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            表面技術在機電設備和金屬結構中應用展望
                                              
                                       黃源芳 王忠誠   

                                       
            摘要:三峽工程是“千年大計、國運所系”的跨世紀工程。工程的質量、壽命、運行可靠性和檢修維護費用,取決于多學科技術的發展水平。對表面工程技術在三峽工程機電設備和金屬結構工程上的應用進行了全面的討論和分析,對三峽工程機電設備、金屬結構表面預處理、表面涂覆技術和產品提出了技術要求。 

            關鍵詞:金屬結構 機電設備 表面技術 

            1 引言
                表面工程,是經過表面預處理后,通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理,改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分和應力狀態,以獲得所需表面性能的系統工程。三峽工程通常被人們稱為“土木”工程,但是大壩全長2309.47m中,實際上起擋水作用的溢洪閘門、電廠進水口閘門、船閘人字門和輸泄水閘門占壩線全長的72%(1679m),實際上就好似一個“鋼秩”工程。三峽工程作為一項水資源綜合利用的工程,其機電設備和金屬結構的總重量達50萬t,其費用占工程總概算的1/3。
                表面工程以多個學科交叉、綜合、復合為特色,以應用多種表面技術及其復合表面技術為特點,是主導工業發展的關鍵技術之一。三峽工程是“千年大計”、“國運所系”的世紀性工程,一定要重視質量問題,把質量看成是三峽工程的生命。在國際招標的機電設備技術條件中,明確了應用表面加工技術、表面技術和復合表面技術的要求,以改善提高零部件材料表面性能,有效地提高設備運行可靠性,延長使用壽命和方便維護和修復。表面工程技術在三峽工程建設中得到廣泛應用。
            2 三峽工程應用表面技術的對象
                三峽水利樞紐由擋水和泄水建筑物、發電建筑物和通航建筑物組成,大壩軸線全長2309.47m。泄水建筑物位于河床中部,設有表孔、深孔和導流底孔;電站廠房位于泄水建筑物左、右兩側,為壩后式廠房,共裝設26臺700MW水輪發電機組。通航建筑物布置在樞紐左岸,包括雙線連續五級永久船閘、單線垂直升船機和施工期通航的臨時船閘。
            2.1 水輪發電機組和其它機電設備
                三峽電站水輪發電機組及輔助機電設備總重量約達26萬t。埋設在混凝土中的設備部件、常年受含沙水流沖刷的水輪機過流部件和常年暴露在空氣中的機電設備表面都需要應用表面工程的基礎理論,提出優質、高效、低耗的表面工藝技術,在設備和零部件的表面進行嚴格的處理以保證設備可靠運行。
            2.2 水工閘門和金屬結構
                三峽工程的水工閘門埋設件、閘門本體、輸水鋼管及啟閉機等金屬結構總量約26萬t。其中大壩及電站合計共有30種不同規格的閘門539扇,永久船閘有各類人字門、充泄水閥門等共89扇,兩者共約7.3萬t。其中工作環境最惡劣的是導流底孔和泄洪深孔的弧形工作門,最高工作水頭達85m,流速達35m/s,并有局部開啟的要求。
            2.3 對外交通工程
                三峽工區對外交通工程的金屬結構表面防護,包括橋梁表面涂覆、裝卸重件碼頭上的起重設備和金屬結構的表面處理以及集裝箱碼頭鋼管樁和粉煤灰鋼罐內表面的防腐等。
                三峽工程對外交通金屬結構工程包括大中橋梁34座,其中聯系壩區兩岸的西陵長江大橋1118.66m。
            3 三峽工程應用表面技術的試驗與實踐
            3.1 三峽機電設備和金屬結構表面的工作環境
                三峽機電設備和金屬結構表面,根據其功能要求,分別暴露在在室內外大氣和潮濕大氣中,干濕交替環境。在靜水工況、動水工況、高速含沙水流中和與混凝土結合的環境下工作運行。
                (1)暴露在大氣中工作的有:大壩頂部門式起重機及軌道、自動抓梁、廠房頂敞開式高壓電氣設備、高壓出線塔、主廠房大門、電站尾水門式起重機及軌道以及部分閘門的局部外露部分。還有永久船閘、臨時船閘和垂直升船機的橋機、大梁及清污機等。這些暴露在大氣中的結構和裝備表面,常年經受日曬雨淋、風雪冰霜的襲擊。
