王快水库溢洪道金属结构防腐蚀技术研究

摘要:采用金属热喷涂涂层,加上涂料封闭技术,可以对钢铁基体起到长效保护与防腐功能,防腐年限一般可达20年左右。通过论述王快水库溢洪道金属结构防腐的重要性及现场挂片试验和室内加速试验,对王快水库溢洪道金属结构设备的腐蚀环境、防腐蚀措施、涂装材料、施工工艺等方面的技术问题进行了探讨,提出了王快水库溢洪道金属结构防腐方案、措施及施工工艺。

关键词:防腐蚀;防腐材料;试验;防腐方案;埋件防腐;施工工艺

中图分类号:TV651.1文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)01-0152-03

Technical Study on Corrosion Prevention of the Metallic Structure at Wangkuai Reservoir Spillway

FENG Bao-cai

(The Construction Bureau for the South-to-North Water Transfer Project of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Adopting Metal-hot spraying and Coating material-sealing technology,iron matrix can be protect for long time and against corrosion,and the antiseptic-age can reach about 20 years.It stated the importance of the metallic structure technical measures for corrosion prevention at Wangkuai reservoir spillway.By adopting the experiment of the corrosion behavior and the indoor accelerated test,we made an approach to the technical problems of the metallic structure at Wangkuai reservoir spillway,and proposed some anticorrosive measures and construction technology.

Key words: corrosion prevention;anticorrosion material;experiment;anticorrosion plan;anticorrosion steel inserts;the construction technology

0 前言

王快水库位于河北省保定市曲阳县境内大清河南支沙河上游,控制流域面积3 770 km²,水库总库容13.89亿m³,是以防洪为主结合灌溉、发电的大(Ⅰ)型水利枢纽工程。主要建筑物有:拦河坝、溢洪道、泄洪洞及电站[1]。因水库存在防洪保坝标准偏低、大坝下游坡过陡及泄洪洞和发电洞的闸门、启闭设备、管理设施老化等问题,王快水库大坝鉴定为“三类坝”,需对其进行除险加固。水库溢洪道除险加固工程措施为拆除改扩建,金属结构设备随水工建筑物进行拆除新建[2-4]。新建溢洪道金属结构规模较大,金属材料用量达1 500 t,需防腐的表面积为16 000 m²,且长期处于干湿交替和大气的腐蚀介质中,将会引起构件锈损失效。因此,根据环境条件和运行工况选择防腐材料、涂装措施及工艺,提高其防腐质量和水平,延长设备与构件的使用寿命,确保工程安全运行,对王快溢洪道工程来说,显得十分重要。对溢洪道金属结构防腐问题,工程建设单位和设计单位均十分重视,在工程建设单位的直接领导下,设计单位和施工单位为了作好溢洪道金属结构防腐蚀措施、涂装材料、施工工艺等方面的技术问题,进行了调研、挂片观测及室内加速试验等研究工作[5]。

1 溢洪道金属结构环境腐蚀条件的研究

为了充分了解溢洪道金属结构所处的环境介质及自然环境条件,对王快水库库区自然环境条件进行了调查研究,掌握了王快库区自然环境的科学数据[6]。

1.1 水文气象条件

王快水库地处北纬38°45′,东经114°30′,属于温带大陆性气候。流域内多年平均降水量626 mm,多集中在7月、8月、9月三个月。多年平均气温在11.34 ℃～14.64 ℃,最高气温极值为42.4 ℃,极端最低气温-24.3 ℃,无霜期200 d左右。 风季风较多,风向冬季以东北风和西北风为主;夏季以南风和西南风为主。多年平均风速为2.1～2.8 m/s,最大风速达19～24 m/s。本地区水面蒸发量为1 800～2 200 mm。库区内湿度变化不大,多年平均相对湿度为53%～66%。

