聚合物材料在闸门门槽修补中的应用

彭 渊,傅永平

(1.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省绍兴县塘闸管理处,浙江 绍兴 312000)

1 问题的提出

水闸是为城市供水、工农业生产供水、防洪、防潮、排涝等方面服务的重要基础设施,在经济社会发展中发挥着重要作用。当前,我国水闸大部分建于20世纪50—70年代,限于当时的经济、技术条件,普遍存在建设标准低、工程质量差、配套设施不全等先天性问题。投入运行后,由于长期缺乏良性管理体制与机制,工程管理粗放,缺乏必要的维修养护,加之近年来全球气候变化,极端天气事件频发,水闸遭受地震、泥石流、洪水等超标准负荷,加剧了水闸病险程度。在全国近4.1万座小 (1)型以上水闸中,有2/3以上存在不同程度的病险情况,存在着重大安全隐患,已成为我国水利工程体系中的薄弱环节。

目前我国水闸存在的病险种类繁多,除了超设计使用年限、工程建设先天不足等因素外,环境污染也是主要因素。由于河道水质污染日趋严重以及部分水闸地处沿海地区,水闸运行环境极为不利,受废污水腐蚀和海水锈蚀而造成闸门及门槽埋件等金属结构的锈蚀成为主要病险问题之一,需进行更换或者修补。但因水闸年代久远,结构单薄,对闸门埋件及门槽埋件等金属件进行更换,会对闸门门体或者闸墩混凝土局部结构造成破坏,更换难度大,严重时会对水闸整体结构造成影响。因此对于锈蚀不太严重、更换困难的金属件,选择合适的金属修补材料对其进行修补,延长其使用寿命是一条可行的途径。

2 闸门及门槽金属件腐蚀的原因

金属在水溶液中的腐蚀反应是由金属氧化为金属离子和溶液中去极化还原这一对共轭电化学反应构成的。

沿海地区水闸长期受海水影响,海水是含盐量很高的电解质溶液,金属在海水中发生氧去极化腐蚀,氧含量和海水流速等因素加快了腐蚀速度。内陆地区水闸的金属件受当地的大气和河水水质的影响,也会有不同程度的腐蚀。如大气或水体中存在二氧化硫、三氧化硫、硫化氢、氯化物和氨时,都会明显促进金属的腐蚀。

水闸金属材料所处的水上与水下的各个部分环境条件不同,其腐蚀情况也不同,一般分为大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和泥浆区。其中飞溅区浪花飞溅,忽干忽湿,表面积存的盐分要高得多,浪花泡沫携带着空气使氧气含量增高,是对金属腐蚀最严重的区域,如果不加防腐处理则腐蚀速度可达到0.5～1.0 mm/a,为海水全浸区的5～10倍。

3 聚合物金属修补材料

因受当时的技术和经济条件的限制,以往除险加固的水闸中常见的闸门及门槽金属件,按材料大致可分为普通钢材和铸铁件。对于锈蚀不太严重的普通钢材的修复,尤其是门槽埋件可以采用埋件除锈后外侧焊接不锈钢板,最后在埋件表面进行防腐蚀处理的方法。但对于铸铁件,本身是脆性材料,含碳量高,塑性差,组织不均匀,焊接性很差,容易出现白口组织、裂纹和气泡的缺陷,不适合采用外焊接不锈钢板的修复方法。

随着材料科学的发展,高分子聚合物材料的出现为铸铁件的修补提供了途径。聚合物材料—环氧树脂具有良好的物理化学性能,被广泛地应用于设备材料的修复中。

3.1 环氧树脂的结构与特点

环氧树脂是指1个分子中含有2个或2个以上环氧基的树脂,它是具有环氧基的化合物与多元羟基化合物进行缩聚反应生成的热塑性高分子预聚体。其优点是对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度、机械强度高;固化时无小分子生成,因而密度大、固化收缩率低;耐腐蚀性能、电绝缘性能良好;耐热性能、耐水性能好;固化成型方便。缺点是耐温和耐碱性较差,但若对其予以改性,应用范围将有很大的扩展。

