水工在役金屬結(jié)構(gòu)腐蝕特點(diǎn)及影響因素

水工在役金屬結(jié)構(gòu)腐蝕特點(diǎn)及影響因素1.前言閘門、啟閉機(jī)及鋼管是水工金屬結(jié)構(gòu)的主要組成部分，對(duì)水利工程的防洪、排灌、供水、航運(yùn)等合理調(diào)配及輸送水資源起著十分重要的作用。鋼結(jié)構(gòu)如長期暴露于空氣中或處于水下而未加有效的防護(hù)時(shí)，表面就要銹蝕，特別是水工金屬結(jié)構(gòu)由于水位變化而經(jīng)常處于干濕交替的環(huán)境中，更易產(chǎn)生電化學(xué)作用，銹蝕也更為嚴(yán)重。正由于水工金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特殊環(huán)境，使其腐蝕類型多種多樣。腐蝕對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的危害，不僅限于有效截面的均勻削弱，而且產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，促使結(jié)構(gòu)的脆斷。例如湖北某排水閘的鋼閘門建成使用14年后，構(gòu)件腐蝕嚴(yán)重，主要受力構(gòu)件主梁、邊梁、面板強(qiáng)度或鋼度降低了35%～40%，又如湖北省某水庫溢洪道弧形閘門主要構(gòu)件因腐蝕嚴(yán)重等原因，構(gòu)件截面削弱，有一孔門葉失穩(wěn)而發(fā)生事故。湖北省水利水電工程檢測研究中心近年已對(duì)全省六十余座水庫、百余座涵閘及十余座電排站的閘門、啟閉機(jī)和鋼管進(jìn)行了安全檢測，通過檢測統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)約有60%的水工鋼結(jié)構(gòu)因腐蝕而存在著嚴(yán)重的安全隱患。因而根據(jù)各自現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境條件分析造成腐蝕的主要類型及其影響因素，為以后工程改造進(jìn)行針對(duì)性的防腐設(shè)計(jì)及管理維護(hù)是十分有必要的。2腐蝕類型及分布特點(diǎn)金屬腐蝕是指金屬材料在環(huán)境介質(zhì)的作用下（包括化學(xué)、電化學(xué)和物理因素的綜合作用）引起的損壞和性能下降。按金屬腐蝕的機(jī)理，可分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕兩大類，前者是指金屬在電解質(zhì)溶液特別是水溶液中的腐蝕，后者是指高溫氣體中的腐蝕，很顯然，水工金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕主要屬于電化學(xué)腐蝕；另外按金屬腐蝕破壞的形態(tài)分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕是一種常見的腐蝕形態(tài)，它的腐蝕特征是在金屬的整個(gè)暴露表面或一個(gè)大面積上普遍地發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，可以是均勻的，也可以是不均勻的。由于水工金屬結(jié)構(gòu)常年處在水下或潮濕的環(huán)境，發(fā)生大面積腐蝕的部位較多，鋼閘門水線上下部位和容易積水的主梁、小橫梁等最為常見，處在門槽內(nèi)的邊梁也容易發(fā)生全面腐蝕。局部腐蝕是指金屬表面上各部分的腐蝕速度存在明顯差異，特別是指金屬表面的大部分腐蝕速度很小，而在有限的表面區(qū)域內(nèi)，腐蝕速度卻很快。