水利工程在役设备腐蚀检测方法

水利工程在役设备腐蚀检测方法作者：张小阳张伟平杜刚民摘要：本文介绍了水工金属结构在役设备的主要腐蚀类型、检测内容及数据处理方法，供在进行安全检测或常规维护时参考。关键词：金属结构腐蚀检测1.前言闸门及启闭机是水利水电工程日常运行的主要组成部分，对水利水电工程的安全渡汛、防洪和合理调配水资源起着十分重要的作用。目前，我国约有50%的闸门及启闭机处于超期服役状态，存在着严重的安全隐患。根据水利部全国大中型水利工程闸门及启闭机更新改造规划有关要求，应对金属结构设备进行安全检测，其中腐蚀状况检测是主要内容之一。水利部水工金属结构质量检验测试中心近年已对全国四十余座水库、水电站金属结构进行了安全检测，根据相关规范的要求及安全鉴定专家会的意见，对腐蚀检测内容、方法及数据处理进行总结。2.腐蚀检测内容根据SL101-94《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》第4.3.2条的规定，腐蚀检测内容有：⑴腐蚀部位及其分布情况；⑵严重腐蚀面积构件的蚀余截面尺寸；⑶蚀坑或蚀占闸门和启闭机或构件表面积的百分比；⑷遭受腐蚀损坏（孔）的深度、大小、发生部位、蚀坑（或蚀孔）密度。3腐蚀类型及分布金属材料在环境作用下（包括化学、电化学和物理因素的综合作用）发生的损坏和性能下降就是腐蚀。就金属结构而言，腐蚀不仅仅是锈蚀，还有多种形态的局部腐蚀，如坑蚀、缝隙腐蚀、水线腐蚀、磨（冲）蚀、气蚀、生物腐蚀及应力腐蚀等。腐蚀发生的初始阶段不容易引起人们的注意，加上有锈层的掩盖，但随着运行年限的增长，局部腐蚀容易诱发突发性事故，危害性很大，应引起我们运行管理部门及检测部门的注意，作好日常维护及安全检测工作。金属的腐蚀从形态上分有全面腐蚀和局部腐蚀两大类。3.1全面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。3.2局部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。下面就检测中常见的几种典型的局部腐蚀类型及发生部位分布介绍如下：⑴坑蚀坑蚀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。在汉江杜家台分洪闸进行安全检测时，其启闭机中间轴（无缝钢管）发生的是一种典型的坑蚀。后经安全校核，更换了启闭机的中间轴。⑵缝隙腐蚀水工金属结构中经常遇到金属铆接、螺栓连接等结构，还有水封与座板、法兰盘联接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，常见的螺栓锈秃的情况还与电偶腐蚀等因素有关。⑶生物腐蚀生物腐蚀是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。以海洋生物腐蚀为主，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，如丹江口水库陶岔取水闸（南水北调中线第一取水口），其腐蚀类型以生物腐蚀为主。⑷水线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。在水位较稳定的水库闸门上经常能看到这种局部腐蚀。图1水线腐蚀⑸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。92年，在检测葛洲坝电站检修门时，其发生典型的焊缝腐蚀，在大部分喷锌层基本完好的情况下，沿焊缝部位发生了锈蚀，不得不全部重新处理。在江西上犹江电站进行安全检测时，由于闸门长时间没有有效的防护，也发生典型的焊缝腐蚀，焊缝部位因锈蚀比面板凹陷了3mm。⑹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。另外，常见的局部腐蚀类型还有电偶腐蚀、应力腐蚀等。4检测方法及仪器腐蚀检测主要是测量金属结构件的蚀余厚度，并以其为依据进行强度、刚度复核计算。下面简单的介绍几种常用的测量方法。⑴蚀余厚度超声波测量法利用超声波测厚仪测量钢板蚀余厚度是最常用和最精确的一种无损检测方法，测量精度可达0.01mm。但检测时要求被测表面平整光洁，这样才能与超声波探头很好地耦合。超声波测厚仪也可用于较大的蚀坑蚀余厚度的测量，但要用砂轮机进行打磨，直到蚀坑底部出现平面。超声波测厚仪的另外一个优点是能直接测量出无缝钢管的壁厚，如测量启闭机的中间轴锈蚀情况等。