对北运河闸门最优防腐方案的探讨（奚学仁,凌玉梅,白云庆）

时间：2021-01-12 08:02:52　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：针对北运河上座闸北关闸、偷林庄闸和杨洼闸的闸门锈蚀现状, 通过对不同的防腐方案进行经济技术比较分析, 提出一种较理想的闸门防腐方案。

关键词：闸门防腐材料

闸门是水利工程的重要组成部分, 对水利工程的防洪和水资源管理起着重要作用。闸门锈蚀是影响闸门寿命的最重要的因素之一, 因此提高闸门的防腐蚀质量, 延长其使用寿命对水利工程有着重大意义。

北运河自源头起, 由北向南依次有北关闸、榆林庄闸和杨洼闸座大闸。由于河流被严重污染, 长期运行中闸门结构被严重腐蚀而降低承载能力, 威胁闸门的安全运行。多年来虽然对座闸的闸门进行了多次喷涂防腐处理, 但效果都很不理想, 锈蚀依然严重。因此, 我们认为喷涂防腐这种工艺不适应北运河目前的水质状况, 在将这些闸都拆除重建之际, 应该对闸门的防腐提出更高的要求。因此,有必要提出一种闸门的最优防腐方案在北运河各闸重建中应用。

1 闸门防腐方案的经济技术分析

在闸门防腐设计时, 合理的防腐方案要考虑闸门使用环境、运行工况及维修管理等多种因素。有时最有效的措施, 往往需付较高的成本, 这就需要通过经济技术比较论证选定合理的方案。

1.1 不同防腐工艺的比较

闸门防腐工艺目前主要有喷涂防腐、金属热喷涂和阴极保护法以及闸门结构本身使用抗腐蚀材料。

1.1.1 喷涂防腐

喷漆防腐施工简单, 工艺流程如图1。其中前3个工序为表面预处理。涂料保护系统, 即防腐蚀涂层系统中基体金属应附着良好的底漆和具有耐腐、耐水性的面漆组成,中间层宜选用能增加与底、面漆之间的结合且具有一定耐腐蚀性能的涂料。

闸门的表面预处理、涂膜厚度、涂料的组成及涂装的工艺条件等因素对涂膜寿命的影响统计分析结果见表1。

由表1可见闸门的表面预处理是喷漆防腐的关键因素。喷漆防腐的费用较低, 为70元/m2左右但喷漆施工时易受闸门构件的尺寸和几何形状的限制, 即存在不能进行喷漆的死角, 只能靠刷漆或滚漆作为喷漆的辅助手段, 这不仅费工费时、加大劳动强度, 而且涂层厚度不均匀。北运河上的3座大型闸门运行证明该工艺对常年浸泡在污水中的防腐效果不理想。喷漆防腐一般维修周期为3一4a, 频繁的维修既造成浪费而且经常对闸门进行喷砂处理, 必然使闸门受力构件断面减小, 整体强度降低。因此喷漆防腐不应成为新建闸的选择方案。

1.1.2 金属热喷涂

金属热喷涂是将锌、铝等金属在钢材表面形成镀层。该保护系统应包括金属喷涂层和涂料封闭层。金属热喷涂和涂料的复合保护系统还应在涂料封闭后, 涂覆面漆。其工艺流程见图2。该工艺比喷漆防腐工艺复杂, 主要多了一道喷涂金属材料的工序。金属涂层提供了稳定的、免于腐蚀的基底, 提高了涂料层的寿命涂料层使金属层免于在腐蚀性环境受到腐蚀, 发挥了最佳协同效应, 此外该系统本身还含电化学保护, 防腐寿命可达12—15a, 费用为120一150元/m2, 大约为喷漆防腐的2倍。但受闸门构件的尺寸和几何形状的限制, 该工艺也存在不能防护死角的问题, 产生的后果也将同喷漆防腐一样。因此金属热喷涂不应是新建闸的最佳防腐选择方案。

1.1.3 阴极保护

阴极保护法是利用电化学的原理, 将闸门作为腐蚀电池的阴极而不受腐蚀。阴极保护有2种作法。

(1)牺牲阳极保护法。在闸门表面上, 安装离子化倾向比钢材更大的金属材料, 如铝、锌、镁等作为牺牲阳极。它们被直接焊在闸门的表面上。离子化倾向大的金属作为腐蚀电池的阳极被腐蚀, 而钢闸门作为阴极则得到电子的保护免于腐蚀。该方法由于阳极不断失去电子而被消耗, 因此应首先考虑阳极的使用年限, 并决定其形状和尺寸。此外还应考虑牺牲阳极的表面积与闸门的表面积的适当比例, 一般前者为后者表面积的1%一5%, 分散布置于闸门的表面。

