关于水工钢闸门的防锈喷涂施工工艺探讨

刘兴燕

（山东黄河河务局工程建设中心，山东济南，250014）

0 引言

金属的腐蚀是金属受环境介质的化学或电化学作用而被破坏的现象。金属的腐蚀遍及国民经济各个领域，给国民经济带来了巨大的损失[1]。水工钢闸门作为一种控制和拦截水的设施，为水利枢纽工程中的重要组成部分。近年来，随着国内外水利水电建设的飞速发展，水工钢闸门在水利工程中得到了广泛的应用。

水工钢闸门长期在日光暴晒、干湿交替、常浸水下、水流冲刷、水生物腐蚀、泥沙及其他漂浮物的冲刷等恶劣条件下工作，极易发生锈蚀。目前，国内学者对水工钢闸门防腐问题进行了相关研究[2-8]，笔者在前人研究基础上，重点探讨喷涂的方法、施工工艺、具体要求和检查标准，并以簸箕李西引黄涵闸除险加固工程为例，对电弧焊喷涂外加涂料封闭防腐处理技术的防腐效果进行分析。

1 水工钢闸门腐蚀原理及危害

水工钢闸门长期浸泡于水中，受多种因素的影响，其表面会产生不同程度的锈蚀，具体为：①钢结构闸门水上部位容易受气候因素的影响，如日晒、雨淋、潮湿气氛等，从而导致腐蚀；②钢结构表面的状态也会对腐蚀产生重要影响，比如表面粗糙、机械损伤、空穴、焊接缺陷、缝隙等；③应力和变形的大小也会直接影响腐蚀的严重程度；④水质、水流速度、杂散电流、水生物和电偶腐蚀等也都是导致钢闸门腐蚀的重要原因。

在对上述因素进行充分认识和了解的基础上可知，水工钢闸门的腐蚀可分为化学腐蚀和电化腐蚀，其中以电化腐蚀为主。事实上，闸门所处工作水环境中含有多种带电荷的离子，如Mg2+、Na+、Ca2+、Cl-、CO32-以及SO42-等，这些离子的存在使水体成为电解质溶液。通常钢铁在冶炼过程中会含有非金属导电杂质，这些杂质在电解液中呈阴极分布，而钢铁等金属在电解液中呈阳极分布，这样就形成了腐蚀微电流，进而导致锈蚀发生，具体反应如公式（1）至公式（3）。

水工钢闸门锈蚀一方面会影响结构的安全，另一方面还会耗费大量的维修养护费用。因此，为了延长钢闸门的使用寿命，控制钢闸门的腐蚀速率，有必要对钢闸门的长效防腐问题进行深入研究，以此确保水工建筑物的安全运行。

2 水工钢闸门常用的防腐措施

水工钢闸门的防腐措施主要有两大类，一类为在金属表面涂抹覆盖层，即覆盖层防腐，避免发生化学腐蚀和电化腐蚀；另一类为设法供给适当的保护电能（低压直流）使钢结构表面积聚足够电子，成为一个整体阴极而得到保护，即电化学保护。对于水工钢闸门而言，由于受条件限制，目前使用较多的为覆盖层防腐。覆盖层防腐方法主要有热喷涂防腐和涂料防腐，其中热喷涂防腐根据提供热源不同，分为丝材火焰喷涂和电弧喷涂。表1 给出了水工钢闸门不同防腐措施的优缺点。

表1 水工钢闸门不同防腐措施对比情况

由表1 可知，上述防腐措施各有利弊，同其他防腐措施相比，热喷涂特别是电弧焊喷涂技术加涂料封闭防腐措施具有便于施工、涂层防腐寿命长久、年均防腐费用最低等优点，目前在水利工程中得到了大量推广应用，已被《水工金属结构防腐蚀规范》（SL105）采用。

