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水工在役金属结构腐蚀特点及影响因素

1.前言

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。

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要属此种腐蚀。

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铆接、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