彭 淵,傅永平

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省紹興縣塘閘管理處,浙江 紹興 312000)

1 問題的提出

水閘是為城市供水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水、防洪、防潮、排澇等方面服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前,我國水閘大部分建于20世紀(jì)50—70年代,限于當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件,普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差、配套設(shè)施不全等先天性問題。投入運(yùn)行后,由于長期缺乏良性管理體制與機(jī)制,工程管理粗放,缺乏必要的維修養(yǎng)護(hù),加之近年來全球氣候變化,極端天氣事件頻發(fā),水閘遭受地震、泥石流、洪水等超標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷,加劇了水閘病險程度。在全國近4.1萬座小 (1)型以上水閘中,有2/3以上存在不同程度的病險情況,存在著重大安全隱患,已成為我國水利工程體系中的薄弱環(huán)節(jié)。

目前我國水閘存在的病險種類繁多,除了超設(shè)計使用年限、工程建設(shè)先天不足等因素外,環(huán)境污染也是主要因素。由于河道水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重以及部分水閘地處沿海地區(qū),水閘運(yùn)行環(huán)境極為不利,受廢污水腐蝕和海水銹蝕而造成閘門及門槽埋件等金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕成為主要病險問題之一,需進(jìn)行更換或者修補(bǔ)。但因水閘年代久遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)單薄,對閘門埋件及門槽埋件等金屬件進(jìn)行更換,會對閘門門體或者閘墩混凝土局部結(jié)構(gòu)造成破壞,更換難度大,嚴(yán)重時會對水閘整體結(jié)構(gòu)造成影響。因此對于銹蝕不太嚴(yán)重、更換困難的金屬件,選擇合適的金屬修補(bǔ)材料對其進(jìn)行修補(bǔ),延長其使用壽命是一條可行的途徑。

2 閘門及門槽金屬件腐蝕的原因

金屬在水溶液中的腐蝕反應(yīng)是由金屬氧化為金屬離子和溶液中去極化還原這一對共軛電化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成的。

沿海地區(qū)水閘長期受海水影響,海水是含鹽量很高的電解質(zhì)溶液,金屬在海水中發(fā)生氧去極化腐蝕,氧含量和海水流速等因素加快了腐蝕速度。內(nèi)陸地區(qū)水閘的金屬件受當(dāng)?shù)氐拇髿夂秃铀|(zhì)的影響,也會有不同程度的腐蝕。如大氣或水體中存在二氧化硫、三氧化硫、硫化氫、氯化物和氨時,都會明顯促進(jìn)金屬的腐蝕。

水閘金屬材料所處的水上與水下的各個部分環(huán)境條件不同,其腐蝕情況也不同,一般分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和泥漿區(qū)。其中飛濺區(qū)浪花飛濺,忽干忽濕,表面積存的鹽分要高得多,浪花泡沫攜帶著空氣使氧氣含量增高,是對金屬腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域,如果不加防腐處理則腐蝕速度可達(dá)到0.5～1.0 mm/a,為海水全浸區(qū)的5～10倍。

3 聚合物金屬修補(bǔ)材料

因受當(dāng)時的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制,以往除險加固的水閘中常見的閘門及門槽金屬件,按材料大致可分為普通鋼材和鑄鐵件。對于銹蝕不太嚴(yán)重的普通鋼材的修復(fù),尤其是門槽埋件可以采用埋件除銹后外側(cè)焊接不銹鋼板,最后在埋件表面進(jìn)行防腐蝕處理的方法。但對于鑄鐵件,本身是脆性材料,含碳量高,塑性差,組織不均勻,焊接性很差,容易出現(xiàn)白口組織、裂紋和氣泡的缺陷,不適合采用外焊接不銹鋼板的修復(fù)方法。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展,高分子聚合物材料的出現(xiàn)為鑄鐵件的修補(bǔ)提供了途徑。聚合物材料—環(huán)氧樹脂具有良好的物理化學(xué)性能,被廣泛地應(yīng)用于設(shè)備材料的修復(fù)中。

3.1 環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

環(huán)氧樹脂是指1個分子中含有2個或2個以上環(huán)氧基的樹脂,它是具有環(huán)氧基的化合物與多元羥基化合物進(jìn)行縮聚反應(yīng)生成的熱塑性高分子預(yù)聚體。其優(yōu)點(diǎn)是對金屬和非金屬材料的表面具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度高;固化時無小分子生成,因而密度大、固化收縮率低;耐腐蝕性能、電絕緣性能良好;耐熱性能、耐水性能好;固化成型方便。缺點(diǎn)是耐溫和耐堿性較差,但若對其予以改性,應(yīng)用范圍將有很大的擴(kuò)展。

3.2 改性環(huán)氧修補(bǔ)材料的配置

工程應(yīng)用中為使環(huán)氧樹脂性能滿足要求和方便施工操作,需對環(huán)氧樹脂基材進(jìn)行改性,以提高其性能。改性過程中在環(huán)氧樹脂中添加固化劑、稀釋劑、填料和改性劑等添加劑。