3 水工钢闸门热喷防腐施工工艺

水工钢闸门热喷防腐程序为：钢材表面处理→金属热喷涂→涂料封闭→涂层检查，具体见图1所示。

图1 水工钢闸门热喷防腐施工工艺流程

3.1 钢闸门表面处理

钢闸门表面热涂之前，应将闸门表面整修完毕，并将金属表面的铁锈、氧化皮、油污、焊渣、灰尘、水分等污物清除干净，使其全部露出灰白的金属本色，并且保持干燥，有一定的粗糙度，达到使基体表面凹凸不平的目的，以保证涂料与基体间有良好的附着力。目前表面处理通常采用喷砂方式，处理的相关事宜具体如下：

（1）表面处理前准备。①磨料应选用带有棱角的且直径为1mm～2mm 的石英砂或钢砂；②将筛选、烘干、剔除杂质后的磨料存放在通风良好、环境干燥处；③检查储气罐、空压机、空气滤清器、喷枪以及照明和除尘等设备。

（2）钢材表面处理程序。①在开启空压机之前，应在砂罐内装入磨料；②在压力未达到0.7MPa 之前，不宜进行喷砂作业，当压力稳定在0.7MPa～0.8MPa 之间时，可打开阀门开始喷砂；③作业时喷嘴与钢材表面应维持不低于100mm 且不宜高于300mm 距离，喷嘴应呈斜向上姿势，与金属表面夹角控制在60°到75°之间；④喷砂时应先内后外、先上后下、先难后易，滞留时间宜控制在15s 至20s 之间；⑤采用毛刷对喷砂完成后的金属表面进行处理，清理表面上的污物和砂粒。

（3）注意事项。①在结构表面处理过程中，工作人员需穿喷砂衣，并在无障碍物、通风状况良好的场地进行作业；②现场作业时喷枪禁止对准人或除钢闸门外的其他设备，同时禁止用手触摸处理后的钢闸门表面。

（4）水工金属结构表面处理检查。①表面处理检查执行标准为《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB/T8923.1）；②表面处理检查有无漏喷部位、表面处理清洁度等级以及表面处理粗糙度；③对于是否漏喷，应仔细观看每一个处理部位，特别是内部死角部位；对于表面处理清洁度等级，应利用标准图片对照处理表面，判断除锈等级；对于表面处理粗糙度，应利用标准样块进行比较或用触针或轮廓仪检查，其值应在60～100μm 之间。

3.2 金属热喷涂

（1）对喷涂材料的要求。①采用热喷锌保护，其锌丝的含锌量应不低于99.99%，除非设计另有要求，可降低或提高锌丝含锌量；②采用热喷铝保护，其铝丝的含铝量应不低于99.5%，除非设计另有要求，可降低或提高铝丝含铝量；③氧气纯度应为99.5%；④应采用无折痕、无锈、无油的直径为2.0mm～3.0mm 的铝丝或锌丝。

（2）对喷涂环境要求。①喷涂场地对环境温度不得低于5℃，空气相对湿度不得超过85%，钢板表面温度应大于露点3℃；②当金属喷涂在室外进行时，应无雨无雪、无风；③钢材表面在经过喷砂处理后应在2h 内完成喷涂作用，最长不宜超8h。

（3）喷涂前准备。①金属锌丝、铝丝应除锈、去油污；②除锈后表面清理（用干燥压缩空气进行清理）；③喷涂设备应完整、可靠，包括空压机、冷却器、储气罐、过滤器、空气调节器、氧气瓶、乙炔瓶、乙炔表流量计、喷枪或电喷等；④喷涂人员要穿戴供气式防护服、护目镜、手套及其它劳动保护用品。

（4）喷涂程序。①若采用火焰喷涂，点火调正喷涂火焰，达到中性火焰后，将喷枪移至工作面，喷涂开始；若以电弧为热源，喷涂过程中应将两根锌丝、铝丝通过送丝装置进入电弧喷枪的两个导电嘴内，导电嘴分别接电源的正负极，未接触之前要保证两根丝材之间绝缘可靠；②喷枪喷束中心线应尽可能与钢闸门表面法向平行，最大夹角不应超过45°，喷嘴到基体表面距离宜为100～200mm；③喷涂顺序应先上后下、先内后外、先难后易；④喷涂应力求均匀，一般宜分二次喷涂，二次喷涂的喷末应垂直交叉覆盖；⑤喷涂过程中，喷枪的移动应与工作面平行，相邻喷幅之间应重叠1/3。