                (2)在室內大氣中工作的設備主要有:水輪發電機組、變壓器的外露表面、主付廠房內各種橋機、大梁、軌道、廠內高壓設備、大電流母線設備和其他機組輔助設備如水泵、空壓機、制冷機表面,電站廠房屋架、船閘人字門啟閉機及其附屬設備、中低壓配電盤、動力盤、保護盤柜表面等。
                (3)在潮濕大氣中工作的結構和設備如:電站廠房進水口豎式液壓啟閉機、長期存放于門庫中的檢修門及埋件、閘門吊桿、尾水排水閥、水輪機頂蓋排水泵等。這些設備常年處在潮濕的空氣中,易銹蝕和腐蝕。
                (4)在干濕交替環境中工作的結構極易發生表面破壞如:船閘人字門、所有閘門的門槽埋件、船閘浮式系船柱、泄水表孔閘門和檢修門等。有的干濕交替頻繁,有的交替頻度不大,對結構表面影響也有所不同。
                (5)在靜水狀況下工作的裝備有:船閘人字門、檢修閘門和疊梁門,電站進水口檢修門,泄洪壩段深孔和表孔檢修門等。他們都是在閘門前后平壓后才開啟或下落的。
                (6)動水工況下工作的電站進水口工作閘門、壓力鋼管、攔污柵事故檢修門、水輪機過流部件包括渦殼、導水機構、轉輪、基礎環和尾水管里肘等。
                (7)在特別惡劣的環境中工作的排沙孔工作閘門及事故檢修門、底孔工作門、深孔工作門、船閘輸泄水廊道閥門、鋼襯護以及水輪機轉輪都是在高流速的含沙水流中工作和運轉的,泥沙磨蝕的破壞作用,對其材料和表面的處理都有特殊要求。
                (8)一些與混凝土面結合的鋼結構,如壓力鋼管外壁,所有閘門和啟閉機構以及鋼結構的埋件、水輪機鋼里襯、蝸殼、座環以及發電機埋件、設備基礎埋件等。
            3.2 三峽壩區的空氣和水環境特性
                三峽壩址位于湖北宜昌市二斗坪鎮,此區域屬南溫帶和亞熱帶過渡地帶,其氣候特征是高溫、高濕、霧多風小,秋雨多溫差小。壩區大氣年平均相對濕度75.8%,平均溫度21~22C,最高溫度43.9C,最低9.8C。年平均降雨量達1251mm,以7、8月份較高。大氣中S02濃度較高,酸雨比較嚴重,降雨pH值為5.44,大氣環境腐蝕性大。
                三峽壩址處多年平均水量達4500億m3,多年平均流量為14400m3/s,水中含有泥沙,多年平均含沙量1.2kg/m3。實測最大含沙量10.5kg/m3。泥沙中推移質相對較小,懸移質居多,平均粒徑小于0.1mm。水中有生物作用,如海蜊子等。江水的PH值為7.95,水中溶解O2為6.4mg/L。在動水下工作的裝備和結構,承受的動水速度多不相同,攔污柵的過柵流速約lm/s,壓力鋼管內約8m/s,船閘輸水廊道內約20m/s,深孔、底孔閘門處30~35m/s,排沙底孔內18~28m/s,水輪機轉輪葉片約30~40m/s。這些結構和裝備特別是在高速含沙水流中工作的結構和裝備,面臨空化和泥沙磨損的聯合破壞。
            3.3 三峽工程設備和鋼結構的表面技術應用試驗
                為了使表面科學與工程相結合,為了結合三峽工程的空氣環境、水環境和工作環境特點,通過試驗研究提出有效的工程措施,達到改善材料的表面性能、有效延長使用壽命、節約資源、提高生產力和減少環境污染的目的。
                為此,中國長江三峽工程開發總公司委托武漢材料保護研究所進行了不同涂覆材料和多種表面技術復合處理的實驗。
                (1)大氣暴露實驗 從1995年1月開始,在三峽壩區、宜昌市區和秭歸縣城,對30多個國內外廠家的120多種防腐體系的試件作掛片試驗,其中有機涂裝體系42種,熱噴涂金屬體系7種,F在試驗仍在進行中。
                (2)水環境暴露實驗分別對全暴露在水環境中(全浸)和干濕交替的環境進行了試驗。實驗安排在三峽壩址下游40km處的葛洲壩水利樞紐進行,全浸試件浸沒在葛洲壩二號船閘上閘首的人字門上,干濕交替試件裝設在葛洲壩二號船閘下閘首的人字門上。試驗涂裝材料有,有機涂裝體系35種,熱噴涂金屬體系7種,電化學保護1種。
                (3)室內加速腐蝕實驗分別對13個廠家的34種防腐體系,即4種水溶性無機富鋅類、3種醇溶性無機富鋅類、4種環氧富鋅類、13種富鋅底漆/中間漆/面漆、5種金屬噴涂層、8種金屬噴涂層/封閉底漆進行試驗,分別應用常規試樣和劃叉破壞性試樣在中性鹽霧條件下進行加速腐蝕試驗、在5%鹽水溶液中浸漬試驗、紫外線加速腐蝕老化氣候試驗、在自來水和鹽水中的電化學對比試驗、涂層電氣學保護性能試驗以及涂層與基體(或其他涂層)界面粘結力試驗。
                上述各項現場掛片試驗的初步成果,已在機電設備和金屬結構招標文件的技術規范中得到應用,供貨廠商將根據合同的要求進行表面涂覆和表面改性處理。