而局部腐蝕又有多種形式，如水線腐蝕、電偶腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、焊接腐蝕、磨（沖）蝕、氣蝕、生物腐蝕及應(yīng)力腐蝕等。下面水工金屬結(jié)構(gòu)中常見的幾種典型的局部腐蝕特點(diǎn)及發(fā)生部位分別介紹如下：⑴水線腐蝕它是由金屬和含氧量不同的溶液相接觸形成的。當(dāng)金屬浸入含氧的溶液中時(shí)能形成氧電極，溶液中氧的濃度愈大，氧電極電位愈高。盡管金屬結(jié)構(gòu)處于同一種溶液中，如果各部位的含氧量不同，形成了濃差，那么氧濃度低的部位，金屬的電位較低，將成為陽極而遭受腐蝕，故又稱氧濃差腐蝕。水工金屬結(jié)構(gòu)處于半浸沒狀態(tài)時(shí)，在水線稍下的部位，由于溶氧量豐富（空氣中的氧能迅速溶入補(bǔ)充），會(huì)優(yōu)先受到腐蝕而形成一條銹蝕線，稱水線腐蝕。如圖1所示。它發(fā)生在水位鋼閘門上的常年水位線附近。圖1水線腐蝕2）電偶腐蝕凡具有不同電極電位的金屬互相接觸，并在同一的介質(zhì)中所發(fā)生的電化學(xué)腐蝕即屬電偶腐蝕。異種金屬在同一介質(zhì)中接觸，由于腐蝕電位不相等有電偶電流流動(dòng)，使電位較低的金屬溶解速度增加，造成接觸處的局部腐蝕。而電位較高的金屬，溶解速度反而減小，這就是電偶腐蝕，亦稱接觸腐蝕，一般是較低活潑的金屬、即電極電位較負(fù)的金屬作為陽極而被腐蝕。如部分鋼閘門底部采用銅止水或支承軸套、滑塊采用銅合金，在接觸處的局部腐蝕主要屬此種腐蝕。3）點(diǎn)蝕這種破壞主要集中在某些活性點(diǎn)上，并向金屬內(nèi)部深處發(fā)展。腐蝕從起始到暴露經(jīng)歷一個(gè)誘導(dǎo)期，但長短不一，有些需幾個(gè)月，有些需一年。蝕孔通常沿重力方向或橫向發(fā)展。它是最常見的一種局部腐蝕類型，普遍發(fā)生在結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位。主要與材料的成分不均勻、表面狀態(tài)及水中介質(zhì)成分（主要是氯離子）有關(guān)。其特征是在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，蝕孔不斷地向縱深處發(fā)展，若連續(xù)發(fā)展能導(dǎo)致鋼板穿孔。在鐘祥皇莊閘、新州龍口大閘進(jìn)行安全檢測時(shí)，其閘門各構(gòu)件發(fā)生的是一種典型的坑蝕，主要受力構(gòu)件均有穿孔現(xiàn)象，后經(jīng)安全校核，更換了閘門。（4）縫隙腐蝕金屬部件在介質(zhì)中，由于金屬與金屬或金屬與非金屬之間形成特別小的縫隙，使縫隙內(nèi)介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕，這種局部腐蝕稱為縫隙腐蝕。引起腐蝕的縫隙并非是用肉眼可以明辨的縫隙，而是指能使縫內(nèi)介質(zhì)停滯的特小縫隙。其寬度一般是在0.025-0.1mm的范圍。水工金屬結(jié)構(gòu)中經(jīng)常遇到金屬鉚接、螺栓連接等結(jié)構(gòu)，還有水封與壓板等結(jié)構(gòu)都不可避免地存在縫隙。當(dāng)這種具有縫隙的結(jié)構(gòu)暴露在易發(fā)生腐蝕的介質(zhì)中時(shí)，在縫隙的局部范圍內(nèi)常常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。在水工金屬結(jié)構(gòu)中，最常見的縫隙腐蝕發(fā)生在螺栓、水封等部位。當(dāng)然，常見的螺栓銹蝕的情況還與電偶腐蝕等因素有關(guān)。