应当注意的是，用超声波测厚仪测量蚀余厚度时，如果在探头放置面上有涂层存在的情况下，应当用测出的蚀余厚度减去2倍的涂层厚度值，即为最终的蚀余厚度(涂层厚度用涂层测厚仪量出)。其原因是，超声波(纵波)在涂层中的声速（环氧类和聚脂类涂料约2400～3000m/s）是其在钢板中声速（约5900m/s）的一半，反应在超声测厚仪上的厚度值则相当于钢的两倍，我们作的样板试验证明了这个事实。对于喷锌、铝的复合涂层，虽然超声波(纵波)在锌、铝中的声速与钢近似，但由于其上复合有较厚的有机涂层，样板试验结果证明同样需减去约两倍的涂层厚度。另外，使用超声波测厚仪时，声波传到钢板的底面即形成回波，所以与钢板背面的涂层没有关系，在测量蚀余厚度时不用考虑钢板背面涂层的情况。⑵锈蚀深度测量法该种方法是直接量出锈坑的深度，也就是用数据直接反应出锈蚀量，其特点是较为直观，容易求出年腐蚀速度。测量仪器常用焊缝检验尺，精度为0.05mm，测量方法如图2示意，用带尖的游标尺子，可以量出蚀坑的深度。⑶腐蚀曲线法为了更形象地描述钢板表面的腐蚀类型及其状态，也可做出钢板表面的腐蚀曲线。此种方法一般作为辅助手段配合前两种方法使用，特别是钢板表面的腐蚀类型较为单一时，采用此法较有代表性。如图3所示为在杜家台分洪闸检测时的表面腐蚀曲线。可以直观地看出是典型的坑蚀，蚀坑深度3mm左右。另外，使用照片也是描述腐蚀类型、状态和程度的最直观和最常用手段。5数据处理⑴列表法将所检测到的腐蚀数据用列表法给出，并分别求出蚀余厚度平均值、平均腐蚀率、腐蚀速率的平均值和最大值。对于蚀余厚度小于6mm或发生锈损的构件，达到SL226-98《水利水电工程金属结构报废标准》规定需要更换的可在表中直接标出。列表法最大的优点是直观、信息量大，能直接提供强度和刚度复核计算需要的数据，能从表中看到金属结构构件全面的腐蚀状况（数据）。如表1为某水闸1号闸门腐蚀状况检测表。表1某水闸1号闸门腐蚀状况检测表图2蚀坑深度测量图3腐蚀曲线法检测部位原始厚度mm蚀余厚度mm平均蚀余厚度mm平均腐蚀率%最大腐蚀mm腐蚀速率（mm/a）平均值最大值主桁架前弦杆129.29.39.69.09.39.322.53.00.1170.130面板107.98.08.37.88.18.020.02.20.0870.096边梁翼缘板109.19.29.09.09.29.19.01.00.0390.043边梁腹板108.08.18.28.08.18.119.02.00.0830.087小横梁185.15.25.05.25.15.136.33.00.1260.130小横梁285.96.06.15.75.85.926.32.30.0910.100小横梁386.35.95.56.06.16.025.02.50.0870.109注：表中斜粗体数字均小于标准规定的6mm，需做更换处理。⑵对比图法为了直观地描述钢结构的腐蚀状况，可用对比图法对比给出钢板的原始厚度和蚀余厚度（平均），直接得出钢板的腐蚀速度。此方法一般作为列表法的补充手段配合应用。如图4为某大坝安全检测时6#孔钢闸门腐蚀状况对比图。⑶直方图法通过对检测数据的统计表，可以做出各闸门锈蚀量的频数分布直方图及主要构件总体腐蚀量频数分布直方图。对图表进行分析，可以得出闸门的主要腐蚀状况、各构件的腐蚀程度，最大腐蚀速度等。图4某大坝6#孔钢闸门腐蚀状况图如图5为某闸2#闸门锈蚀量频数分布，从图中可以明显地看出腐蚀量在1.0mm处频数最大，说明普遍腐蚀程度1.0mm左右。腐蚀量大于4.5mm的数据也较集中，此为某构件（小横梁）严重锈蚀的反映。总之，几种测量方法和数据处理方法都各有长处，可以单独使用，也可互相配合使用，应根据金属结构件腐蚀的具体情况加以选择应用。6.结语无论是进行水工金属结构的安全检测还是常规维护，都应对其腐蚀状况进行科学的检测，为大坝金属结构安全复核提供准确的数据。同时，通过对腐蚀类型分析和腐蚀数据处理，找出其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，延长水工金属结构的使用寿命。参考文献[1]SL101-94水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程中国水利水电出版社，北京1994.7[2]全国大中型水利工程闸门及启闭机更新改造规划文件汇编北京1999.10[3]陶岔引丹渠首闸闸门在役检测报告张小阳、张亚军、张步新等[4]SL226-98水利水电工程金属结构报废标准中国水利水电出版社北京1998.12