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水工在役金属结构腐蚀特点及影响因素
1.前百闸门、启闭机及钢管是水工金属结构的主要组成部分,对水利工程的防洪、排灌、供水、航运等合理调配及输送水资源起着十分重要的作用钢结构如长期暴露于空气中或处于水下而未加有效的防护时,表面就要锈蚀,特别是水工金属结构由于水位变化而经常处于干湿交替的环境中,更易产生电化学作用,锈蚀也更为严重正由于水工金属结构复杂的特殊环境,使其腐蚀类型多种多样腐蚀对金属结构的危害,不仅限于有效截面的均匀削弱,而且产生局部锈坑,引起应力集中,降低结构的承载能力,促使结构的脆断例如湖北某排水闸的钢闸门建成使用14年后,构件腐蚀严重,主要受力构件主梁、边梁、面板强度或钢度降低了35%40%,又如湖北省某水库溢洪道弧〜形闸门主要构件因腐蚀严重等原因,构件截面削弱,有一孔门叶失稳而发生事故湖北省水利水电工程检测研究中心近年已对全省六十余座水库、百余座涵闸及十余座电排站的闸门、启闭机和钢管进行了安全检测,通过检测统计,发现约有60%的水工钢结构因腐蚀而存在着严重的安全隐患因而根据各自现场的实际环境条件分析造成腐蚀的主要类型及其影响因素,为以后工程改造进行针对性的防腐设计及管理维护是十分有必要的2腐蚀类型及分布特点金属腐蚀是指金属材料在环境介质的作用下(包括化学、电化学和物理因素的综合作用)引起的损坏和性能下降按金属腐蚀的机理,可分为电化学腐蚀和化学腐蚀两大类,前者是指金属在电解质溶液特别是水溶液中的腐蚀,后者是指高温气体中的腐蚀,很显然,水工金属结构的腐蚀主要属于电化学腐蚀;另外按金属腐蚀破坏的形态分为全面腐蚀和局部腐蚀全面腐蚀是一种常见的腐蚀形态,它的腐蚀特征是在金属的整个暴露表面或一个大面积上普遍地发生化学或电化学反应,可以是均匀的,也可以是不均匀的由于水工金属结构常年处在水下或潮湿的环境,发生大面积腐蚀的部位较多,钢闸门水线上下部位和容易积水的主梁、小横梁等最为常见,处在门槽内的边梁也容易发生全面腐蚀局部腐蚀是指金属表面上各部分的腐蚀速度存在明显差异,特别是指金属表面的大部分腐蚀速度很小,而在有限的表面区域内,腐蚀速度却很快而局部腐蚀又有多种形式,如水线腐蚀、电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、焊接腐蚀、磨(冲)蚀、气蚀、生物腐蚀及应力腐蚀等下面水工金属结构中常见的几种典型的局部腐蚀特点及发生部位分别介绍如下⑴水线腐蚀它是由金属和含氧量不同的溶液相接触形成的当金属浸入含氧的溶液中时能形成氧电极,溶液中氧的浓度愈大,氧电极电位愈高尽管金属结构处于同一种溶液中,如果各部位的含氧量不同,形成了浓差,那么氧浓度低的部位,金属的电位较低,将成为阳极而遭受腐蚀,故又称氧浓差腐蚀水工金属结构处于半浸没状态时,在水线稍下的部位,由于溶氧量丰富(空气中的氧能迅速溶入补充),会优先受到腐蚀而形成一条锈蚀线,称水线腐蚀如图1所示它发生在水位钢闸门上的常年水位线附近钢结构铁锈空气水线液体图1水线腐蚀2)电偶腐蚀凡具有不同电极电位的金属互相接触,并在同一的介质中所发生的电化学腐蚀即属电偶腐蚀异种金属在同一介质中接触,由于腐蚀电位不相等有电偶电流流动,使电位较低的金属溶解速度增加,造成接触处的局部腐蚀而电位较高的金属,溶解