量酸性杂质等污染物的情况下，腐蚀会更加严重。

金属结构的尺寸、形状及朝向均在一定程度上影响其腐蚀速率。

铁锈是金属结构腐蚀过程的产物，其体积比生成它的金属铁的体积更大，对于金属板来说，在缝隙或重叠处生锈时会引起金属板翘曲，在涂层膜下生锈会导致涂层起泡或者裂开。

2.2.2 水的腐蚀

水工金属结构多数处于水下或水位变动区，其腐蚀取决于水中含氧的多少。在无氧条件下，一般不会发生水腐蚀。由于水环境本身很复杂，在水下多发生磨蚀、冲击和空蚀。金属结构在水中的腐蚀一般是均匀的，但由于水流速的影响，金属表面会发生很严重的点腐蚀。

2.2.3 细菌腐蚀

细菌腐蚀是当金属在含有硫酸盐的土壤中腐蚀时，阴极反应的氢将硫酸盐还原为硫化物，硫酸盐还原菌利用反应的能量进行繁殖从而加速金属腐蚀的现象。如果金属结构所处的环境中存在硫酸盐还原菌，那么金属结构的腐蚀会在无氧条件下进行。这种细菌存在于黏土、泥浆、淤泥以及海水中，带有明显的硫化物气味，会在金属表面产生黑色的腐蚀产物。如果涂层有孔隙或被破坏，那么细菌会对金属结构起到破坏作用。

3 金属结构腐蚀控制

鉴于水工金属结构运行环境的特殊性，确保它的完整和安全，降低金属结构腐蚀，延长其服役寿命，需要采取措施。防腐蚀方法有涂料防护、喷镀保护、电化学保护等，目的是在金属结构表面形成保护膜（涂层），在进行这些操作之前需要对金属结构进行表面处理。

3.1 表面处理

金属结构表面残留的油、油脂、切削油、聚硅氧烷等污物将会削弱随后涂层的附着力。还有由于高温轧制金属板会在表面形成多层氧化皮（主要是铁氧化物），会严重影响金属结构系统的使用寿命，需要清除可见和可以察觉的氧化皮。

表面处理质量由表面清洁度、粗糙度以及表面缺陷和焊缝控制。表面铁锈、溶于水的沾污物、不溶于水的沾污物需要全部清除。如果表面处理太光滑，则会削弱附着力，如果太粗糙又会使结构的突起部分不能充分的涂装，所以要控制表面处理粗糙度。

表面处理方法主要有常规的脱脂、手工及动力工具清理、喷砂处理。

3.2 涂料防护

涂料防护是目前普遍采用的防护方法，涂料的涂装对结构构件的寿命具有重要的影响。涂料涂装在构件表面形成保护膜，使金属结构与环境隔离。

涂料主要由以下成分组成：

第一，黏结剂，是成膜物质，提供必要的力学和物力性能使涂层具有良好的耐久性、附着性、柔韧性和不透水性。

第二，颜料，提高涂膜的硬度和耐磨性并且降低涂膜的透水性，防护涂膜受紫外线照射。

第三，溶剂，溶剂把涂料的黏度降低到一个可以施工的水平，利于涂料的涂装。

大多数涂料的单层涂装并不能起到保护金属制品的作用，一般需要复合涂层来达到防护的目的。

第一，底漆--是整个涂层系统的基础，必须能够润湿表面且具有与结构良好的附着性能。主要有环氧基二乙烯红丹和醇酸红丹。

第二，中间漆--没有活性，构成整个涂层系统的厚度。

第三，面漆--保护系统免受环境因素影响，并提供主要的耐磨蚀性能。主要有沥青铝粉漆、醇酸铝粉漆等。

底漆主要有富锌颜料和防锈颜料，其中富锌颜料多应用于浸入海水中的钢构件；广泛的应用与油性涂料中的防锈颜料是红丹，对构件生锈的表面起到很好的保护作用。

对于水工钢结构，涂装方法主要有手工涂装、喷涂。

大多数涂料对人的身体有害，且容易造成环境污染，使用的溶剂通常可燃，所以在整个操作过程中需要注意安全预防措施和步骤。

3.3 喷镀保护

水工金属结构目前主要采用热浸镀和喷镀两种方法。

热浸镀主要有热浸镀锌，是通过一套专用的设备将锌丝熔融喷射到金属结构表面上，成为均匀覆盖的镀锌层，起到防护作用。

喷镀的金属主要有锌、铝，金属镀层是纯金属的，不含黏合剂或溶剂。

金属镀层使金属结构具有耐蚀能力的原因主要是在于起到对环境的阻隔作用，其有效程度取决于镀层的厚度及其抵抗外界环境侵蚀的能力。

金属喷镀已在很多工程中应用，效果明显优于涂料涂装，简单且易于控制，防护寿命长并可预测，由于喷镀后无需干燥，装卸较为容易，具有较好的耐磨性。

然而金属镀层操作环境要么是在高温下，要么是喷出金属粉末，需要注意安全措施。

3.4 电化学保护

近年来对长期处于水下部分的金属结构，有的工程正在试验应用电化学保护法，较常用的有外接电源阴极保护法，是一种应用有限的防护腐蚀的方法。

阴极保护法包括牺牲阳极法和外加电流法，应用于多种重要的结构件，尤其是近海结构。存在合适导电性的电解液时，主要应用范围水下金属结构、埋入地下金属结构等。

4 结论

近年来，随着水电事业的不断发展，金属结构的应用会越来越多，水工金属结构投入运行后，随着时间的推移，腐蚀必然发生，结构实际运行寿命很短，为了能使结构服役寿命更长，防腐蚀是极其需要的，以后设计中更应该应用先进的防腐措施，以节省资源，降低投资。

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