3.2 改性环氧修补材料的配置

工程应用中为使环氧树脂性能满足要求和方便施工操作,需对环氧树脂基材进行改性,以提高其性能。改性过程中在环氧树脂中添加固化剂、稀释剂、填料和改性剂等添加剂。

环氧树脂选用黏结性能好的中等环氧值(0.25～0.45)的树脂,如6101、634#;固化剂是必不可少的添加剂,否则环氧树脂不能固化,要求固化剂耐腐蚀性好,常用的环氧树脂固化剂有脂肪胺、脂环胺、芳香胺等;改性剂的作用是为了改善环氧树脂的鞣性、抗剪、抗弯、抗冲、提高绝缘性能。不同的改性剂有不同的作用,此次选用650#聚酰氨树脂以提高抗冲击鞣性;填料的作用是改善制品的性能,也可以减少环氧树脂的用量,降低成本,可选用铁粉、锌粉、钛粉和水泥作为填料。由于填料粒径较小,分散性良好,能很好地分散于改性环氧树脂中,强度很高,可以调高材料的硬度;稀释剂的作用是降低黏度,改善树脂的渗透性。稀释剂可分惰性及活性2大类,用量一般不超过30%。

3.3 改性环氧树脂修补材料防腐蚀作用机理

环氧树脂本身具有耐腐蚀性能。作为金属表面的修补材料,它不仅仅是机械地把腐蚀介质和金属表面隔离开起到保护作用,而且还由于成膜物的性质以及各种助剂等方面的因素,使修补材料具有物理和电化学的保护作用。

(1)屏蔽作用。在于防止外界的腐蚀介质接触修补材料下的金属表面,避免了金属的腐蚀。

(2)缓蚀、钝化作用。材料中除含有成膜物之外,还可使金属表面钝化,从而起到防腐蚀作用。

(3)电化学作用。在防腐蚀材料的填料中如含有大量金属锌粉时,则形成一个由锌粉和底材钢板组成的微电池,在电化学上锌是比钢铁更活泼的金属,所以电流就从锌向钢铁流动,含锌涂层为阳极,钢铁成为阴极,从而保护了钢铁不受腐蚀。

3.4 改性环氧修补材料修补步骤

改性环氧修补材料修补的基本工艺为:表面处理—配制修补剂—涂抹—固化—后处理。

(1)对闸门和门槽金属埋件修补面通过打磨机、喷砂机或用砂布、钢丝刷等工具打磨,去掉表面氧化层和杂质,直至露出金属原色,并且将表面的气孔、砂眼里面用锉刀将疏松的材质除去,再用丙酮将表面彻底清洗干净。

(2)根据配合比用量,按比例配置修补剂,并且搅拌均匀。

(3)涂抹材料第1层要薄,要确保粘接及覆盖,再将材料均匀地涂抹到整个修复表面,涂抹第2层材料前应将前一层材料仔细修理一遍,不应有气孔、裂缝、不密实等现象,确保填实并留有加工余量。

(4)完全固化24 h/24℃。温度每提升11℃,固化时间缩短1/2,但提升温度不得超出材料的承受温度。

(5)用250目细砂纸研磨环氧修补后的表面直至平滑,表面修整后,用水磨砂纸研磨保养2 d后,可投入使用。

3.5 应用实例

浙江省绍兴县新三江闸为Ⅱ等水利工程,建于1981年,是萧绍平原的主要排涝工程,在马山闸等其他水闸配合下,承担着萧绍平原绍兴市约 3.607万 hm2、萧山约1.267万hm2、上虞市约0.6万hm2的农田和绍兴 1 582 km2的灌溉排涝任务[2]。新三江闸为胸墙式闸室结构,全闸共分15孔,每孔高4.8 m,净宽6 m,闸孔总净宽90 m,最大过闸流量 1 420 m3/s。新三江闸为二类闸,需进行除险加固。

在新三江闸除险加固过程中,发现钢筋混凝土闸门的金属结构及门槽金属埋件锈蚀严重。施工过程中对闸门的主滑块座、吊座、压板、螺栓、止水橡皮、吊梁及吊梁导向滚轮、下游闸门短拉杆等构件全部进行更换;对门槽铸铁金属埋件进行机械除锈后,采用改性环氧修补材料修补门槽铸铁埋件的蚀坑缺陷。