環(huán)氧樹脂選用黏結(jié)性能好的中等環(huán)氧值(0.25～0.45)的樹脂,如6101、634#;固化劑是必不可少的添加劑,否則環(huán)氧樹脂不能固化,要求固化劑耐腐蝕性好,常用的環(huán)氧樹脂固化劑有脂肪胺、脂環(huán)胺、芳香胺等;改性劑的作用是為了改善環(huán)氧樹脂的鞣性、抗剪、抗彎、抗沖、提高絕緣性能。不同的改性劑有不同的作用,此次選用650#聚酰氨樹脂以提高抗沖擊鞣性;填料的作用是改善制品的性能,也可以減少環(huán)氧樹脂的用量,降低成本,可選用鐵粉、鋅粉、鈦粉和水泥作為填料。由于填料粒徑較小,分散性良好,能很好地分散于改性環(huán)氧樹脂中,強(qiáng)度很高,可以調(diào)高材料的硬度;稀釋劑的作用是降低黏度,改善樹脂的滲透性。稀釋劑可分惰性及活性2大類,用量一般不超過30%。

3.3 改性環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料防腐蝕作用機(jī)理

環(huán)氧樹脂本身具有耐腐蝕性能。作為金屬表面的修補(bǔ)材料,它不僅僅是機(jī)械地把腐蝕介質(zhì)和金屬表面隔離開起到保護(hù)作用,而且還由于成膜物的性質(zhì)以及各種助劑等方面的因素,使修補(bǔ)材料具有物理和電化學(xué)的保護(hù)作用。

(1)屏蔽作用。在于防止外界的腐蝕介質(zhì)接觸修補(bǔ)材料下的金屬表面,避免了金屬的腐蝕。

(2)緩蝕、鈍化作用。材料中除含有成膜物之外,還可使金屬表面鈍化,從而起到防腐蝕作用。

(3)電化學(xué)作用。在防腐蝕材料的填料中如含有大量金屬鋅粉時,則形成一個由鋅粉和底材鋼板組成的微電池,在電化學(xué)上鋅是比鋼鐵更活潑的金屬,所以電流就從鋅向鋼鐵流動,含鋅涂層為陽極,鋼鐵成為陰極,從而保護(hù)了鋼鐵不受腐蝕。

3.4 改性環(huán)氧修補(bǔ)材料修補(bǔ)步驟

改性環(huán)氧修補(bǔ)材料修補(bǔ)的基本工藝為:表面處理—配制修補(bǔ)劑—涂抹—固化—后處理。

(1)對閘門和門槽金屬埋件修補(bǔ)面通過打磨機(jī)、噴砂機(jī)或用砂布、鋼絲刷等工具打磨,去掉表面氧化層和雜質(zhì),直至露出金屬原色,并且將表面的氣孔、砂眼里面用銼刀將疏松的材質(zhì)除去,再用丙酮將表面徹底清洗干凈。

(2)根據(jù)配合比用量,按比例配置修補(bǔ)劑,并且攪拌均勻。

(3)涂抹材料第1層要薄,要確保粘接及覆蓋,再將材料均勻地涂抹到整個修復(fù)表面,涂抹第2層材料前應(yīng)將前一層材料仔細(xì)修理一遍,不應(yīng)有氣孔、裂縫、不密實等現(xiàn)象,確保填實并留有加工余量。

(4)完全固化24 h/24℃。溫度每提升11℃,固化時間縮短1/2,但提升溫度不得超出材料的承受溫度。

(5)用250目細(xì)砂紙研磨環(huán)氧修補(bǔ)后的表面直至平滑,表面修整后,用水磨砂紙研磨保養(yǎng)2 d后,可投入使用。

3.5 應(yīng)用實例

浙江省紹興縣新三江閘為Ⅱ等水利工程,建于1981年,是蕭紹平原的主要排澇工程,在馬山閘等其他水閘配合下,承擔(dān)著蕭紹平原紹興市約 3.607萬 hm2、蕭山約1.267萬hm2、上虞市約0.6萬hm2的農(nóng)田和紹興 1 582 km2的灌溉排澇任務(wù)[2]。新三江閘為胸墻式閘室結(jié)構(gòu),全閘共分15孔,每孔高4.8 m,凈寬6 m,閘孔總凈寬90 m,最大過閘流量 1 420 m3/s。新三江閘為二類閘,需進(jìn)行除險加固。

在新三江閘除險加固過程中,發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土閘門的金屬結(jié)構(gòu)及門槽金屬埋件銹蝕嚴(yán)重。施工過程中對閘門的主滑塊座、吊座、壓板、螺栓、止水橡皮、吊梁及吊梁導(dǎo)向滾輪、下游閘門短拉桿等構(gòu)件全部進(jìn)行更換;對門槽鑄鐵金屬埋件進(jìn)行機(jī)械除銹后,采用改性環(huán)氧修補(bǔ)材料修補(bǔ)門槽鑄鐵埋件的蝕坑缺陷。

