三峡永船人字门应用稀土铝防腐

摘要：稀土铝作为大型船闸人字门防腐工程材料，在国内尚属首次。从稀土铝的防腐性能，研究施工工艺及对操作实践的探索，为人字门的长效防腐提供实用的经验，以利于推广。

关键词：稀土铝（AcAl）； 防腐工程； 抗蚀性能； 粗糙度； 涂层膜厚； 结合力； 长效防腐

1 概况

　　三峡工程永久船闸6个闸首共装有24扇人字闸门，单扇闸门有高37.5和38.5m两种，宽20.3m，门厚3m，为框式金属结构，单扇门重791.55 t（37.5 m）和828t（38.5m）。原设计人字闸门防腐采用热喷锌加涂料，防腐面积分别为9 985m²（用于37.5m）和10192.5m²（用于38.5m）。1999年江南造船厂接受有关专家建议并考虑到环境污染问题，经过调研和试验，提出修改设计建议：由热喷锌改为热喷稀土铝加涂料防腐。由于热喷稀土铝作为大型闸门防腐材料在国内属第一次施工，而人字闸门面积大，结构复杂，防腐质量要求高，从试验到制造和安装过程的实践，都会遇到一些困难问题，因此，施工过程中需不断研究，确保达到标书规定的质量要求。选用热喷锌稀土铝加涂料防腐属于先进的防腐技术和工艺，能够提高人字闸门的运行寿命，延长使用周期减少运行时维修费用，提高通航综合效率。

2 人字门防腐工程特性及原理

2.1 人字闸门对防腐工程的要求

　　人字闸门的运行寿命、维修周期和维修施工时间都直接影响长江干流通航效益。人字门安装在6个闸首，所处的运行条件比较恶劣，如果按门叶高度来分，可以分为3段。上部长期处于露天大气环境中，中部随运行过程中水位升降，经常处于变水位，暴露于大气和淹没水中之交变。下部则长期淹没在水里。根据葛洲坝船闸运行情况观察，尤以中部腐蚀较为严重，下部附有海生物腐蚀，为此要求三峡船闸人字门防腐不仅要抗蚀性能好，而且要长效耐腐蚀，抗碰撞和抗海生物，按设计要求防腐寿命为20年。满足设计标准，探索防腐质量和效果是我们实践中研究的目的。

2.2 防腐方式及稀土铝涂层特性

　　除本身具有抗蚀性能的金属材料（如不锈钢）外，目前，常用钢结构的防腐可归纳为两种，一类是带外电源的阴级保护，另一类为屏障防腐（隔离防腐）。三峡工程人字闸门属后一类。屏障防腐种类甚多，效果较好者采取金属热喷涂+涂料。金属热喷涂常用材料为锌、铝、镍、铬等丝材，但是，单纯的锌、铝作为防腐都不是理想材料，而镍、铬则价格昂贵，不宜用于大型金属构件。所以，自上世纪80年代初，国际上有采用锌铝合金丝，我国于上世纪末也冶炼成锌、铝合金丝开始用于防腐材料。
江南造船厂在承制三峡人字门时，经过试验报请长江委设计院同意，用稀土铝丝作为热喷涂材料。这种材料的特性，防腐原理及施工实践，本文作简单介绍。

2.3 锌和铝涂层特性的比较

　　上世纪50年代，国际上就开始用热喷锌作为钢结构件或铸铁件的防腐。锌层在大气中有较好的耐蚀性能，但是，锌和铁的分子结构都属于阳离子，属于牺牲阳极保护，涂层的腐蚀速度每年1～3.5m。纯铝在大气中会很快形成致密的氧化铝膜，它具有自愈能力，且对各种涂料都是惰性的，涂料在铝层上能牢固地结合起到保护内层作用，其腐蚀速度小于1μm/a。由于铝分子外层为负离子，与铁结合后，离子间易渗透聚合。但是，也有不可忽视的弊病。

　　如果在铁和铝层之间，渗透某种介质（如长江水PH45～8），那么，金属的电极电位发生变化，产生电化腐蚀，会产生不利因素。所以，原苏联在海船防腐中采用锌铝合金取得较好效果。

　　稀土铝涂层的特性如何呢？所谓稀土铝是在纯铝冶炼过程中，加入少量的稀土元素在高温下熔化，并通过高压气流雾化喷射到钢铁表面，形成非常致密的涂层，最大限度地杜绝第3种介质渗入铁和铝层之间，再用环氧密封涂料进一步渗入保护，克服电化腐蚀作用，使铝在大气中稳定性充分发挥而起长效防腐作用。

　　为了进一步证实稀土铝、纯铝和纯锌的各种性能指标。生产厂家对3种材料在同等条件下，制作54块试板，分别用电弧喷涂的普通喷枪和高速喷枪喷涂作特性试验。

　　试验喷涂在粗糙度达60～90m之间，涂层厚度分别为锌＞160m，铝＞120m情况下，对3种材料的抗蚀性能和物理性能（贯穿到基体的孔隙，与基体的结合性能）测定，并作了喷涂技术的论证。