(2)外加电流阴极保护法。把交流电降压、整流成直流电, 用铅银合金、磁性氧化铁、高硅铸铁等作阳极, 辅助阳极的引线沿闸墩的侧壁向上与电源的正极相接。一般在底板上布置阳极的方法较好, 它能使闸门上电流分布均匀,能最大限度地发挥涂层的防腐蚀效果。同时洪水期阳极不会遭到破坏。当水的电阻率在2000Ω·m以下时, 宜采用牺牲阳极法保护闸门水的电阻率在2000Ω·m以上时, 用外加电流阴极保护法有效。阴极保护法适用于常年在水中的钢构件。对于暴露在大气中的钢构件, 阴极保护法的效果就不如喷漆防腐和金属喷涂的方法。北运河的闸门启闭频繁, 它是在干湿交替、日光照晒、水流冲击情况下运行, 因州泪极保护法也不是新建闸的最佳防腐选择方案。

1.2 不同材料的闸门防腐比较

目前闸门使用的材料主要有普通钢板、球墨铸铁、混凝土、不锈钢和复合钢板。闸门材料的选择, 首先要满足力学性能、防腐性能等方面设计要求, 其次要考虑制造、运输和安装的难易程度及价格。最终通过性价比来选择最适宜的材料。下面以8m×5m的平面钢板闸门为例, 对不同材料进行分析比较。

(1)普通钢板(7.8kg/cm3)。普通钢板间门具有自重轻(9.36t)、承载能力大、性能稳定、施工和维修相对简单、具有一定的抗震性等优点。目前为普通钢板闸门设计的启闭设施含卷扬机械设备和机架桥也具有投资少等优点,已广泛应用于大中型闸门。但普通钢板闸门经喷漆防腐处理后, 如前所述, 其防腐性能在北运河的水体中表现不理想, 一般3一4a就需对闸门进行防腐处理, 且喷砂除锈后会使闸门受力构件断面减小, 整体强度降低, 进而对闸门的安全造成威胁。此外, 普通钢板的造价虽为3500一3600元/t, 其防腐处理的费用却较高, 防腐涂料150元/m2 。

(2)球墨铸铁(6.8一7.0kg/cm3)。球墨铸铁闸门布置简单、结构紧凑、节省空间, 运行管理简单。它的耐腐蚀性要高于经喷漆防腐处理后的普通钢板闸门, 尤其适合于在污水或海水环境中, 是一种较好的防腐材料。但球墨铸铁闸门需要整体铸造、整体加工, 否则闸门强度不能满足设计要求。目前有的生产制造厂采用了组装式结构, 但最大尺寸也不超过5m×5m。因此, 铸造8m×5m规格的闸门, 必须重做试验, 订做模板, 改进工艺, 从而使其造价远远高于普通钢板闸门, 达到5000一6000元/t。此外, 自重不少于60t重的闸门, 运输和安装费用高。同时,为了保证闸门的安全运行, 工作桥构架的支撑力和卷扬设备都必须大于普通钢板闸门的620%, 由此又加大了造价。因此选择球墨铸铁做这样大的闸门, 既不现实, 造价也高。

(3)钢筋混凝土。钢筋混凝土具有较好的刚度和整体性, 做成闸门制造维护较简单且造价低廉, 为280一290元/m3, 适用于小型闸门。但钢筋混凝土制成的闸门, 表面易风化, 尤其在北运河的碱性水质中更严重。由于混凝土表面风化后开裂脱落, 污水浸人, 腐蚀不能设防腐的钢结构, 安全隐患大。除了抗腐蚀性钢筋混凝土闸板不如经喷漆防腐处理后的普通钢板外, 其挠度及抗冲击性也远远低于普通钢板闸门。此外它的自重大, 8m×5m规格的平板闸门, 自重35t左右, 安装将存在较大的困难。同时其启闭设备的容量及工作桥支架的规模, 均为普通钢板闸门的3.7倍, 且其结构抗震性差, 所以在大、中型工程中不使用钢筋混凝土制的闸门。

(4)不锈钢。不锈钢闸门的延展性和防腐性较好, 维修成本比较低, 这是其他几种材料无法比拟的。但它的力学性能不如普通钢板, 不锈钢制成的闸门为达到普通钢板闸门强度, 它的重量应比普通钢板闸门重40%, 这样就需加大工作桥构架和卷扬设备而引起投资加大。不锈钢价格为普通钢材价格的4.5倍, 再考虑到不锈钢的闸门重量大的因素, 则一扇不锈钢闸门的成本是普通钢闸门的6.3倍, 即一扇8.5万元普通钢闸门如换成不锈钢制的就要花54万元, 从性价比来看不合算。