3.3 涂料封闭

金属热喷涂层检验合格后应及时进行封闭处理，封闭处理采用底层、中层和面层的复合保护系统，每层漆膜厚度不低于50μm。

3.3.1 对环境要求

①为避免雨雪天气对钢闸门表面的影响，涂装工作宜在通风良好的非露天环境下进行；②涂装时环境温度应在5℃至30℃之间。当气温过低，会出现防锈漆固化现象，不宜进行施工；当气温过高时，应避免干喷现象发生，具体操作时一方面应采用垂直喷涂，另一方面距离钢闸门表面距离应控制在50mm～100mm 之间；③涂装时应分别用温度计和湿度计测试钢闸门表面的温度和湿度，当钢闸门表面温度低于露点以上3℃或湿度大于85%时，应停止涂装。

3.3.2 涂装前的准备

①应采用符合施工技术条件的油漆进行涂装，不得使用变质或质量不合格的油漆；②在了解油漆基本性能和组成的基础上，结合油漆各自施工方法选择合适的涂装工具；③为避免出现漆皮和颗粒，涂装前油漆应通过80～120 目筛网过滤，并将过筛后的涂料搅拌均匀；④若使用两种不同组份的罐料进行涂装，应将二者按规定的比例混合均匀，并在熟漆30min 后方可使用；⑤由于油漆在出厂时已将粘度调至适宜状态，因此，在大多数情况下无需进行稀释处理。当气温过低或过高时，可适当添加不超过油漆本身重量5%的稀释剂。

3.3.3 涂装方法及要求

①被涂装产品表面不规则或边、棱、角和修补等部分一般采用手工涂刷，遇到大面积涂装或涂装漆膜要求较厚时，一般采用高压无气喷涂，其结合力及表面优于手工涂刷；②先手工刷涂边、角、棱和焊缝等部位，再按工艺要求进行全面涂装；③涂装顺序是：先里后外、先上后下、先难后易、先向上下、后向左右或先左右后向上下、纵横刷涂或喷涂；④喷涂时，喷枪与被喷表面应保持在80～150mm 距离，并作平行移动，不得高距离或弧形挥动；⑤不同类型的涂料，其涂装间隔不一样，涂装时应严格按涂料说明书中要求的间隔时间进行。其中，对于环氧沥青厚浆型防锈漆，为避免漆膜剥落，其涂装间隔时间应控制在允许最长间隔时间以内；⑥在涂装过程中应按量使用，同时为保证涂层厚度的均匀性，应经常采用漆膜测厚仪测定漆膜厚度。

3.4 涂层检查

3.4.1 检查标准

涂层检查依据标准为《热喷涂金属和其他无机覆盖层锌、铝及其合金》（GB/T 9793）、《热喷涂层结合强度的测定》（GB/T 8642）、《漆膜画圈试验》（GB/T 1720）和《色漆和清漆漆膜厚度的测定》（GB/T 13452.2）

3.4.2 外观检查

①对涂层表面凹凸不平、气泡、杂物、孔洞、裂缝以及粗颗粒等缺陷进行检查，如有必要需辅助以放大镜进行观察；②对检查到的漏喷、流挂、漏涂、皱皮等缺陷及时进行处理；③采用砂纸摩擦钢闸门涂层表面，如果涂层已固化会产生细小的粉尘，反之涂层未固化。

3.4.3 厚度检查

①湿膜厚度控制可用湿膜测厚仪检测；②干膜厚度用磁性测厚仪测定，涂层厚度应满足两个85%，即85%的测点厚度应达到设计要求，达不到厚度的测点，其最小厚度值应不低于设计厚度的85%。

4 工程应用

现阶段，热喷涂特别是电弧焊喷涂技术在国内得到了大量应用，以长江三峡枢纽工程为例，电弧焊喷涂加涂料封闭防腐技术在该工程中得到了大量的应用，“十四五”时期山东引黄涵闸第一批改建工程中12座水闸均采用电弧焊喷锌外加涂料封闭防腐技术。本次以簸箕李西引黄涵闸除险加固工程安全鉴定工作为基础，对电弧焊喷锌外加涂料封闭防腐效果进行相关分析。

