望亭水利枢纽钢闸门阴极保护实践

，

(太湖流域管理局苏州管理局， 江苏 苏州 215011)

1 基本情况

望亭水利枢纽位于苏州相城区望亭镇以西的望虞河与京杭大运河交汇处，距望虞河入湖口2.2km，是望虞河排泄太湖洪水及环太湖大堤重要口门的控制建筑物。

望亭水利枢纽为2级水工建筑物，采用“上槽下洞”立交布置方式，上部为钢筋混凝土矩形槽，槽宽60m，底高程-1.70m；下部为矩形涵洞，共9孔，每孔7.0m×6.5m(宽×高)。在上游洞首处设9孔平面钢闸门，采用9台卷扬式启闭机启闭，总过水面积400m2，设计流量400m3/s。

2010年12月～2011年12月，管理单位对闸门系统及上部结构进行了更新改造。9扇钢闸门于2011年5月全部安装到位，并投入使用。2013年汛前，管理单位在检查中发现起吊钢闸门的钢丝绳相继出现断丝、腐蚀情况，钢闸门涂层也出现鼓泡、锈蚀现象。为防止钢丝绳和钢闸门的进一步腐蚀，保证工程运行安全，必须对钢丝绳和钢闸门采取防腐处理措施。

2 钢闸门腐蚀原因分析

2.1 自然环境

由于望亭水利枢纽特殊的“水立交”工程结构，钢闸门即使开启也全部浸没在水下，因此望亭水利枢纽钢闸门常年浸泡在水中。同时，望亭水利枢纽向望亭发电厂供应冷却水，受望亭发电厂冷却回水影响，闸门附近水温较周边水域高。

2.2 金属结构材质

望亭水利枢纽闸门门叶材料采用Q235B，闸门防腐采用热喷涂锌外加封闭油漆；门槽埋件采用复合不锈钢板(复层材料为1Cr18Ni9，厚度为2mm，基层材料为Q235B，厚度为10mm)；钢丝绳采用镀锌钢丝绳，直径20mm。

2.3 原因分析

a.单独涂料保护和喷涂金属保护都不能完全防止水下金属结构物的腐蚀。目前，涂料保护和喷金属保护在水工钢闸门防腐蚀中应用较为广泛。涂料保护的特点是施工方便、造价相对较低，但保护年限较短，需要定期维修。与涂料保护相比，喷金属保护防腐蚀效果大大提高，保护年限较长，但对一些结构较为复杂的构件而言，喷金属保护施工难度较大，质量难以保证，保护效果不均，施工费用较高。涂料保护和喷金属保护都是通过涂层将金属结构物与环境介质隔离来达到防腐蚀目的，由于氧气和水能够通过涂层孔隙和涂层缺陷直接作用于金属表面，因此，涂层的保护作用是不完全的，在涂层孔隙和缺陷处仍会发生腐蚀。同时，当结构物存在应力缺陷和焊缝缺陷时，涂层也不能阻止由此造成的应力腐蚀和焊缝腐蚀。

b.水工钢闸门可能发生的腐蚀类型主要有均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀、空泡腐蚀、电偶腐蚀、腐蚀疲劳等，这些腐蚀类型往往与结构设计或冶金因素有关。其中，当一种不太活泼的金属(阴极)和一种比较活泼的金属(阳极)在同一环境中接触时，组成电偶并引起电流，从而造成电偶腐蚀，加快较活泼的金属腐蚀。影响电偶腐蚀的主要因素是环境、介质导电因素和阴阳极的面积比。

望亭水利枢纽闸门门叶、门槽埋件、钢丝绳均为不同材料，且闸门附近水温较周边水域高。为判断闸门、钢丝绳与门槽埋件之间是否形成了电偶腐蚀，管理单位测量了其中2孔闸门不同位置的自然电位。根据DL/T 5358—2006《水电水利工程金属结构设备防腐技术规程》，金属结构的设备材质为碳素钢或低合金钢时，在含氧环境中保护电位应达到-0.85V或更负(相对于铜/硫酸铜参比电极)，在缺氧环境中保护电位电位应达到-0.95V或更负。

测量电位时采用铜/硫酸铜参比电极，高内阻数字电压表(见表1)。

表1 闸门自然电位测量结果

测量资料分析表明，电偶作用使不锈钢门槽埋件受到保护，减轻了腐蚀。无保护裸露的钢丝绳首先被腐蚀，造成钢丝绳断丝，断面减小。闸门涂锌层电位较负而加速消耗，局部腐蚀产生的积累造成表面涂料涂层快速鼓泡失效。因此，不锈钢门槽埋件转移了腐蚀作用，加快了钢丝绳腐蚀、闸门涂层鼓泡、闸门叶边角腐蚀。

3 阴极保护方法

阴极保护是向被保护金属表面通入足够的阴极电流，使阴极极化以减小或防止金属腐蚀的一种电化学防腐蚀保护技术，是防止金属电化学腐蚀的根本方法。它可以防止金属在土壤、海水、淡水等多种电解质中的腐蚀。阴极保护不仅可以防止金属的均匀腐蚀，还能有效防止各种局部腐蚀，使被保护结构物的使用寿命成倍延长。

实施阴极保护可以采用外加电流和牺牲阳极两种方式。外加电流用直流电源给被保护金属通以阴极电流，保护系统主要由直流电源、辅助阳极、参比电极和电缆等组成。牺牲阳极保护是在被保护的金属上连接一种电极电位更负的金属或合金(称为牺牲阳极)，通过牺牲阳极的自我溶解和消耗，使被保护金属得到阴极电流。外加电流和牺牲阳极保护的基本原理和保护效果都是相同的，但各有优缺点(见表2)，对两种保护方式的选择主要取决于工程实际情况和现场所具备的具体条件。

