三峽永船人字門應用稀土鋁防腐

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

 1、概況
    三峽工程永久船閘6個閘首共裝有24扇人字閘門，單扇閘門有高37.5和38.5m兩種，寬20.3m，門厚3m，為框式金屬結構，單扇門重791.55 t（37.5 m）和828t（38.5m）。原設計人字閘門防腐采用熱噴鋅加涂料，防腐面積分別為9 985m2（用于37.5m）和10192.5m2（用于38.5m）。1999年江南造船廠接受有關專家建議并考慮到環(huán)境污染問題，經過調研和試驗，提出修改設計建議：由熱噴鋅改為熱噴稀土鋁加涂料防腐。由于熱噴稀土鋁作為大型閘門防腐材料在國內屬第一次施工，而人字閘門面積大，結構復雜，防腐質量要求高，從試驗到制造和安裝過程的實踐，都會遇到一些困難問題，因此，施工過程中需不斷研究，確保達到標書規(guī)定的質量要求。選用熱噴鋅稀土鋁加涂料防腐屬于先進的防腐技術和工藝，能夠提高人字閘門的運行壽命，延長使用周期減少運行時維修費用，提高通航綜合效率。
    2、人字門防腐工程特性及原理
    2.1 人字閘門對防腐工程的要求
    人字閘門的運行壽命、維修周期和維修施工時間都直接影響長江干流通航效益。人字門安裝在6個閘首，所處的運行條件比較惡劣，如果按門葉高度來分，可以分為3段。上部長期處于露天大氣環(huán)境中，中部隨運行過程中水位升降，經常處于變水位，暴露于大氣和淹沒水中之交變。下部則長期淹沒在水里。根據葛洲壩船閘運行情況觀察，尤以中部腐蝕較為嚴重，下部附有海生物腐蝕，為此要求三峽船閘人字門防腐不僅要抗蝕性能好，而且要長效耐腐蝕，抗碰撞和抗海生物，按設計要求防腐壽命為20年。滿足設計標準，探索防腐質量和效果是我們實踐中研究的目的。
    2.2 防腐方式及稀土鋁涂層特性
    除本身具有抗蝕性能的金屬材料（如不銹鋼）外，目前，常用鋼結構的防腐可歸納為兩種，一類是帶外電源的陰級保護，另一類為屏障防腐（隔離防腐）。三峽工程人字閘門屬后一類。屏障防腐種類甚多，效果較好者采取金屬熱噴涂+涂料。金屬熱噴涂常用材料為鋅、鋁、鎳、鉻等絲材，但是，單純的鋅、鋁作為防腐都不是理想材料，而鎳、鉻則價格昂貴，不宜用于大型金屬構件。所以，自上世紀80年代初，國際上有采用鋅鋁合金絲，我國于上世紀末也冶煉成鋅、鋁合金絲開始用于防腐材料。
    江南造船廠在承制三峽人字門時，經過試驗報請長江委設計院同意，用稀土鋁絲作為熱噴涂材料。這種材料的特性，防腐原理及施工實踐，本文作簡單介紹。
    2.3 鋅和鋁涂層特性的比較
    上世紀50年代，國際上就開始用熱噴鋅作為鋼結構件或鑄鐵件的防腐。鋅層在大氣中有較好的耐蝕性能，但是，鋅和鐵的分子結構都屬于陽離子，屬于犧牲陽極保護，涂層的腐蝕速度每年1～3.5m。純鋁在大氣中會很快形成致密的氧化鋁膜，它具有自愈能力，且對各種涂料都是惰性的，涂料在鋁層上能牢固地結合起到保護內層作用，其腐蝕速度小于1μm/a。由于鋁分子外層為負離子，與鐵結合后，離子間易滲透聚合。但是，也有不可忽視的弊病。
    如果在鐵和鋁層之間，滲透某種介質（如長江水PH45～8），那么，金屬的電極電位發(fā)生變化，產生電化腐蝕，會產生不利因素。所以，原蘇聯在海船防腐中采用鋅鋁合金取得較好效果。
    稀土鋁涂層的特性如何呢？所謂稀土鋁是在純鋁冶煉過程中，加入少量的稀土元素在高溫下熔化，并通過高壓氣流霧化噴射到鋼鐵表面，形成非常致密的涂層，最大限度地杜絕第3種介質滲入鐵和鋁層之間，再用環(huán)氧密封涂料進一步滲入保護，克服電化腐蝕作用，使鋁在大氣中穩(wěn)定性充分發(fā)揮而起長效防腐作用。
    為了進一步證實稀土鋁、純鋁和純鋅的各種性能指標。生產廠家對3種材料在同等條件下，制作54塊試板，分別用電弧噴涂的普通噴槍和高速噴槍噴涂作特性試驗。
    試驗噴涂在粗糙度達60～90m之間，涂層厚度分別為鋅＞160m，鋁＞120m情況下，對3種材料的抗蝕性能和物理性能（貫穿到基體的孔隙，與基體的結合性能）測定，并作了噴涂技術的論證。
    綜合各涂層性能，證明了AcAL涂層孔隙率低，銹蝕滯呆，抗蝕性優(yōu)于純AL和純Zn。
    應該指出：涂層的優(yōu)劣，在很大程度上取決于操作方法和環(huán)境以及操作人員技術水平，因此，在施工實踐中，嚴格按標書、規(guī)范指導，施工前對操作人員培訓，加強檢測工作，保證施工質量。
