牺牲阳极阴极保护在钢闸门防腐中的应用

刘 良 舒刘海 俞文捷

一、概述

某泵站是淮河入海水道近期工程穿堤建筑物骨干工程，主要功能是自排、抽排涝水和污水至入海水道。泵站上游有一中大型造纸厂，并肩负排除该县城市污水的任务，介质为有一定程度污染的淡水，对钢结构有强腐蚀性。金属结构设备包括进水口事故钢闸门、出水口快速钢闸门和自排孔闸门，进水口事故钢闸门和出水口快速钢闸门均采用（3.5×2.6-9.78）m（宽×高- 水头，下同）潜孔式平面定轮钢闸门，各计3扇，闸门外形尺寸 3.6m×3.1m×0.45m（宽×高×厚度，下同），快速闸门门体自带两扇小拍门，外形尺寸1.24m×1.2m×0.22m；自排孔闸门采用（5.0×3.6-9.48）m潜孔式平面定轮钢闸门，计1扇，闸门外形尺寸5.1m×4.0m×0.55m。

二、采取牺牲阳极阴极保护的必要性

1.钢闸门腐蚀情况

钢闸门材料通常采用普通碳素钢或低合金钢，它们长期处于大气、淡水、干湿交替及水流冲刷等环境中，受到不同水质、光照、温度等环境影响和泥沙、漂浮物的撞击等物理、化学和电化学作用，所以不可避免地遭受不同程度的腐蚀，大致分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

一般钢材在纯净的淡水中均匀腐蚀速度较低，只有0.01～0.04mm/a，但被污染的水质对钢铁的腐蚀速度是无污染地区的几倍甚至几十倍，局部腐蚀更为严重，以点蚀和坑蚀为主，传统的喷金属加涂层封闭保护措施难以长时间保护钢闸门不受腐蚀。例如某钢闸门于1996年实施喷锌加涂层封闭保护措施，到2000年检查闸门发现大部分区域已出现锈点，闸门下部涂层破损严重，闸门腐蚀，经过分析研究是由于水闸附近水域受到严重污染，另一方面是由于水闸开启频繁，闸门下部受到水流冲刷，涂层和喷锌层损坏造成的。

2.牺牲阳极阴极保护原理和作用

阴极保护是向被保护金属表面通入足够的阴极电流，使其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。阴极保护分为通过外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方式，由于外加直流电源，装置复杂，对邻近构件干扰大，维护管理工作量大，易产生杂散电流，目前主要采用牺牲阳极阴极保护。牺牲阳极阴极保护施工简单、不会对水体等环境造成污染、对周边金属设施干扰小、电流发散能力好、阳极利用效率高等优点，不仅可以防止金属的均匀腐蚀，而且还能有效防止各种局部腐蚀，如点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、焊缝腐蚀等，从而使被保护结构物的使用寿命成倍延长。目前牺牲阳极保护被广泛应用，并取得了一定的经济效益和社会效益。

该站上游有中大型造纸厂，水质污染造成pH值变化，有害离子浓度加大，会加速金属结构的腐蚀，另外城市污水造成水中溶解氧减少，而发生厌气性微生物增殖，产生硫化氢等，都将加速金属的腐蚀。因此对该站采取传统防腐外，增加牺牲阳极联合保护是非常必要的，具有以下两方面的作用：（1）当闸门表面局部涂层由于各种原因遭到破坏时，阴极保护电流会集中流向此处，使之极化，并在其表面形成一层钙、镁阴极产物膜保护层，从而降低局部腐蚀的进程；（2）当涂层完好时，阴极保护电流均匀地分布在涂层的微观孔洞上，保护闸门和喷金属层不遭受腐蚀，防止腐蚀造成涂层剥离破损，延长涂层的使用寿命。

三、牺牲阳极阴极保护方案设计

该工程防腐采用传统防腐+牺牲阳极阴极保护相结合的防腐措施，根据类似工程经验，传统防腐采用喷铝120μm，磷化底漆 5～10μm，再涂环氧云铁防锈漆100μm（中间层），丙烯酸聚氨酯面漆80μm（面层）；除锈要求为喷砂除锈使清洁度不低于Sa2.5和粗糙度达Rz60～100μm。

由于该工程资金紧张，针对各闸门特点和重要性，综合考虑对进水口事故钢闸门和出水口快速钢闸门进行牺牲阳极阴极保护。

根据闸门使用年限和维修周期考虑，按照不低于15年设计使用寿命设计。

1.设计参数选择

根据该站水质的化学成分、pH值、电阻率、污染状况以及温度、流速等勘测资料，牺牲阳极阴极保护主要设计参数包括保护电流密度、保护电位和介质电阻率等。

（1）保护电流密度

根据钢闸门所处的环境和运行工况，按照下列公式计算：

式中：ic—有涂层钢的保护电流密度；

ib—无涂层钢的保护电流密度，取40A/m2；

fc—涂层破损系数，0＜fc≤1，取10%。

经过计算，保护电流密度为4mA/m2。

（2）保护电位

该钢闸门在大气环境下工作，保护电位应在-0.85～-1.2V（相对于铜/饱和硫酸铜参比电极）之间，保证最大保护电位不损坏钢闸门的涂层。

（3）介质电阻率

介质电阻率按4000Ω·cm计。

2.保护面积和保护电流

根据闸门运行时位于水下的高度和接触河水部位，按照闸门实际尺寸计算保护面积，钢闸门保护面积和保护电流成果表见表1。

3.牺牲阳极块设计

常用的牺牲阳极材料选用锌基、铝基和镁基合金，其中镁基合金适用于淡水和淡海水环境，镁基合金分为纯镁、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金三类，它们共同的特点是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低，适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护，在镁中加入适量Al、Zn和Mn等元素组成合金，可使镁阳极的电化学性能得到改善。由于该工程环境介质电阻率较高，设计选用镁合金Mg-6Al-3Zn-Mn牺牲阳极材料。

牺牲阳极的规格按照钢闸门结构形式、保护电流和使用年限按照规范计算，保证钢闸门各处保护电位满足规范要求，牺牲阳极材料、规格和用量成果表见表2。

阳极块布置在面板或后翼缘上，通过螺栓M12（螺栓焊于面板或后翼缘）连接；布置在纵梁腹板上，通过对销螺栓M12固定在纵梁腹板上，在闸门和镁合金之间用橡皮垫块隔离，螺栓焊接位置防腐封闭。

表1 钢闸门保护面积和保护电流成果表

表2 牺牲阳极材料、规格和用量成果表

四、结语

该工程投入使用10年来，在污染水质下采用的传统防腐+牺牲阳极阴极保护方案比较成功，防腐涂层完好，阳极块消耗明显，说明牺牲阳极阴极保护起作用，达到了预期效果。

2013年环境友好型长效牺牲阳极保护技术在水工钢结构上的应用已列入《2013年度水利先进实用技术重点推广指导目录》。该技术在南沱河徐楼闸除险加固工程中得到推广应用，目前工程已竣工验收■