簸箕李西引黄涵闸始建于1988年，2009年被鉴定为三类闸，于2015年开展除险加固，2016年完成了除险加固工程内容。除险加固后的簸箕李西引黄涵闸位于山东省滨州市惠民县，黄河左岸大堤桩号208+034处，按1 级水工建筑物设计，设计防洪水位29.37m，校核防洪水位30.37m，最高运用水位26.50m，设计引水位18.43m，设计引水流量50m3/s，加大流量75m3/s。簸箕李西引黄涵闸共4 孔，每孔净宽3.0m，设置4 扇平面滑动钢闸门，闸门尺寸为3.48m×3.27m（宽×高），孔口尺寸为3.0m×3.0m（宽×高），门体重量为5.825t/扇，闸门设计工作水头14.30m，设计操作水头11.43m，启闭条件为动水启闭。闸门门体为实腹式等截面主横梁焊接构件，主材Q235，门体由4 道主梁（含顶梁）和3 道纵梁组成，闸门面板布置在上游侧，纵、横梁系等高齐平布置，闸门止水布置在下游侧。

簸箕李西引黄涵闸平板钢闸门门体在防腐之前进行了表面喷砂处理，经过喷砂后的门体金属表面清洁度等级不低于《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB/T8923.1）中规定的Sa2.5 级，与混凝接触表面应达到Sa2 级，无法进行喷射处理的部位均采用手工和动力工具进行了除锈，其表面清洁度等级达到St3 级；除锈完成后闸门采用底层热喷涂锌，考虑热喷金属表面多孔，采用颗粒较细的环氧封闭漆封闭金属涂层的孔隙，中间层为环氧云铁防锈漆，面层选用硬度强度较高、易修补的改性环氧耐磨漆。另外，对于所有与混凝土结合的埋件表面，为实现防锈与混凝土粘结性能有机结合，涂刷特种水泥浆；同时，在埋件外表面底层用环氧富锌底漆，环氧云铁作中间漆，面漆选用改性环氧耐磨漆。

2022年4月，簸箕李西引黄涵闸开展了安全鉴定工作。在安全鉴定工作开展过程中，采用磁感应法对平板工作闸门防腐涂层厚度进行了检测，共抽测8 个部位，计40 个局部厚度。检测结果显示，闸门各构件防腐涂层局部厚度检测值介于221μm～454μm 之间。依据SL105-2007 中表C-3 的要求水位变动区水工金属结构涂料厚度参考值为≥220μm，所测涂层局部厚度共40 个测位均满足要求，合格率100%，满足现行规范要求（合格率≥85%）。限于篇幅，表2 给出了簸箕李西引黄涵闸2#孔、3#孔迎水面和背水面面板防腐涂层厚度检测结果。

表2 簸箕李西引黄涵闸2#孔和3#孔迎水面防腐涂层厚度检测结果

可以看出，电弧焊喷涂加涂料封闭防腐处理后的簸箕李西引黄涵闸平板钢闸门防腐效果良好，运行6年后各构件防腐涂层厚度合格率远超现行规范要求。

5 结语

（1）在介绍水工钢闸门腐蚀原理及危害和水工钢闸门常用防腐措施基础上，提出了水工钢闸门热喷涂外加涂料封闭防腐技术的关键施工工艺，明确了钢闸门表面处理、金属热喷涂、涂料封闭以及涂层检查等内容具体施工流程，提出了各步骤对应的检查控制标准，解决了以往热喷涂防腐施工质量难把控的问题。

（2）电弧焊喷涂加涂料封闭防腐技术是目前处理水工钢闸门防腐问题较好的办法，具有涂层防腐寿命长、年均防腐费用低等特点，可长期有效地保护水工钢闸门结构。以簸箕李西引黄涵闸除险加固工程为例，电弧焊喷涂加涂料封闭防腐处理后的簸箕李西引黄涵闸平板钢闸门防腐效果良好，运行6年后各构件防腐涂层厚度合格率远超现行规范要求。