速度反而减小,这就是电偶腐蚀,亦称接触腐蚀,一般是较低活泼的金属、即电极电位较负的金属作为阳极而被腐蚀如部分钢闸门底部采用铜止水或支承轴套、滑块采用铜合金,在接触处的局部腐蚀主耍属此种腐蚀3)点蚀这种破坏主要集中在某些活性点上,并向金属内部深处发展腐蚀从起始到暴露经历一个诱导期,但长短不一,有些需几个月,有些需一年蚀孔通常沿重力方向或横向发展它是最常见的一种局部腐蚀类型,普遍发生在结构的各个部位主要与材料的成分不均匀、表面状态及水中介质成分(主要是氯离子)有关其特征是在一定的区域范围内,蚀孔不断地向纵深处发展,若连续发展能导致钢板穿孔在钟祥皇庄闸、新州龙口大闸进行安全检测时,其闸门各构件发生的是一种典型的坑蚀,主要受力构件均有穿孔现象,后经安全校核,更换了闸门
(4)缝隙腐蚀金属部件在介质中,由于金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙,使缝隙内介质处于滞流状态,引起缝内金属的加速腐蚀,这种局部腐蚀称为缝隙腐蚀引起腐蚀的缝隙并非是用肉眼可以明辨的缝隙,而是指能使缝内介质停滞的特小缝隙其宽度一般是在
0.025-
0.1mm的范围水工金属结构中经常遇到金属钾接、螺栓连接等结构,还有水封与压板等结构都不可避免地存在缝隙当这种具有缝隙的结构暴露在易发生腐蚀的介质中时,在缝隙的局部范围内常常会发生严重的腐蚀在水工金属结构中,最常见的缝隙腐蚀发生在螺栓、水封等部位当然,常见的螺栓锈蚀的情况还与电偶腐蚀等因素有关
(5)生物腐蚀微生物对金属的直接破坏是很少见的,但它能为电化学腐蚀创造必要的条件,促进金属的腐蚀由于淡水或海水中的动物或植物引起的,在水工金属结构上一般以动物(贝类)为主第一步是生物粘附在金属上,其后由于表面遮盖不均匀、厌氧菌的活动或生物死亡腐烂而产生的硫化氢等,产生新的腐蚀环境,直接或间接地促进金属腐蚀其主要的外观特征是在生物附着处形成较为明显的蚀坑海洋生物腐蚀较为常见,主要发生在沿海的防潮闸,较为洁净的淡水流域也能见到生物腐蚀,如湖北沙洋御堤闸闸门,其腐蚀类型以生物腐蚀为主
(6)焊缝腐蚀水工金属结构存在大量的焊缝,在焊接过程中会在焊缝局部产生很大的内应力及各种(微观)组织缺陷,两种因素的综合作用,会加速焊缝部位的腐蚀如果没有涂层保护或者保护效果不好,水工金属结构的焊缝会优先腐蚀2000年,在对湖北团风牛车河水库溢洪道弧形门进行检测时,发现其水平次梁与纵梁腹板之间为典型的焊缝腐蚀,沿焊缝部位因锈蚀比其它部位凹陷了
2.
53.5mm〜⑺应力腐蚀金属材料在循环应力或脉动应力和腐蚀介质的联合作用下,所引起的另一种腐蚀形态称为应力腐蚀应力腐蚀形成条件是金属或合金在较多应力下都可以发生,而且不要求特定的介质,只是在容易引起孔蚀的介质中更容易发生
(8)晶间腐蚀晶间腐蚀是一种由组织电化学不均匀性引起的局部腐蚀这种腐蚀首先在晶粒边界上发生,并沿着晶界向纵深处发展这时,虽然从金属外观看不出有明显的变化,但其机械性能确已大为降低了
(9)冲蚀(磨蚀)由高速水流或含泥沙颗粒、气泡的高速流体直接不断冲击下,金属表面造成的磨蚀,又称为冲击腐蚀它是由高速流体的机械破坏与电化学腐蚀两种作用对金属共同的破坏的结果在一些高水头、含沙量大的电站工作门底缘和电站压力钢管弯管段经常会出现这种腐蚀现象3腐蚀的影响因素
3.1影响大气腐蚀的因素
4.