（5）生物腐蝕微生物對(duì)金屬的直接破壞是很少見的，但它能為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造必要的條件，促進(jìn)金屬的腐蝕。由于淡水或海水中的動(dòng)物或植物引起的，在水工金屬結(jié)構(gòu)上一般以動(dòng)物（貝類）為主。第一步是生物粘附在金屬上，其后由于表面遮蓋不均勻、厭氧菌的活動(dòng)或生物死亡腐爛而產(chǎn)生的硫化氫等，產(chǎn)生新的腐蝕環(huán)境，直接或間接地促進(jìn)金屬腐蝕。其主要的外觀特征是在生物附著處形成較為明顯的蝕坑。海洋生物腐蝕較為常見，主要發(fā)生在沿海的防潮閘，較為潔凈的淡水流域也能見到生物腐蝕，如湖北沙洋御堤閘閘門，其腐蝕類型以生物腐蝕為主。（6）焊縫腐蝕水工金屬結(jié)構(gòu)存在大量的焊縫，在焊接過程中會(huì)在焊縫局部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力及各種（微觀）組織缺陷，兩種因素的綜合作用，會(huì)加速焊縫部位的腐蝕。如果沒有涂層保護(hù)或者保護(hù)效果不好，水工金屬結(jié)構(gòu)的焊縫會(huì)優(yōu)先腐蝕。2000年，在對(duì)湖北團(tuán)風(fēng)牛車河水庫溢洪道弧形門進(jìn)行檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)其水平次梁與縱梁腹板之間為典型的焊縫腐蝕，沿焊縫部位因銹蝕比其它部位凹陷了2.5～3.5mm。仰(梅7)巷應(yīng)力腐蝕廟救金屬材料在循垃環(huán)應(yīng)力或脈動(dòng)版應(yīng)力和腐蝕介足質(zhì)的聯(lián)合作用揪下，所引起的禮另一種腐蝕形沫態(tài)稱為撐應(yīng)力腐蝕乞。賭應(yīng)力腐蝕撓形成條件是：查金屬或合金在看較多應(yīng)力下都字可以發(fā)生，而療且不要求特定少的介質(zhì)，只是涼在容易引起孔耐蝕的介質(zhì)中更寄容易發(fā)生。此（軋8秋）晶間腐蝕奉晶間腐蝕是一姜種由組織電化決學(xué)不均勻性引摔起的局部腐蝕岔。這種腐蝕首剛先在晶粒邊界液上發(fā)生，并沿村著晶界向縱深河處發(fā)展。這時(shí)張，雖然從金屬森外觀看不出有擊明顯的變化，必但其機(jī)械性能效確已大為降低們了?？?鬧9吩)掙沖蝕（磨蝕）蛇由高速水流或掃含泥沙顆粒、創(chuàng)氣泡的高速流店體直接不斷沖費(fèi)擊下，金屬表勢面造成的磨蝕桑，又稱為沖擊談腐蝕。它是由即高速流體的機(jī)謀械破壞與電化托學(xué)腐蝕兩種作基用對(duì)金屬共同捎的破壞的結(jié)果佛。在一些高水簡頭、含沙量大剩的電站工作門戰(zhàn)底緣和電站壓達(dá)力鋼管彎管段慧經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這筐種腐蝕現(xiàn)象。伴3起日腐蝕的影響因喬素翅3.迅1夸影響大氣腐蝕噴的因素罪隊(duì)金屬內(nèi)部因素盤的影響默(鵲1)麗化學(xué)成分的不晃均勻性，水工填金屬結(jié)構(gòu)所用蹦的鋼材都不是尼純鐵（償Fe湊），含的相當(dāng)度的雜質(zhì)，比如產(chǎn)碳鋼中的滲碳即體（肌Fe3C暴），它們的電收極電位比金屬皂本身的要正，隙則金屬成為腐爆蝕電池的陽極按而受破壞。能(蘿2)娛金相組織的不陷均勻性，如晶盟內(nèi)偵—葛晶界成分差異選可能導(dǎo)致晶間菠腐蝕，由偏析揚(yáng)造成的組織不迎均勻也能導(dǎo)致酸自身的腐蝕。