1.2 水质情况

库区水体均为低矿化度淡水,多属重碳酸-钠钙水。其中固形物129.85～335.66 mg/L;暂时硬度5.12～14.28德国度;永久硬度0～3.034德国度;负硬度0～5.191德国度;总硬度5.017～15.584德国度。总硬度小于20德国度为优质饮用水,腐蚀性很小[7]。

1.3 含沙量

经过环保的治理,溢洪道泄洪时的洪水含沙量较低。

2 金属结构防腐蚀关键技术研究

根据王快水库溢洪道金属结构的运行工况和所处的自然环境条件,为了延长其金属结构的使用维修周期,提高耐腐蚀性能,对溢洪道金属结构防腐涂料选材、配套体系、热喷金属体系等进行了专题研究,并进行了现场挂片试验和室内加速试验。

2.1 防腐蚀材料的试验

为了优选防腐涂料和模拟王快水库溢洪道的实际工况,在王快水库库区建立了3个试验点,分别是大气腐蚀试验点,位于溢洪道左岸露天直晒处;水环境腐蚀试验点,位于库区水中;土壤腐蚀试验点,位于溢洪道附近。针对防腐要求和国内涂料厂家情况,优选4家的优质产品共4种防腐体系,在上述3个试验点开展了大气、水库水下、水库土壤环境下耐蚀性试验。

试验材料有:有机涂层(环氧类、丙稀酸聚氨脂类、聚氨脂类),底漆及中间涂层(环氧富锌、环氧云铁等),黑色金属(Q235、16Mn)和金属涂层(喷锌)。具体配套方案见表1。

通过试验,获得了材料的腐蚀数据及在大气、水下、土壤环境下的数据和腐蚀情况。室内加速腐蚀试验进行了耐湿热试验、耐盐水试验、耐间浸试验、耐冲击试验。

2.2 试验结果

环氧富锌涂层与金属有着很强的附着力,并对钢铁有阴极保护性能。

从涂层的耐老化性试验来看,聚氨脂和丙稀酸聚氨脂面漆有着优异的耐侯性能和装饰性能,聚氨脂应选用双组分聚氨脂涂料,其优点是涂层耐热、耐水、耐油性能更好。

热喷锌防腐性能稳定,效果良好,防渗透性强,施工工艺要求相对简单,并有着良好的牺牲阳极保护作用。热喷金属材料加上封闭涂料体系,其保护可达到长效目的,热喷金属加封闭涂料是最好的防腐蚀措施。

封闭涂料底漆采用环氧富锌涂层,不仅增强喷锌层的均匀度,对喷锌层具有很好的封闭保护作用,并且与喷锌层有着较高的结合强度。采用环氧云铁作为中间漆,在防腐层中起到承上启下的作用,保护底漆漆膜,并与面漆很好地结合。

为确保防腐蚀材料的质量,通过对各个涂料生产厂家调研和现场挂片试验及室内试验,并进行综合比较,确定石家庄油漆厂(金鱼牌)为王快水库溢洪道金属结构防腐涂料的生产厂家。

防腐蚀涂装质量直接决定防腐质量的好坏,为了确保防腐蚀的施工质量,对王快水库溢洪道金属结构防腐单位的资质、人员、设备等都有明确的规定。

2.3 埋件的防腐蚀措施试验研究

埋件的外露表面(除不锈钢表面)防腐蚀措施采用热喷锌加涂料封闭保护,所采用的涂料及配套方案与其它钢构件相同。对埋件的埋入表面(与混凝土结合面)的防腐蚀措施进行了调研和专题研究,并进行了现场试验研究。

2.3.1 防腐材料的试验

对埋件的埋入表面(与混凝土结合面)的防腐蚀措施,常规上采用苛性钠水泥沙浆进行临时保护,但在实践中,发现水泥沙浆与埋件黏接不牢固,容易脱落,导致埋件在运输露天存放过程中,由于雨淋日晒等原因产生不同程度的锈蚀,为了解决这一问题,通过调研,埋件防腐材料采用TN-922号强力胶配以普通硅酸盐水泥(425号以上),除锈后涂特种水泥浆两层,总厚度500 μm。通过现场试验,防腐效果奇佳,并获得了该材料的合理配比、工艺要求等[8]。