根据浙江省水利河口研究院试验室提供的铸铁门槽埋件改性环氧修补材料配合比试验报告,确定改性环氧修补材料成分(见表1),材料试验成果见表2。

表2 改性环氧修补材料试验成果表

经过2 a的运行,2011年检修时,修补后的铸铁门槽完好无损,抗腐蚀性好,表明改性环氧修补材料用于铸铁门槽的修复是成功的。

4 聚合物金属修补材料的应用前景

我国地域广阔、海岸线漫长,水闸数量相当可观,在水闸的除险加固及维修过程中对锈蚀的闸门埋件及门槽埋件等金属件进行更换,往往更换难度大,而且会对原主体结构产生破坏。对于锈蚀不太严重、更换困难的金属件,可以选择聚合物金属修补材料进行修补,以加快施工速度,减小对结构的破坏,节约工程投资,具有广泛的应用前景。

另外聚合物修补材料通过对环氧结构的改性、环氧合金化、填充无机填料、膨胀单体改性等高性能化后还可以制得多种防腐蚀涂料[4],如:聚硫橡胶环氧防腐蚀涂料、环氧改性橡胶沥青防腐蚀涂料、环氧树脂纳米防腐涂料等。环氧防腐蚀涂料由于它的低污染、省资源、涂装适应性强等特点,成为新建工程的防腐蚀涂料品种,应用范围进一步得到延伸。

5 水闸工程金属件选材的思考

在水闸的维修及管理过程中,金属件锈蚀是个普遍存在的问题,严重影响了水闸的使用寿命。金属件的修复及更换往往难度大,施工复杂,因此在水闸建造过程中,合理地对闸门及门槽等预埋金属件进行设计和选材显得尤为重要。

金属件的选材首要问题是根据对应的工作环境和设计寿命,选择相应耐蚀级别的金属材料。选材时综合各种原则选择最适用的材料,如材料使用寿命应与工程的设计寿命相匹配;要求材料具有高的性价比,既具有满足设计和工作环境条件要求的性能又具有较低的价格成本;所用材料市场供应充足,铸件加工工艺易于实现。表3列举了不同金属材料的耐蚀情况,供参考。

表3 部分金属材料耐蚀情况表

由表3可知,钛及其高合金和不锈钢,如316、316 L、317、317 L等具有优良的耐蚀性能,但价格昂贵且制造工艺复杂,很少采用;普碳钢及普通铸铁的性能达不到设计要求也不宜采用:当设计要求不高的情况下可以用合金铸铁STNi3、STNi2Cr、STNi4Cr2等;当设计要求高时可用高镍奥氏体铸铁,如GGL-NiCuCr15 6 2,或者采用镍铬奥氏体不锈钢。

6 结 语

不同材料的抗海水腐蚀的基本性能是有差异的,但区别不大,而且工程用材量大,很难根据区带腐蚀情况细致分类。因此设计时采取的防腐措施比选择合金含量、抗腐蚀性能好的金属材料更重要,如海平面以上可以用普碳钢架防腐措施,水下全浸区和浪溅区选用耐蚀能力强的耐蚀铸铁或不锈钢等材料,并且表面进行防腐处理。综合考虑金属材料的使用环境、耐海水腐蚀的性能和制造成本等多种因素,性价比较好的低镍铬合金铸铁(STNi2Cr)是国内外应用较多的一种耐海水腐蚀的铸铁,在我国沿海水利工程闸门及门槽埋件中获得广泛应用。

[1]黄国兴,陈改新.水工混凝土建筑物修补技术及应用 [M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[2]王立军,严其芳.浙江省绍兴县新三江闸除险加固工程初步设计报告[R].上海:上海市水利工程设计研究院,2008.

[3]郭刘秀.用改性环氧胶泥修复压缩机缸筒 [J].腐蚀与防护,2003,24(5):224-225.

[4]孔爱平,王军.基于化工设备金属腐蚀及环氧防腐涂层的应用研究 [J].辽宁化工,2007,36(5):330-333.