1.1金属内部因素的影响
(1)化学成分的不均匀性,水工金属结构所用的钢材都不是纯铁(Fe),含的相当的杂质,比如碳钢中的渗碳体(Fe3C),它们的电极电位比金属本身的要正,则金属成为腐蚀电池的阳极而受破坏
(2)金相组织的不均匀性,如晶内一晶界成分差异可能导致晶间腐蚀,由偏析造成的组织不均匀也能导致自身的腐蚀
(3)金属表面物理状态不均匀,水工钢结构在制作过程中,由于受到冷热加工处理,如冲压、焊接、钢板的弯折,螺栓的连接等应力集中的部位,其电极电位往往较负成为阳极易被腐蚀此外金属表面受热不均匀造成的温度差异等也能造成金属不同部位之间的电位差
3.
1.2大气腐蚀的外界因素1)大气的相对湿度实际上,对某一金属来说,大气的相对湿度达到临界相对湿度时,才会很快生锈一般地说,钢铁生锈的临界相对湿度为75%另外空气相对湿0度较大时,在金属表面形成的水膜厚度对锈蚀速度也有一定影响,一般地情况下,在水膜厚度
0.01Rm1mm之间腐蚀最快〜2)大气成分在大气污染物中,SO2的影响最为严重,对SO促进金属腐蚀的机理有两种可能其一是排放出的SO,有一部分在高空中能直接氧化成SO,溶于水后生成H2so其二是一部分SO被吸附在金属表面,它们与铁作用生成易溶的硫酸亚铁FeSO,进一步氧化,并由于强烈的水解作用生成硫酸,硫酸又可返回和金属作用,整过过程具有自催化作用同样道理,这种可溶性的铁盐还有氯化亚铁等3)气温环境温度的变化是影响大气腐蚀的又一重要因素,因为它影响着金属表面水蒸汽的凝聚、凝聚水膜中各种腐蚀性气体和盐类的溶解度、水膜的电阻以及腐蚀电池阴、阳极过程的速度温度的影响还要和湿度条件综合起来考虑一般认为,当相对湿度达到金属腐蚀的临界相对湿度时,温度每升高10℃,锈蚀速度约提高2倍4)固体尘粒大气中的灰尘颗粒也能加速腐蚀,它的组成十分复杂,除包括碳和碳化物、硫酸盐、氮化物、镂盐等固体颗粒外,沿海地区还的海盐颗粒它们对大气腐蚀的影响方式可分为三类一是尘粒本身具有腐蚀性,如镂盐颗粒,能溶入金属表面水膜,提高电导或酸度,起促进腐蚀作用;二是尘粒本身无腐蚀作用,但能吸附腐蚀性物质,如碳粒能吸附SO2水气,冷凝后生成腐蚀性的酸性溶液;三是尘粒既无腐蚀性,又不吸附腐蚀物质例如砂粒落在金属表面能形成缝隙而凝聚水份,形成缝隙腐蚀条件
3.2影响水中腐蚀的因素1)PH值水中PH4-9的范围内腐蚀速度与PH值无关只有当PH4或PH9时,腐蚀才加剧2)溶氧水中的腐蚀受阴极过程控制,除酸性强的水以外,腐蚀速度与溶氧量及氧的消耗成正比而当氧超过一定值,由于水中高浓度的溶氧,会使金属趋于钝态,使腐蚀速度下降但酸性水或含盐份高的水难以钝化3)水中溶解成份一般随着水中含盐量的成份增加,腐蚀速度增加当溶盐量超过一定浓度后,氧的溶解降低,因而腐蚀速度减小4)水温若腐蚀速度受水中氧的扩散控制,则水温每升高10℃,钢的腐蚀速度约加速30%o当温度升到一定的高度,由于溶氧量的减少而腐蚀速度开始减小另外,水中腐蚀还受流速、水中生物等的影响
4.结语无论是对水工金属结构进行防设计还是常规维护,都应根据各自现场的实际环境条件区别对待,通过对其腐蚀类型及其影响因素分析,找出主要腐蚀原因和腐蚀部位,并采用相应正确的防护方法加以保护,才能有效地延长水工金属结构的使用寿命。