水工钢结构防腐蚀技术研究现状分析

2018-11-13熊能重庆交通大学重庆400074

新生代 2018年14期

熊能重庆交通大学重庆 400074

0 引言

近年来，随着国家对水利基础设施建设的投入力度地加大，水工建筑物的设计规范和标准也越来越高，水工钢结构耐腐性的问题日益突显。水工钢结构发生腐蚀，一般分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类，钢结构腐蚀是一种被氧化的过程，是一种自发现象。由于受大气环境、水文环境、水流条件等各种因素的影响，水工钢结构长期处于水中或者干湿交替的环境中，相比之下其环境更加恶劣，更容易发生化学变化，腐蚀更加严重。

1 水工钢结构的优点及应用

水工钢结构通常采用钢板、型钢加工制造而成, 它具有自重轻、承载能力大、可靠性高、抗震性与抗冲性好等优点，而且其可以做成密封结构，工艺化程度高，装配速度快，是水工建筑物的首选结构形式。由于具有这些优点，钢结构在水利工程应用中日益广泛，比如船闸工程中大量采用的钢闸门、阀门、拦污栅、船闸闸门、升船机等；港口工程中使用的下部结构钢管混凝土桩，纵横支撑和靠船构件等码头附属设施。

2 国内外对水工钢结构防腐蚀技术的研究现状

2.1 防腐涂层冲蚀机理研究方面

Bitter(1963)提出变形磨损理论，他认为，冲蚀磨损可以分为变形磨损和切削磨损两部分，90度冲击角下的冲蚀磨损与粒子冲击时材料的变形有关，当冲击应力小于材料屈服强度时材料只发生弹性变形；当应力超过屈服强度时材料表面形成裂纹，并且产生弹性和塑性两种变形；

A.Levy 等提出锻造挤压理论，他认为材料先受冲粒冲击出现凹坑及凸起的唇片，再受冲粒反复“锻打”造成片屑状流失。

脆性材料冲蚀理论主要研究了材料在冲击作用下产生裂纹及扩展与颗粒入射速度、材料性能间的关系。

林福严等通过实验研究，提出了以低周疲劳为主的冲蚀理论；

黄细彬研究了高速含沙掺气水流及磨蚀机理，建立了泥沙对固壁的磨蚀率预测公式；

郭源君针对水轮机等过流件冲蚀，提出了采用弹性涂层实现回避粒子接触的抗冲蚀设计理论。

2.2 高耐冲蚀防腐材料研发方面

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。张卫涛等利用超音速电弧喷涂技术在高强不锈钢基体上分别制备 NiTi 涂层和 Ni/Ti 混合涂层，分析测试得出，Ni/Ti 混合涂层在耐冲蚀方面优于单一涂层；自自蔓延高温合成技术（SHS）主要成功应用在合成陶瓷复合钢管方面。张树格用 SHS 技术制备了复合陶瓷涂层，发现涂层与钢管表面结合牢固，在低攻角下具有良好的冲蚀抗力；王智采用 SHS 技术制备了多种陶瓷层的陶瓷内衬复合钢管，并且通过实验发现陶瓷层的冲蚀率均随着攻角的增大而增大，尤其在低角度冲蚀下表现出优异的耐冲蚀性能。物理气相沉积技术（PVD）表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。Wei 等[利用 PVD技术在奥式不锈钢和钛合金基体上分别制备了 TiN、ZrN、CrN、ZrSiCN 和 TiSiCN 五种涂层，实验表明与基材相比所有涂层均表现出优异的耐冲蚀性能，其中 TiSiCN 涂层相比于基材其冲蚀抗力提高了 25 倍。

3 水工钢结构腐蚀机理及影响因素

3.1 腐蚀机理

钢结构的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是干燥气体及非电解质液体作用金属表面而产生的，这种腐蚀常发生于化工厂及其附近的钢结构建筑，其腐蚀源来自化工厂的泡、冒、滴、漏等。但这种腐蚀在干燥的环境中 (如相对湿度小于 50%)进展缓慢。但在潮湿环境中，腐蚀速度很快。电化学腐蚀是钢材表面与电解质溶液产生电流、形成腐蚀电池，使钢材出现腐蚀的现象。产生腐蚀的条件是水和氧气共同存在。若水中有 NaCl 等盐类物质存在，极易在钢材表面形成锈坑，对结构受力极为不利。表面不平同样会使腐蚀速度加快。