滲（毫3鎮(zhèn)）金屬表面物濟(jì)理狀態(tài)不均勻騾，水工鋼結(jié)構(gòu)狂在制作過程中樹，由于受到冷規(guī)熱加工處理，孟如沖壓、焊接講、鋼板的彎折慧，螺栓的連接鄙等應(yīng)力集中的塊部位，其電極柴電位往往較負(fù)耳成為陽極易被怖腐蝕。此外金脾屬表面受熱不陳均勻造成的溫努度差異等也能助造成金屬不同脂部位之間的電編位差。陸3.1.頂2峰大氣腐蝕的外貞界因素藏1)疲大氣的相對(duì)濕鋼度。實(shí)際上，市對(duì)某一金屬來縮說，大氣的相減對(duì)濕度達(dá)到臨邪界相對(duì)濕度時(shí)餡，才會(huì)很快生哨銹。一般地說暮，鋼鐵生銹的咸臨界相對(duì)濕度撲為侵75充%炒。另外空氣相梢對(duì)濕度較大時(shí)往，在金屬表面湊形成的水膜厚魯度對(duì)銹蝕速度董也有一定影響墾，一般地情況培下，在水膜厚雷度仗0鋸.褲0怎1般μ保m甲～魯1mm鋼之間腐蝕最快味。玻2仁）大氣成分。毫在大氣污染物騾中慮，命SO柜2己的影響最為嚴(yán)拆重，極對(duì)美SO朱2夠促進(jìn)金屬腐蝕竹的機(jī)理有兩種懂可能：其一是榆排放出駕的濾SO綱2誦，有一部分在輛高空中能直接蘆氧化恩成棋SO源3頸溶于水后生貼成提H思2撇SO不4沈。其二是一部喘分至SO羽2按被吸附在金屬稈表面，它們與于鐵作用生成易頁溶的硫酸亞鐵隆。店Fe根SO套4芹進(jìn)一步氧化，穿并由于強(qiáng)烈的軟水解作用生成故硫酸，硫酸又男可返回和金屬脖作用，整過過獎(jiǎng)程具有自催化際作用。同樣道算理，這種可溶背性的鐵鹽還有于氯化亞鐵等。氏3踏）氣溫。環(huán)境華溫度的變化是頭影響大氣腐蝕織的又一重要因砌素，因?yàn)樗八夙懼饘俦砻媸钏羝哪厶?、凝聚水膜中煩各種腐蝕性氣性體和鹽類的溶分解度、水膜的思電阻以及腐蝕食電池陰、陽極埋過程的速度。兩溫度的影響還某要和濕度條件嫂綜合起來考慮毀。一般認(rèn)為，幟當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)般到金屬腐蝕的繩臨界相對(duì)濕度帶時(shí)，溫度每升梅高綿1鎮(zhèn)0見℃飽，銹蝕速度約源提次高婦2屬倍。洋4兩）固體塵粒。擔(dān)大氣中的灰塵俗顆粒也能加速歷腐蝕，它的組鹽成十分復(fù)雜，幻除包括碳和碳鏟化物、硫酸鹽復(fù)、氮化物、銨洞鹽等固體顆粒悄外，沿海地區(qū)前還的海鹽顆粒都。它們對(duì)大氣鎖腐蝕的影響方寧式可分為三類定：一是塵粒本除身具有腐蝕性細(xì)，如銨鹽顆?；?，能溶入金屬絡(luò)表面水膜，提卻高電導(dǎo)或酸度侍，起促進(jìn)腐蝕詠?zhàn)饔?；二是塵辣粒本身無腐蝕卸作用，但能吸臣附腐蝕性物質(zhì)稻，如碳粒能吸缺附綠SO晨2瓦水氣，冷凝后飼生成腐蝕性的個(gè)酸性溶液；三蠻是塵粒既無腐內(nèi)蝕性，又不吸三附腐蝕物質(zhì)。臣例如砂粒落在轉(zhuǎn)金屬表面能形勤成縫隙而凝聚賞水份，形成縫絞隙腐蝕條件。徑3.浮2覽影響水中腐蝕域的因素遠(yuǎn)1皇）章P咳H崗值。水桿中煎PH4-移9喇的范圍內(nèi)腐蝕陜速度炕與干P魯H格值無關(guān)。只有喉當(dāng)肌PH<慧4茄或脆PH>州9干時(shí)，腐蝕才加撒劇。堅(jiān)2莊）溶氧。水中需的腐蝕受陰極學(xué)過程控制，除鐵酸性強(qiáng)的水以烏外，腐蝕速度章與溶氧量及氧仔的消耗成正比祖。而當(dāng)氧超過滋一定值，由于地水中高濃度的笑溶氧，會(huì)使金糠屬趨于鈍態(tài)，立使腐蝕速度下周降。但酸性水?；蚝}份高的丹水難以鈍化。事3罷）水中溶解成睜份。一般隨著喚水中含鹽量的全成份增加，腐勸蝕速度增加。愈當(dāng)溶鹽量超過嘉一定濃度后，館氧的溶解降低鐘，因而腐蝕速檔度減小。宇4憑）水溫。若腐調(diào)蝕速度受水中璃氧的擴(kuò)散控