    3、人字門防腐工程操作實踐及質量保證
    3.1 防腐材料的選擇
    利用稀土鋁作為防腐涂層材料有優(yōu)點，但是，要被防腐施工單位和業(yè)主接受，仍然有一個認識過程。傳統(tǒng)的噴鋅已被工程界使用二三十年，傳統(tǒng)觀念認為簡單、可靠、易操作，無須重新探索工藝，只要符合設計要求，仍得到廣泛應用。然而，鋅防腐有其弱點，其中環(huán)境污染問題不容忽視。鋅在高溫熔化和高壓霧化過程中釋放大量氧化鋅粉塵，具有較強毒性，少量吸入能使人頭昏、惡心，在大氣中懸浮是大氣污染的主要固體成分，各國、各地環(huán)保機構對氧化鋅有害氣體已加快限制。
    稀土鋁絲雖有放射線，經預防醫(yī)學研究院檢驗，AcAl絲表面外照劑量率為0.21～0.25（μsv/h），低于GB4792-81《放射衛(wèi)生防護基本標準》限值2.5（μsv/h）標準，不致對人體有害。
    稀土鋁涂層由于空隙率低，能夠防止或減少電化腐蝕，鋁層又有自愈能力和氧化鋁膜層保護對鋼鐵表面能起長效防腐作用。但是熱噴稀土鋁的操作工藝，對環(huán)境、操作人員的技術水平要求比噴鋅嚴格，在施工實踐中應予重視。
    3.2 熱噴稀土鋁對金屬結構件表面予處理的質量要求
    SL105-95規(guī)范要求金屬結構件表面清潔度Sa21/2級（GB8923-88），無油污、水、銹蝕及粉塵等臟物。油、水之類在高溫下很塊形成油（水）霧或汽泡隔離了極細的鋁晶粒，導致涂層和基體結合力下降，也是涂層鼓泡的主要原因，銹斑及粉塵對涂層也會起隔離作用，影響結合力，噴涂稀土鋁對清潔度要求嚴格，在噴涂過程中還應防止粉塵對金屬表面的二次污染。
    粗糙度是涉及金屬熱噴涂的結合力和表面質量的指標。金屬基體經過噴砂后表面形成高低不平的峰谷，不僅增加了表面面積，而且使稀土鋁晶粒在高溫高壓氣流沖擊下嵌入谷部互相熔融，在一定膜厚條件下形成防腐層，增加涂層結合力；但是，粗糙度過大卻使效果相反，會導致防腐表層不光滑，使涂料涂層的光澤受到影響。特別應避免粗糙度值大于金屬涂層厚度。實際施工中，我們強調粗糙度的均勻性，一般不宜超過100m。噴涂后再涂上防腐涂料可取得良好效果。
    3.3 影響熱噴金屬質量的因素
    熱噴金屬的涂層厚度是涉及工程質量、工效、使用壽命、工程造價的重要指標。按設計要求人字門噴鋅＞160m，噴稀土鋁＞120m；實踐證明，過厚的涂層不僅影響工效和成本，而且會造成結合力下降。施工中多次發(fā)現由于涂層太厚或涂層不均而脫落現象，涂層厚度和溫度梯度形成正比。涂層越厚與鋼板基體溫差越大，由于鋁或鋅與鐵的熱漲系數不同，致使涂層脫落。在監(jiān)理過程中，按設計要求涂層厚控制上限噴鋅不大于200m，噴稀土鋁小于140m，操作要求均勻表面無大顆粒或未熔融現象。
    噴涂稀土鋁的質量很大程度取決于噴涂方式，即金屬熔融和氣流對金屬的霧化程度及粒子速度。
    眾所周知，火焰噴涂燃燒溫度低于電弧噴涂。如果采用罐裝氧氣和乙炔，那么，操作時會隨著燃燒時間延長，壓力減少，火焰溫度下降，導致熔融不佳，影響質量。所以，噴稀土鋁應盡量采用電弧噴涂，即使局部位置（如角鐵背面、邊角）電弧噴涂無法使用，也應對火焰燃燒溫度采用措施，應保持恒溫并達到750℃以上。
    操作電弧噴涂時必須保持輸出電流、電壓穩(wěn)定，其值應通過試驗來定，一般電壓控制在28～30V，電流在180～220A之間。
    影響涂層質量的另一重要因素是氣流壓力、流速及霧化狀況，氣流壓力在0.45～0.6 MPa范圍力求穩(wěn)定，一般噴涂機常用亞音速，目前，科研人員在普通噴槍基礎上，應用空氣動力學原理，制造成超音速氣流噴槍，不僅使噴涂粒子的速度增加，從而提高射流動能（△E=1/2mv2）而且霧化狀況得到改善，晶體更細，火焰束變成窄長，粒子束相對集中，使涂層結合力大大增加，孔隙率下降。如果能改進結構，適用施工現場操作，降低造價，可以廣泛推廣。在操作時，槍口與基體距離為150～180mm為宜，使用高速噴槍應盡量避免氣流激波，減少飛濺，提高涂層晶粒的沉積率。
    3.4 稀土鋁和鋅涂層材料價格分析
    先進的技術和工藝不能不考慮經濟性，用稀土鋁代替鋅作為防腐材料是否提高工程成本，參見表1。

