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三峽永船人字門應用稀土鋁防腐

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三峽永船人字門應用稀土鋁防腐


    摘  要:稀土鋁作為大型船閘人字門防腐工程材料,在國內尚屬首次。從稀土鋁的防腐性能,研究施工工藝及對操作實踐的探索,為人字門的長效防腐提供實用的經驗,以利于推廣。

    關鍵詞:稀土鋁(AcAl); 防腐工程; 抗蝕性能; 粗糙度; 涂層膜厚; 結合力; 長效防腐



    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,使鋁在大氣中穩定性充分發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,抗蝕性優于純AL和純Zn。

  應該指出:涂層的優劣,在很大程度上取決于操作方法和環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點,但是,要被防腐施工單位和業主接受,仍然有一個認識過程。傳統的噴鋅已被工程界使用二三十年,傳統觀念認為簡單、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;蛭慈廴诂F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。

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