　　综合各涂层性能，证明了AcAL涂层孔隙率低，锈蚀滞呆，抗蚀性优于纯AL和纯Zn。

　　应该指出：涂层的优劣，在很大程度上取决于操作方法和环境以及操作人员技术水平，因此，在施工实践中，严格按标书、规范指导，施工前对操作人员培训，加强检测工作，保证施工质量。

3 人字门防腐工程操作实践及质量保证

3.1 防腐材料的选择

　　利用稀土铝作为防腐涂层材料有优点，但是，要被防腐施工单位和业主接受，仍然有一个认识过程。传统的喷锌已被工程界使用二三十年，传统观念认为简单、可靠、易操作，无须重新探索工艺，只要符合设计要求，仍得到广泛应用。然而，锌防腐有其弱点，其中环境污染问题不容忽视。锌在高温熔化和高压雾化过程中释放大量氧化锌粉尘，具有较强毒性，少量吸入能使人头昏、恶心，在大气中悬浮是大气污染的主要固体成分，各国、各地环保机构对氧化锌有害气体已加快限制。

　　稀土铝丝虽有放射线，经预防医学研究院检验，AcAl丝表面外照剂量率为0.21～0.25（μsv/h），低于GB4792-81《放射卫生防护基本标准》限值2.5（μsv/h）标准，不致对人体有害。

　　稀土铝涂层由于空隙率低，能够防止或减少电化腐蚀，铝层又有自愈能力和氧化铝膜层保护对钢铁表面能起长效防腐作用。但是热喷稀土铝的操作工艺，对环境、操作人员的技术水平要求比喷锌严格，在施工实践中应予重视。

3.2 热喷稀土铝对金属结构件表面予处理的质量要求

　　SL105-95规范要求金属结构件表面清洁度Sa21/2级（GB8923-88），无油污、水、锈蚀及粉尘等脏物。油、水之类在高温下很块形成油（水）雾或汽泡隔离了极细的铝晶粒，导致涂层和基体结合力下降，也是涂层鼓泡的主要原因，锈斑及粉尘对涂层也会起隔离作用，影响结合力，喷涂稀土铝对清洁度要求严格，在喷涂过程中还应防止粉尘对金属表面的二次污染。

　　粗糙度是涉及金属热喷涂的结合力和表面质量的指标。金属基体经过喷砂后表面形成高低不平的峰谷，不仅增加了表面面积，而且使稀土铝晶粒在高温高压气流冲击下嵌入谷部互相熔融，在一定膜厚条件下形成防腐层，增加涂层结合力；但是，粗糙度过大却使效果相反，会导致防腐表层不光滑，使涂料涂层的光泽受到影响。特别应避免粗糙度值大于金属涂层厚度。实际施工中，我们强调粗糙度的均匀性，一般不宜超过100m。喷涂后再涂上防腐涂料可取得良好效果。

3.3 影响热喷金属质量的因素

　　热喷金属的涂层厚度是涉及工程质量、工效、使用寿命、工程造价的重要指标。按设计要求人字门喷锌＞160m，喷稀土铝＞120m；实践证明，过厚的涂层不仅影响工效和成本，而且会造成结合力下降。施工中多次发现由于涂层太厚或涂层不均而脱落现象，涂层厚度和温度梯度形成正比。涂层越厚与钢板基体温差越大，由于铝或锌与铁的热涨系数不同，致使涂层脱落。在监理过程中，按设计要求涂层厚控制上限喷锌不大于200m，喷稀土铝小于140m，操作要求均匀表面无大颗粒或未熔融现象。

　　喷涂稀土铝的质量很大程度取决于喷涂方式，即金属熔融和气流对金属的雾化程度及粒子速度。
众所周知，火焰喷涂燃烧温度低于电弧喷涂。如果采用罐装氧气和乙炔，那么，操作时会随着燃烧时间延长，压力减少，火焰温度下降，导致熔融不佳，影响质量。所以，喷稀土铝应尽量采用电弧喷涂，即使局部位置（如角铁背面、边角）电弧喷涂无法使用，也应对火焰燃烧温度采用措施，应保持恒温并达到750℃以上。

　　操作电弧喷涂时必须保持输出电流、电压稳定，其值应通过试验来定，一般电压控制在28～30V，电流在180～220A之间。

　　影响涂层质量的另一重要因素是气流压力、流速及雾化状况，气流压力在0.45～0.6 MPa范围力求稳定，一般喷涂机常用亚音速，目前，科研人员在普通喷枪基础上，应用空气动力学原理，制造成超音速气流喷枪，不仅使喷涂粒子的速度增加，从而提高射流动能（△E=1/2mv²）而且雾化状况得到改善，晶体更细，火焰束变成窄长，粒子束相对集中，使涂层结合力大大增加，孔隙率下降。如果能改进结构，适用施工现场操作，降低造价，可以广泛推广。在操作时，枪口与基体距离为150～180mm为宜，使用高速喷枪应尽量避免气流激波，减少飞溅，提高涂层晶粒的沉积率。

3.4 稀土铝和锌涂层材料价格分析

先进的技术和工艺不能不考虑经济性，用稀土铝代替锌作为防腐材料是否提高工程成本，参见表1。