三峽永船人字門應(yīng)用稀土鋁防腐

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 1、概況
    三峽工程永久船閘6個(gè)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(jié)構(gòu)，單扇門重791.55 t（37.5 m）和828t（38.5m）。原設(shè)計(jì)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(guān)專家建議并考慮到環(huán)境污染問題，經(jīng)過調(diào)研和試驗(yàn)，提出修改設(shè)計(jì)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(nèi)屬第一次施工，而人字閘門面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防腐質(zhì)量要求高，從試驗(yàn)到制造和安裝過程的實(shí)踐，都會(huì)遇到一些困難問題，因此，施工過程中需不斷研究，確保達(dá)到標(biāo)書規(guī)定的質(zhì)量要求。選用熱噴鋅稀土鋁加涂料防腐屬于先進(jìn)的防腐技術(shù)和工藝，能夠提高人字閘門的運(yùn)行壽命，延長使用周期減少運(yùn)行時(shí)維修費(fèi)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(duì)防腐工程的要求
    人字閘門的運(yùn)行壽命、維修周期和維修施工時(shí)間都直接影響長江干流通航效益。人字門安裝在6個(gè)閘首，所處的運(yùn)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(yùn)行過程中水位升降，經(jīng)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(jù)葛洲壩船閘運(yùn)行情況觀察，尤以中部腐蝕較為嚴(yán)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(shè)計(jì)要求防腐壽命為20年。滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，探索防腐質(zhì)量和效果是我們實(shí)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(jié)構(gòu)的防腐可歸納為兩種，一類是帶外電源的陰級(jí)保護(hù)，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(jià)格昂貴，不宜用于大型金屬構(gòu)件。所以，自上世紀(jì)80年代初，國際上有采用鋅鋁合金絲，我國于上世紀(jì)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(shí)，經(jīng)過試驗(yàn)報(bào)請長江委設(shè)計(jì)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(shí)踐，本文作簡單介紹。
    2.3 鋅和鋁涂層特性的比較
    上世紀(jì)50年代，國際上就開始用熱噴鋅作為鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)都屬于陽離子，屬于犧牲陽極保護(hù)，涂層的腐蝕速度每年1～3.5m。純鋁在大氣中會(huì)很快形成致密的氧化鋁膜，它具有自愈能力，且對(duì)各種涂料都是惰性的，涂料在鋁層上能牢固地結(jié)合起到保護(hù)內(nèi)層作用，其腐蝕速度小于1μm/a。由于鋁分子外層為負(fù)離子，與鐵結(jié)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(zhì)（如長江水PH45～8），那么，金屬的電極電位發(fā)生變化，產(chǎn)生電化腐蝕，會(huì)產(chǎn)生不利因素。所以，原蘇聯(lián)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(zhì)滲入鐵和鋁層之間，再用環(huán)氧密封涂料進(jìn)一步滲入保護(hù)，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(jìn)一步證實(shí)稀土鋁、純鋁和純鋅的各種性能指標(biāo)。生產(chǎn)廠家對(duì)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(yàn)。
    試驗(yàn)噴涂在粗糙度達(dá)60～90m之間，涂層厚度分別為鋅＞160m，鋁＞120m情況下，對(duì)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(jié)合性能）測定，并作了噴涂技術(shù)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(yīng)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(shù)水平，因此，在施工實(shí)踐中，嚴(yán)格按標(biāo)書、規(guī)范指導(dǎo)，施工前對(duì)操作人員培訓(xùn)，加強(qiáng)檢測工作，保證施工質(zhì)量。
    3、人字門防腐工程操作實(shí)踐及質(zhì)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(diǎn)，但是，要被防腐施工單位和業(yè)主接受，仍然有一個(gè)認(rèn)識(shí)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(rèn)為簡單、可靠、易操作，無須重新探索工藝，只要符合設(shè)計(jì)要求，仍得到廣泛應(yīng)用。然而，鋅防腐有其弱點(diǎn)，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(qiáng)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(jī)構(gòu)對(duì)氧化鋅有害氣體已加快限制。