表2 外加电流法和牺牲阳极法的优缺点

对水工钢闸门而言，宜采用牺牲阳极保护。牺牲阳极保护非常简单，只需事先在构件上焊接安装一定数量的牺牲阳极，在方案设计合理、阳极材料和阳极焊接质量满足要求的条件下，就能达到预期的保护效果，而且保护系统在运行中，不需要任何维护管理。目前我国的牺牲阳极材料已经国标化，其质量完全可以满足要求，另外由于牺牲阳极的焊接安装是在陆上进行的，焊接质量也可以得到保证。因此采用牺牲阳极保护不仅方便，而且可靠，是完全可行的。

4 方案设计

根据望亭水利枢纽钢闸门实际，采用牺牲阳极保护。

4.1 设计内容和设计要求

9扇钢闸门进行牺牲阳极保护设计，保护系统设计使用寿命为15年。钢闸门宽7.24m、高6.79m，每扇钢闸门保护面积约为250m2，9扇钢闸门保护面积合计约为2250m2。

4.2 牺牲阳极材料

目前常用的牺牲阳极材料是锌、铝和镁三大类合金材料。镁合金主要应用于电阻率较高的淡水和土壤环境中，铝合金主要应用于海水环境中，锌合金主要应用于海水和电阻率较低的土壤环境中。该工程钢闸门处于淡水环境条件，选用镁合金牺牲阳极，阳极化学成分和电化学性能应符合《镁合金牺牲阳极》(GB/T 17731—2009)要求。

4.3 牺牲阳极规格和用量

根据保护面积、单只牺牲阳极发生电流和保护寿命要求，设计采用单只牺牲阳极重量为8kg，牺牲阳极尺寸为(75+95)mm×75mm×700mm。每扇钢闸门需34块镁合金牺牲阳极，9扇钢闸门共安装镁合金阳极306只，重量为2448kg。

4.4 牺牲阳极安装方法

清除牺牲阳极工作表面的油污和污物；根据施工图纸，确定牺牲阳极安装位置；将牺牲阳极两端的铁芯与闸门焊接在一起，铁芯采用对面焊接，每边焊接长度大于2.5cm；焊接完成后将铁芯和焊接处的浮渣清除干净，再使用环氧类涂料进行涂刷封闭；检查所有牺牲阳极是否安装牢固，焊接处涂层修补是否满足要求。

4.5 保护电位测量

牺牲阳极保护系统运行10天后，测量钢闸门保护电位。95%测点的保护电位应满足以下要求：保护电位负于-850mV(相对于饱和硫酸铜参比电极)；靠近不锈钢轨等部位，保护电位比自然电位偏负200mV。

4.6 闸门涂层维修

在闸门重新涂装维修时，采用电动钢丝刷去除破损涂层和除锈，对已锈蚀和热喷涂层脱落位置涂刷两道环氧富锌，厚度80μm。闸门两侧面、底面及距闸门侧面、底面50cm范围内，涂刷三道环氧云母中间漆，涂层的干膜厚度为150μm，其他部位涂刷两道环氧云母中间漆，涂层的干膜厚度为100μm。整个闸门表面再涂刷一道可覆涂聚氨酯面漆，涂层的干膜厚度为50μm。侧面、底面及四周区域涂层干膜厚度大于200μm，其他部位涂层干膜厚度大于150μm。

5 保护效果

5.1 测量保护电位

2013年8月，在牺牲阳极安装后，采用相对于饱和硫酸铜参比电极的方法，用高电阻数字电压表测量了望亭水利枢纽钢闸门的保护电位，结果见表3。

表3 镁合金阳极安装后钢闸门保护电位

钢闸门采取牺牲阳极保护措施后，钢闸门保护电位在-883～-1132mV之间，满足设计规定的保护电位低于-850mV的要求。表明牺牲阳极保护系统运行正常，钢闸门受到有效保护。

5.2 闸门保护效果检查

2013年汛后，管理单位结合汛后检查，将望亭水利枢纽9孔钢闸门提出水面逐一进行检查，发现闸门无进一步锈蚀发生。为进一步验证牺牲阳极阴极保护效果，管理单位选择一孔闸门进行试验，将原生锈的闸门表面进行了除锈处理，在镁合金牺牲阳极块安装后，未进行涂层封闭，闸门金属表面自然裸露在水中，汛后检查发现该闸门表面无锈迹，说明镁合金牺牲阳极阴极保护效果良好。

6 结 语

水工钢闸门是水利工程的重要组成部分，钢闸门能否安全可靠运行决定着水利工程效益的发挥，由于钢闸门运行环境各不相同，需要各级管理单位更加重视钢闸门的检查、维修和保养，采用新的技术加强对钢闸门的防腐蚀处理，确保闸门运行安全。

[1] SL 74—95 水利水电工程钢闸门设计规范[S].

[2] SL 176—2007 水利水电工程施工质量检验与评定标准[S].

[3] DL/T 5358—2006 水利水电工程金属结构设备防腐蚀技术规程[S].

[4] GB/T 17731—2009 镁合金牺牲阳极[S].

[5] 朱锡昶，等.码头钢管桩牺牲阳极阴极保护10年效果 [J].水运工程，2008(6).