1.3 不锈钢复合钢板

不锈钢复合钢板是采用4mm厚的双相不锈钢作为复材, 20mm厚的普通钢板作为基材的复合钢板, 采用爆炸焊接技术, 即以炸药为能源, 通过炸药爆轰产生的脉冲载荷, 推动一种材料复层高速倾斜碰撞另一种材料基层, 由瞬间产生的高温高压实现2种金属的冶金结合。通常只要是可塑性金属, 均可实现2种材料的焊接。由于不锈钢复合钢板既能满足普通钢的力学性能又能满足耐腐蚀的要求, 因此应用范围很广。此类钢板第1次用于水利水电工程是在长江三峡电站二期工程厂房坝段进水口位置布置的3条排砂钢管上。

复合钢板闸门重量和普通钢板相差不多(9t左右), 维修成本较低, 较易加工, 其价格大概是不锈钢的一半左右(1.15万一1.25万元/t)。因为只考虑闸门的面板采用复合钢板, 而闸门的框架和横梁支臂等仍采用普通钢材, 所以整个闸门的造价低于15万元。此外在漂浮物处理上, 球墨铸铁闸门和混凝土闸门只能将闸全部提出水面才可解决而普通钢板、不锈钢和复合钢板种材料的闸门则能考虑舌瓣式的闸门形式来处理漂浮物而不用将闸门全部提起,这也是复合钢板闸门的一个优点。

2 薄壳式不锈钢复合板闸门

北运河闸的上下游都有水, 如杨洼, 北关闸的闸下游静水位在1一1.5m。由于闸上下游的水都是污水, 因此闸的迎水面和背水面都要受到污水的腐蚀。考虑到引起闸背面严重腐蚀的原因主要是几何形状复杂, 死角多, 处于污水中产生的电化学腐蚀比平面结构严重, 而且闸下有水的水位不超过1.5m, 产生的水压力不大。因此闸的背面也应铺设不锈钢复合板, 使整个平板闸门成为薄壳式构造,即平板闸门外露的个面全部是不锈钢材料。这样就把受力的构件全部保护起来, 有效地抵御污水的腐蚀, 大大地延长闸门的寿命。做成后闸门的总重量只增加2.5t, 不会对机架桥和卷扬设备造成较大的影响, 同时美化了闸门的外观。

3 不锈钢复合板制造工艺

不锈钢复合板生产工艺见图3。

不锈钢复合板材的焊接作为异种钢焊接工艺, 一般分为基层焊接、过渡层焊接和复层焊接。基层焊接特点是应保证焊接接头与母材的强度复层和基层之间为过渡层焊接, 这是复合板焊接的关键复层为不锈钢, 不仅要求焊接接头的强度与母材相近, 更重要的是接头的耐腐蚀性能相当于母材。因此严禁用碳钢焊条去焊接不锈钢。

不锈钢复合板焊接结构的热处理基本上与异种钢焊接热处理类似, 如需消除焊接残余应力, 利用振动设备效果更佳。

由于爆炸产生强大的作用力, 在碰撞表面的浅层2种金属的键被打开而瞬时形成新的合金(即结合表面形成一层非常薄的以微米计的新金属层, 化学成分介于2种金属之间), 因此复合板不仅具有基材优良的力学性能, 又具有复材的特殊性能(如耐腐蚀、抗磨损等)。

不锈钢复合板能经受切割、冷作、冲压、焊接、热处理等各种冷热机械加工, 很适合作为用于各种温度、腐蚀介质条件下的闸门材料, 在价格上具有不锈钢、铜、钦等纯耐蚀金属材料无法比拟的优势。

4 不锈钢复合板经济效益分析

(1)明显降低工程投资中材料费用。按1998年的市场价格, 用不锈钢复合板比用全不锈钢每吨材料可少支出2.07万元。

(2)有一些在腐蚀环境工作的碳素钢使用寿命很短就失效了, 而改用不锈钢复合板, 虽然由于材料价格比碳素钢高出几倍而使一次支出增加, 但考虑到维修更换等费用的降低和更高倍数的使用年限, 其生命周期成本大大低于碳素钢。

(3)与纯不锈钢相比, 不锈钢复合板花在焊接材料上的费用也低很多。按复合板复层厚度与基层厚度之比为1:5计算, 将有4/5的焊条用量由低价位的碳素钢焊条取代了高价位的不锈钢焊条, 2种焊条差价所带来的效益也很可观。

5 结论与建议

综上所述, 综合考虑不同材料在性能力学和防腐、加工、价格及维修成本等方面的因素, 得出以下结论球墨铸铁和混凝土均不适合用于北运河大型水闸的闸门材料,普通钢板的防腐性能又远远不及不锈钢和复合钢板。因此普通钢板闸门在大闸重建中也建议不使用。而不锈钢的闸门造价太高。不锈钢复合钢板具有优异的力学性能和防腐性能, 投资和运行的综合成本也低于其他材料。因此建议在北运河上建设新闸门时采用不锈钢复合钢板作为闸门的面板材料, 结构形式为薄壳式。

作者简介:奚学仁(1948-), 男, 教授级高工。

来源：《北京水利》2005.6

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