2.3.2 试验结果

用于第一层的特种水泥配制时,特种水泥浆可调稠些,强力胶与水泥的合理配比为1∶1.5。用于第二层的特种水泥配制时,特种水泥浆应调稀些,强力胶与水泥的合理配比为1∶1.2。

涂刷特种水泥时,当钢构件的表面温度超过35 ℃时,应停止涂刷。由于温度高、凝固快,致使与钢构件结合不好,容易脱落。

第一层凝固后,方可进行第二层涂刷,其间隔时间应大于4 h。当涂第二层特种水泥时,若间隔过长或气温过高,应在第一层上洒一遍水,再进行第二层涂刷。

特种水泥涂刷后,应针对气温环境条件,采取相应措施进行养护。并对强力胶与水泥的配比进行适时调整。

TN-922号强力胶配以普通硅酸盐水泥防锈涂层材料,强力胶属无机性质,是以无机胶凝材料和无毒高分子聚合物外加剂,其特点是无毒、无味、耐腐蚀,密封性强,结合牢固,造价低、施工简单,实践证明是理想的埋件防腐材料。

3 技术要求

3.1 涂装材料的技术要求[9-10]

①所选用的涂料,应经过工程实践证明其综合性能优良的优质产品。

②使用的涂料质量,必须符合国家标准或国际相应涂料标准。

③涂料应配套使用,底漆、中间漆、面漆应选用同一厂家的产品。

④对每一批次的涂料均应进行检验,并保留样品。

⑤对采用金属热喷涂的金属成分、纯度、直径应符合《水工金属结构防腐蚀规范》的规定。

⑥施工中,采用的任何一种涂料都应具备下列资料:a.产品说明书、产品批号、生产日期、合格证及检验资料;b.涂料工艺参数:包括配比、比重、固体含量、表干和实干时间、涂覆间隔时间、理论涂覆率、漆膜厚度;规定稀释剂的稀释材料和稀释比例及各种涂覆方法的适应性等;c.涂料的主要机械性能指标和组成涂料的原料性能指标;d.涂料厂对表面予处理、涂料配制、施工环境及工艺等要求。

3.2 涂装施工

3.2.1 施工单位及人员资质条件

①防腐施工单位要求同时具有建设部颁发的防腐保温专业 “一级企业”资质证书和水利部水工金属结构防腐蚀“施工单位”资格证书并取得了ISO9001质量体系认证证书。

②质检人员应具有国家有关部门颁发的资质证书。

③操作人员应经过专业培训,考试合格,持证上岗。

3.2.2 表面预处理

除涂层修补外,应采用喷射方法进行表面预处理。喷射处理所用的磨料必须清洁、干燥。金属磨料应符合GB6484-6487的规定,磨料料径应在0.5～1.5 mm范围内。矿物磨料粒径应在0.5～2.0 mm范围内,优选金刚砂,严禁使用河砂。磨料应不易碎裂,粉尘少,并符合环保条例的有关规定。

喷射处理前必须仔细清除焊渣、飞溅附着物,磨平焊疤、毛刺等,并清洗基体金属表面可见的油脂及其他污物。所用压缩空气,必须经过冷却装置及油水分离器处理,以保证压缩空气的干燥、无油,空气压力在0.4～0.6 MPa范围内。

喷射处理后的金属表面清洁度等级:对于热喷金属应不低于GB8923中规定的Sa2级,对于涂料涂装应不低于GB8923中规定的Sa212级,对与混凝土接触表面应达到Sa1级,手工和动力工具除锈只适用于涂层缺陷局部修理和无法进行喷射处理的部位,其表面清洁度等级应达到GB8923中规定的St3级。喷射处理后的表面粗糙度值:对于特种水泥涂装Ry应在40～80 μm范围以内,对于热喷金属和涂料涂装Ry应在60～100 μm范围以内。

