探尋京杭運(yùn)河（常州段）鋼閘門電化學(xué)腐蝕影響因素最不利組合狀態(tài)

王 帆 莊 楊 蔣 益 周小虎

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092 2.常州市城市防洪工程管理處常州 213000 3.常州明水水利安裝有限公司 常州 213000）

1 引言

鋼閘門因運(yùn)行需要不斷交替干濕狀態(tài)，自然水體因含有各種化學(xué)成分表現(xiàn)出離子電解質(zhì)的特質(zhì)，鋼閘門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，不斷受到水流沖刷，微生物又在表層吸附、繁殖，一旦涂料層存在破損，電化學(xué)腐蝕極易發(fā)生；當(dāng)鋼閘門處于開(kāi)啟狀態(tài)，又極易受霧、霜、露等形式的水分子影響，表面易形成水膜，酸性水膜會(huì)導(dǎo)致析氫腐蝕，當(dāng)水膜酸性較弱時(shí)則發(fā)生吸氧腐蝕，生成Fe2O3。這些外界因素都以不同的強(qiáng)度和方式對(duì)鋼鐵產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)，進(jìn)而影響鋼閘門的承載力和穩(wěn)定性。

由于咸水環(huán)境更易縮短鋼材使用壽命，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者多致力于研究海水環(huán)境下的鋼閘門腐蝕速率、使用壽命以及腐蝕程度檢測(cè)與修復(fù)等。淡水環(huán)境中的鋼閘門腐蝕研究多集中于特定鋼閘門的電化學(xué)腐蝕檢測(cè)、概括性的腐蝕機(jī)理分析或是防腐新技術(shù)的應(yīng)用。

京杭運(yùn)河沿線水工建筑物現(xiàn)有閘門均為鋼閘門，運(yùn)管單位投入大量人力、物力進(jìn)行補(bǔ)漆、加涂防腐層等防腐措施，但腐蝕情況仍會(huì)發(fā)生。如果一線工作人員能精準(zhǔn)地把控鋼閘門易腐蝕時(shí)間段，有針對(duì)性地加強(qiáng)防護(hù)，就可以杜絕腐蝕形成。因此，開(kāi)展鋼閘門電化學(xué)腐蝕的影響因子最不利組合狀態(tài)研究，可以為鋼閘門防腐保養(yǎng)提供理論支撐。

2 電化學(xué)腐蝕速率影響因子

鋼閘門電化學(xué)腐蝕機(jī)理涉及眾多影響因素，鑒于自然狀態(tài)下，常州地區(qū)不存在季節(jié)性水流攜沙率的大幅度變化，微生物的腐蝕機(jī)理又較為復(fù)雜且難以量化，本文不將其納入分析范圍。

鋼鐵與水體構(gòu)成微電池后，鋼鐵失去電子的速度與水環(huán)境中離子種類和濃度密切相關(guān)，陰離子對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的作用遠(yuǎn)超陽(yáng)離子，其中Cl-又是引發(fā)鋼閘門孔蝕的主要原因?，F(xiàn)有研究資料，常用鋼表面氧的擴(kuò)散速率估算鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕的速率，并認(rèn)定當(dāng)水體pH 值處于9～11 范圍內(nèi)，鋼鐵所受的腐蝕影響最小。與此同時(shí)，流速對(duì)鋼鐵腐蝕也存在不可忽視的影響，根據(jù)趙國(guó)仙[1]的研究成果，流速提升會(huì)促進(jìn)電荷傳遞，加速腐蝕，試驗(yàn)結(jié)果顯示，動(dòng)水會(huì)加速鋼試件的失重概率，當(dāng)流速為4m/s 時(shí)，失重率值最大；不足4m/s 時(shí)，失重率與流速正相關(guān)；超過(guò)4m/s 后，失重率與流速增長(zhǎng)負(fù)相關(guān)。

綜上，Cl-濃度、含氧量、pH 值以及水體流速直接影響鋼結(jié)構(gòu)的電化學(xué)腐蝕速度和強(qiáng)度，本文針對(duì)這4 種影響因子設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析環(huán)境因素對(duì)鋼閘門防腐工作的最不利組合狀態(tài)。

3 試驗(yàn)開(kāi)展情況

試驗(yàn)主要關(guān)注河道水流的Cl-含量、pH 值、含氧量以及流速4 方面的月度變化情況，以此推算京杭運(yùn)河常州段鋼閘門最易腐蝕時(shí)間段。

圖1 河段月平均Cl-濃度圖

3.1 點(diǎn)位設(shè)置

本次試驗(yàn)共設(shè)有5 個(gè)基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，將總長(zhǎng)約25km 的測(cè)段進(jìn)行定點(diǎn)劃分，另外設(shè)20 個(gè)一般檢測(cè)點(diǎn)，從基準(zhǔn)點(diǎn)位1 上游3km 到基準(zhǔn)點(diǎn)位5 下游1km范圍內(nèi)沿線均勻分布，平均每1km 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，并根據(jù)周邊工業(yè)源分布情況進(jìn)行微調(diào)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與采樣

為保證檢測(cè)結(jié)果的隨機(jī)性，2019年1—12月，每月分2 個(gè)檢測(cè)周期，采用Banter 氯離子測(cè)定儀和便攜式溶解氧檢測(cè)儀LH-D9 測(cè)定水流的Cl-含量、pH 值和含氧量。