    稀土鋁絲雖有放射線，經(jīng)預(yù)防醫(yī)學(xué)研究院檢驗(yàn)，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(hù)基本標(biāo)準(zhǔn)》限值2.5（μsv/h）標(biāo)準(zhǔn)，不致對(duì)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(hù)對(duì)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(duì)環(huán)境、操作人員的技術(shù)水平要求比噴鋅嚴(yán)格，在施工實(shí)踐中應(yīng)予重視。
    3.2 熱噴稀土鋁對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件表面予處理的質(zhì)量要求
    SL105-95規(guī)范要求金屬結(jié)構(gòu)件表面清潔度Sa21/2級(jí)（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(xì)的鋁晶粒，導(dǎo)致涂層和基體結(jié)合力下降，也是涂層鼓泡的主要原因，銹斑及粉塵對(duì)涂層也會(huì)起隔離作用，影響結(jié)合力，噴涂稀土鋁對(duì)清潔度要求嚴(yán)格，在噴涂過程中還應(yīng)防止粉塵對(duì)金屬表面的二次污染。
    粗糙度是涉及金屬熱噴涂的結(jié)合力和表面質(zhì)量的指標(biāo)。金屬基體經(jīng)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(jié)合力；但是，粗糙度過大卻使效果相反，會(huì)導(dǎo)致防腐表層不光滑，使涂料涂層的光澤受到影響。特別應(yīng)避免粗糙度值大于金屬涂層厚度。實(shí)際施工中，我們強(qiáng)調(diào)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(zhì)量的因素
    熱噴金屬的涂層厚度是涉及工程質(zhì)量、工效、使用壽命、工程造價(jià)的重要指標(biāo)。按設(shè)計(jì)要求人字門噴鋅＞160m，噴稀土鋁＞120m；實(shí)踐證明，過厚的涂層不僅影響工效和成本，而且會(huì)造成結(jié)合力下降。施工中多次發(fā)現(xiàn)由于涂層太厚或涂層不均而脫落現(xiàn)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(shù)不同，致使涂層脫落。在監(jiān)理過程中，按設(shè)計(jì)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?；蛭慈廴诂F(xiàn)象。
    噴涂稀土鋁的質(zhì)量很大程度取決于噴涂方式，即金屬熔融和氣流對(duì)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(shí)會(huì)隨著燃燒時(shí)間延長，壓力減少，火焰溫度下降，導(dǎo)致熔融不佳，影響質(zhì)量。所以，噴稀土鋁應(yīng)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(yīng)對(duì)火焰燃燒溫度采用措施，應(yīng)保持恒溫并達(dá)到750℃以上。
    操作電弧噴涂時(shí)必須保持輸出電流、電壓穩(wěn)定，其值應(yīng)通過試驗(yàn)來定，一般電壓控制在28～30V，電流在180～220A之間。
    影響涂層質(zhì)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(jī)常用亞音速，目前，科研人員在普通噴槍基礎(chǔ)上，應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)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(dòng)能（△E=1/2mv2）而且霧化狀況得到改善，晶體更細(xì)，火焰束變成窄長，粒子束相對(duì)集中，使涂層結(jié)合力大大增加，孔隙率下降。如果能改進(jìn)結(jié)構(gòu)，適用施工現(xiàn)場操作，降低造價(jià)，可以廣泛推廣。在操作時(shí)，槍口與基體距離為150～180mm為宜，使用高速噴槍應(yīng)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(jià)格分析
    先進(jìn)的技術(shù)和工藝不能不考慮經(jīng)濟(jì)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(jià)計(jì)算參數(shù)
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材料名稱 涂層厚度 噴涂損耗系數(shù) 村料比重 每m2用量 市場價(jià)格 10000m2用料價(jià)格 
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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 
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　　由表1可見用稀土鋁作為噴涂材料其價(jià)格低于鋅價(jià)。

    即使噴稀土鋁施工其他費(fèi)用略高于噴鋅，但總造價(jià)不會(huì)高于噴鋅，經(jīng)濟(jì)上是合算的。

    4、結(jié)論和建議
    （1）通過對(duì)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(shù)經(jīng)濟(jì)分析和論證，可以認(rèn)為稀土鋁作為新型高科技材料不僅能使防腐效果達(dá)到優(yōu)質(zhì)長效，而且可以降低造價(jià)，值得推廣。
    （2）進(jìn)一步研究噴涂技術(shù)，特別是研究輕型高速噴槍，對(duì)于防腐技術(shù)的發(fā)展十分必要，應(yīng)成為今后發(fā)展方向。
    （3）建議有關(guān)部門對(duì)應(yīng)用稀土鋁作為防腐材料，應(yīng)制訂標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范化。
    （4）推廣稀土鋁涂層防腐時(shí)，尚需進(jìn)一步研究耐沖擊的外層涂料防腐，避免對(duì)稀土鋁涂層機(jī)械拉傷和沖擊，防止涂層破壞而導(dǎo)致電化腐蝕。