喷射除锈时,施工环境相对湿度应不大于85%,环境温度应在5 ℃以上及金属表面温度应不低于露点以上3 ℃。露天施工时,雨、雪、降露和高温天气不得进行涂装施工。

3.2.3 涂装工艺

施工单位应按设计要求,制定涂装施工工艺规程报监理工程师批准后,方能进行涂装施工。

属喷涂工艺可采用电弧喷涂或火焰喷涂,优先采用电弧喷涂,涂料喷涂应采用高压无气喷涂。

金属表面喷射除锈经检查合格后,应尽快进行涂覆,其间隔时间可根据环境条件一般不超过4～8 h。各层涂料的涂装间隔时间,应在前一道漆膜达到表干后才能进行下一道涂料的涂装,具体间隔时间可按涂料生产厂的规定进行。金属热喷涂在尚有余温时,进行封闭涂料的涂装。

3.3 涂装检验

3.3.1 涂料涂装

涂装前首先要对涂料性能进行抽检,还应对环境情况(温度、湿度、天气状况及工件表面温度)进行检测记录。对表面预处理的质量、清洁度、粗糙度等进行检查,合格后方能进行涂装。涂装过程中对每一道涂层均应进行湿膜厚度检测及湿膜的外观检查。涂装结束漆膜固化后,应进行干膜厚度的测定、附着性能检查、针孔检查等。

3.3.2 热喷金属涂装

涂装前首先要对金属成份、纯度、直径进行抽检;还应对环境情况(温度、湿度、天气状况及工件表面温度)进行检测记录。对表面预处理的质量,清洁度、粗糙度等进行检查,合格后方能进行涂装。

热喷金属后,应对金属涂层外观及厚度进行检查,对金属涂层的结合性能,耐蚀性及密度等应进行抽检。只有在进行金属涂层的检验并确认合格后,才能进行封闭涂料的涂装。

3.4 涂装监理

在涂装施工单位质检基础上,由监理工程师进行涂装施工全过程监理,涂装监理除监督质量外,还将监督涂装资金的使用情况,确保涂装费用全部用在涂装施工上,以保证涂装质量[8]。

三年来,通过现场挂片及室内加速试验,以及应用在溢洪道金属结构的防腐蚀材料、配套体系、涂装工艺及运用效果来看,防腐蚀措施先进,防腐蚀配套体系最佳,防腐蚀材料质量优良,涂装工艺科学,涂层抗冲刷能力、附着力、耐候性强,可以达到长效防腐目的,得到了业主的好评。

王快水库溢洪道工程金属结构防腐蚀措施运用,提高了河北省水工金属结构防腐蚀的水平,运用的防腐蚀体系具有较高科技含量,为水工金属结构防腐蚀积累了丰富的经验。

参考文献:

[1] 河北省水利水电勘测设计研究院.王快水库除险加固工程可行性研究报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2000.

[2] 河北省水利水电勘测设计研究院.王快水库除险加固工程初步设计报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2001.

[3] SL 74-95,水利水电工程钢闸门设计规范[S].

[4] DLT 5018-1994 ,水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范[S].

[5] 河北省水利水电勘测设计研究院.王快水库除险加固工程补充初步设计报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2001.

[6] 河北省水利水电勘测设计研究院.王快水库除险加固工程溢洪道改建技施设计报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2003.

[7] GB 175-1999,硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥[S].

[8] SL 105-2007,水工金属结构防腐蚀规范[S].

[9] 河北省水利水电勘测设计研究院.王快水库除险加固工程溢洪道闸门、启闭机制造招标文件[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2003.

[10] 王快水库除险加固工程竣工设计报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院,2005.