根據(jù)浙江省水利河口研究院試驗室提供的鑄鐵門槽埋件改性環(huán)氧修補(bǔ)材料配合比試驗報告,確定改性環(huán)氧修補(bǔ)材料成分(見表1),材料試驗成果見表2。

表2 改性環(huán)氧修補(bǔ)材料試驗成果表

經(jīng)過2 a的運(yùn)行,2011年檢修時,修補(bǔ)后的鑄鐵門槽完好無損,抗腐蝕性好,表明改性環(huán)氧修補(bǔ)材料用于鑄鐵門槽的修復(fù)是成功的。

4 聚合物金屬修補(bǔ)材料的應(yīng)用前景

我國地域廣闊、海岸線漫長,水閘數(shù)量相當(dāng)可觀,在水閘的除險加固及維修過程中對銹蝕的閘門埋件及門槽埋件等金屬件進(jìn)行更換,往往更換難度大,而且會對原主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。對于銹蝕不太嚴(yán)重、更換困難的金屬件,可以選擇聚合物金屬修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ),以加快施工速度,減小對結(jié)構(gòu)的破壞,節(jié)約工程投資,具有廣泛的應(yīng)用前景。

另外聚合物修補(bǔ)材料通過對環(huán)氧結(jié)構(gòu)的改性、環(huán)氧合金化、填充無機(jī)填料、膨脹單體改性等高性能化后還可以制得多種防腐蝕涂料[4],如:聚硫橡膠環(huán)氧防腐蝕涂料、環(huán)氧改性橡膠瀝青防腐蝕涂料、環(huán)氧樹脂納米防腐涂料等。環(huán)氧防腐蝕涂料由于它的低污染、省資源、涂裝適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),成為新建工程的防腐蝕涂料品種,應(yīng)用范圍進(jìn)一步得到延伸。

5 水閘工程金屬件選材的思考

在水閘的維修及管理過程中,金屬件銹蝕是個普遍存在的問題,嚴(yán)重影響了水閘的使用壽命。金屬件的修復(fù)及更換往往難度大,施工復(fù)雜,因此在水閘建造過程中,合理地對閘門及門槽等預(yù)埋金屬件進(jìn)行設(shè)計和選材顯得尤為重要。

金屬件的選材首要問題是根據(jù)對應(yīng)的工作環(huán)境和設(shè)計壽命,選擇相應(yīng)耐蝕級別的金屬材料。選材時綜合各種原則選擇最適用的材料,如材料使用壽命應(yīng)與工程的設(shè)計壽命相匹配;要求材料具有高的性價比,既具有滿足設(shè)計和工作環(huán)境條件要求的性能又具有較低的價格成本;所用材料市場供應(yīng)充足,鑄件加工工藝易于實現(xiàn)。表3列舉了不同金屬材料的耐蝕情況,供參考。

表3 部分金屬材料耐蝕情況表

由表3可知,鈦及其高合金和不銹鋼,如316、316 L、317、317 L等具有優(yōu)良的耐蝕性能,但價格昂貴且制造工藝復(fù)雜,很少采用;普碳鋼及普通鑄鐵的性能達(dá)不到設(shè)計要求也不宜采用:當(dāng)設(shè)計要求不高的情況下可以用合金鑄鐵STNi3、STNi2Cr、STNi4Cr2等;當(dāng)設(shè)計要求高時可用高鎳奧氏體鑄鐵,如GGL-NiCuCr15 6 2,或者采用鎳鉻奧氏體不銹鋼。

6 結(jié) 語

不同材料的抗海水腐蝕的基本性能是有差異的,但區(qū)別不大,而且工程用材量大,很難根據(jù)區(qū)帶腐蝕情況細(xì)致分類。因此設(shè)計時采取的防腐措施比選擇合金含量、抗腐蝕性能好的金屬材料更重要,如海平面以上可以用普碳鋼架防腐措施,水下全浸區(qū)和浪濺區(qū)選用耐蝕能力強(qiáng)的耐蝕鑄鐵或不銹鋼等材料,并且表面進(jìn)行防腐處理。綜合考慮金屬材料的使用環(huán)境、耐海水腐蝕的性能和制造成本等多種因素,性價比較好的低鎳鉻合金鑄鐵(STNi2Cr)是國內(nèi)外應(yīng)用較多的一種耐海水腐蝕的鑄鐵,在我國沿海水利工程閘門及門槽埋件中獲得廣泛應(yīng)用。

[1]黃國興,陳改新.水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2]王立軍,嚴(yán)其芳.浙江省紹興縣新三江閘除險加固工程初步設(shè)計報告[R].上海:上海市水利工程設(shè)計研究院,2008.

[3]郭劉秀.用改性環(huán)氧膠泥修復(fù)壓縮機(jī)缸筒 [J].腐蝕與防護(hù),2003,24(5):224-225.

[4]孔愛平,王軍.基于化工設(shè)備金屬腐蝕及環(huán)氧防腐涂層的應(yīng)用研究 [J].遼寧化工,2007,36(5):330-333.