表1　材料成本價計算參數
--------------------------------------------------------------------------------
材料名稱 涂層厚度 噴涂損耗系數 村料比重 每m2用量 市場價格 10000m2用料價格 
--------------------------------------------------------------------------------
噴鋅 160μm 1.5 6.3t/kg 1.5/kg 15000 22.68萬 
噴稀土鋁 120μm 1.8 62.7t/m2 0.6kg 23000 13.8萬 
--------------------------------------------------------------------------------
　　由表1可見用稀土鋁作為噴涂材料其價格低于鋅價。

    即使噴稀土鋁施工其他費用略高于噴鋅，但總造價不會高于噴鋅，經濟上是合算的。

    4、結論和建議
    （1）通過對三峽永久船閘人字閘門防腐施工采用的稀土鋁材料所作技術經濟分析和論證，可以認為稀土鋁作為新型高科技材料不僅能使防腐效果達到優(yōu)質長效，而且可以降低造價，值得推廣。
    （2）進一步研究噴涂技術，特別是研究輕型高速噴槍，對于防腐技術的發(fā)展十分必要，應成為今后發(fā)展方向。
    （3）建議有關部門對應用稀土鋁作為防腐材料，應制訂標準和規(guī)范化。
    （4）推廣稀土鋁涂層防腐時，尚需進一步研究耐沖擊的外層涂料防腐，避免對稀土鋁涂層機械拉傷和沖擊，防止涂層破壞而導致電化腐蝕。