圖2 雙數(shù)月各測(cè)點(diǎn)水體含氧量圖

表1 各測(cè)點(diǎn)年平均pH 值表

表2 2019年水位差統(tǒng)計(jì)表

（1）水體中Cl-濃度既受河道過(guò)水流量的影響，又受上游來(lái)水以及沿線各類污水排放等方面的作用。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，同一次檢測(cè)過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的Cl-濃度值也存在一定的波動(dòng)，為了弱化沿途排放、匯流等不可控外在因素的干擾，將各測(cè)點(diǎn)每月的檢測(cè)結(jié)果匯總后取平均值，繪制測(cè)段月平均氯度值變化圖，以此定位一年中Cl-濃度較高的月份。

由圖1 可知，水體Cl-含量在枯水期高于汛期，在2月份左右達(dá)到全年最高值。

（2）現(xiàn)有研究資料顯示，水體的溶氧量與水深呈反比，自然水體的含氧量會(huì)隨水深的加深急劇下降。鑒于本次試驗(yàn)?zāi)康氖翘綄じ黝愑绊懸蛩氐淖畈焕M合狀態(tài)，主要采集近水面處含氧量較高的水樣進(jìn)行含氧量檢測(cè)。根據(jù)溶解氧檢測(cè)儀LH-D9 的檢測(cè)結(jié)果，圖2 取2019年雙數(shù)月各測(cè)點(diǎn)的水體含氧量，繪制水體含氧量變化圖，圖3 為河段月平均含氧量變化圖。

圖3 顯示，隨著測(cè)點(diǎn)地理位置的變化，水體含氧量有一定程度的波動(dòng)，除去測(cè)量誤差的影響，相鄰流段水體的含氧量差別并不大，且各月含氧量變化總體走勢(shì)一致，呈現(xiàn)出上游略高于下游、冬季高夏季低的走勢(shì)。

對(duì)比圖2 和圖3，水體的含氧量隨時(shí)間產(chǎn)生的波動(dòng)比同一個(gè)月內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)幅度大，這是因?yàn)樘烊凰w含氧量變化受溫度、日照和水中生物等多方面因素的影響，季節(jié)變化對(duì)溫度、日照時(shí)長(zhǎng)的影響直接改變水體的溶氧能力，也作用于水生態(tài)系統(tǒng)造成水體含氧量的變化。因此，冬季含氧量高于夏季，8月含氧量最低。

（3）檢測(cè)河段的pH 值變化區(qū)間為7.0～8.1，各測(cè)點(diǎn)全年pH 值測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差分布在0.1 附近，本文將各測(cè)點(diǎn)的年平均pH 值近似看作該點(diǎn)所代表的流段的pH。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)年均pH 值做離散程度分析，所得標(biāo)準(zhǔn)差為0.25，數(shù)據(jù)聚集度較高，檢測(cè)河段的全年pH值變化幅度較小。由此可見(jiàn)，河道pH 值長(zhǎng)期處于[7.2～8]的弱堿性狀態(tài)，現(xiàn)有研究成果顯示，當(dāng)金屬處于這個(gè)pH 值范圍的溶液中，最需要防范發(fā)生坑蝕。

（4）以測(cè)段沿線的采用下臥式鋼閘門的大運(yùn)河?xùn)|樞紐為例測(cè)算水流流速，閘室分2 孔，單孔凈寬16m。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，大運(yùn)河?xùn)|樞紐的控制最大流量為160m3/s，控制最大水位差0.035m，剔除汛期閘門關(guān)閉后造成的內(nèi)外河水位差數(shù)據(jù)后，根據(jù)閘門開(kāi)啟狀態(tài)的月最大水位差，用傳統(tǒng)水力學(xué)公式分析流速，公式如下：

結(jié)果顯示，過(guò)閘水流流速一般小于1.3m/s，并且不同月份間差異很小，河道流速常年處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，因此該流段由流速差異造成的腐蝕失重率的影響幾乎可以忽略。

4 影響因素的最不利組合狀態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）測(cè)段水體流速、pH 值的年際變化較小，對(duì)電化學(xué)腐蝕的影響較為平順。但pH值處于極易導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕的范圍內(nèi)，因此要尤為重視這個(gè)pH 值范圍內(nèi)極易發(fā)生的坑蝕現(xiàn)象。（2）水體含氧量和氯度值受季節(jié)和水流量枯贏影響明顯，總體顯示出：水體冬季（枯水期）的含氧量、氯離子含量明顯高于夏季（汛期）。將圖1 和圖3 疊加后可以發(fā)現(xiàn)，1—3月加速電化學(xué)腐蝕的不利因素高峰基本重合，由此可見(jiàn)冬季是電化學(xué)腐蝕高發(fā)期，2月尤其需要加強(qiáng)管理巡視，做好防腐工作。

5 結(jié)論與建議

鋼鐵的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于化學(xué)腐蝕。相較于防腐工程措施，加強(qiáng)管理人員保護(hù)意識(shí)和認(rèn)知能力同樣重要。綜合本文結(jié)論應(yīng)從以下幾個(gè)方面提升鋼閘門防腐的管理水平：（1）避免頻繁進(jìn)行不必要的閘門啟閉操作，保證閘門工作環(huán)境的合理穩(wěn)定性。（2）定期進(jìn)行鋼閘門的沖洗，清除閘門表面附著物，以及電解質(zhì)殘留。（3）加強(qiáng)巡視人員培訓(xùn)，提升對(duì)常見(jiàn)坑蝕、孔蝕的辨析能力。（4）做好日常檢查和防護(hù)保養(yǎng)工作，在冬季尤其要加強(qiáng)巡視，做到鋼閘門腐蝕的早發(fā)現(xiàn)、早治理■