            3.4 三峽工程應用表面技術的實踐
                三峽工程自1994年12月正式宣布開工以來,表面技術在橋涵、碼頭、施工變電所和儲運設備等方面得到比較廣泛的應用。
                (1)橋梁 三峽對外交通工程橋梁中特大橋4座,大橋7座,中橋23座,合計34座,累計長3793m其中較具特色的有蓮沱大橋、黃柏河大橋、下牢溪大橋和橫跨長江南北兩岸的西陵長江大橋。
                蓮沱大橋全長340.87m,主橋為中承式三孔鋼管混凝土連續拱橋。拱上橋面總寬20m。鋼管的壽命直接影響大橋的安全。鋼管拱表面防護,采用三道漆,分別為底漆、中間漆和面漆,干膜總厚度達305μm。在涂裝前表面經除銹處理達Sa2.5級,粗糙度Ra30。
                下牢溪大橋全長286.06m,為六孔三柱墩結構,最大跨徑160m為鋼管拱結構。鋼管拱表面防護采用熱噴鋁。
                黃柏河大橋全長284.76m,為七孔樁臺式雙柱墩結構,最大跨徑160m為鋼管拱結構。鋼管拱表面采用熱噴鋅。
                上述鋼管拱的涂裝壽命要求達到20年。
                西陵長江大橋是橫跨長江的壩區南北重要通道,和其他大橋一樣,都是永久性的公路大橋。大橋全長1118.66m,主孔跨度900m為單跨雙鉸式鋼箱加勁梁懸索結構。兩座主塔高120m,為鋼筋混凝土三層門式柜架結構。主塔基礎為12根中Φ2.2m挖孔灌注樁。兩根主纜各由10010根φ5.1mm鍍鋅平行高強鋼絲組成,直徑為φ570mm,每根主纜長約1478m,重約2300t。兩岸各有一重力式錨錠。在大橋施工過程中,為了解決懸索鞍座的推移以調整力的平衡,全軍裝備維修表面工程研究中心提出了復合減摩涂層設計及相應的現場施工方案,替代國外采用的在鞍座磨擦副中安裝數千枚滾針的方案,使鞍座順利推移到位。采用這種復合減摩技術使磨擦系數降低1倍以上,大大節省了施工費用。此外,主塔表面和鋼纜都采用了表面涂裝防護,主塔表面總漆膜厚度達280μm。涂裝壽命為5年,修復不需鏟除只需在原涂裝上再次涂覆。
                (2)公路 專用公路采用封閉管理,為保證晝夜行車安全,設有公路防眩網及護欄,網和護欄波形梁表面采用熱浸鍍鋅防護,鋅層厚度在61~85μm。
                (3)碼頭在三峽壩區設有一座楊家灣港口集裝箱、雜貨碼頭和一座重型設備裝卸的重件碼頭。碼頭是三峽壩區水上的貨物吞吐口,保證安全運作十分重要。
                楊家灣碼頭的水下φ800/1000的鋼管樁是碼頭的基礎,鋼管樁采用16mm的3號鎮靜甲類鋼,其表面用氯化橡膠鋁粉和氯化橡膠防腐漆進行處理。
                2×300/50t重件碼頭的起吊設備為2臺300t小車的橋式起重機,橋架結構總重300t。橋機及吊梁金屬結構的所有內、外表面,機械零部件非接觸表面,都進行了表面涂裝處理。表面先經噴丸、機械手或手工除銹處理,然后涂以底漆、中間漆和面漆,分別采用環氧鐵紅車間底漆、環氧云鐵防銹漆和可涂覆聚氨酯面漆。
                (4)粉煤灰儲運罐罐體為鋼結構,全部儲運罐總重約1830t,對其罐體、中轉倉進行涂裝處理,用鐵紅為底漆,合成樹脂調和漆用作中間漆和面漆,輸送粉煤灰的地下管道用環氧煤焦油瀝青涂料。
                表面工程在三峽工程的應用實踐,不但起到了對金屬和非金屬表面的防護作用,還增添了建筑物的美感。據不全面的檢查,涂復材料和工藝的應用是成功的,其使用壽命還有待進一步跟蹤調查和考驗。

            4 機電設備、金屬結構表面技術應用展望
                迄今為止,三峽工程機電設備和金屬結構的招標工作還在進行中。已完成招標的項目有左岸電站14臺700MW水輪發電機組,合同金額7.4億美元。二期工程廠(房)壩(溢洪壩段和永久船閘閘門及金屬結構)采用國內公開招標,合同金額10.7億元,F在在正進行500kV高壓電氣設備(15臺840MVA變壓器和全封閉組合電器)國際招標,電站主廠房1200t橋式起重機國內招標、500kV電抗器,20kV大電流封閉線的招標。還有大壩頂部和電站尾水平臺的門式起重機等還未招標。這些機電設備和金屬結構是2003年發電、通航的關鍵設備,這些設備和構件的表面處理,影響到設備的壽命、大壩整體建筑藝術處理甚至設備的安全可靠運行。
            4.1 水輪發電機組和輔助電氣設備的應用展望
                在機組招標文件技術規范和合同文件中,對工廠涂裝和保護涂層都有明確的規定,明確規定按SSPC—PAl、ASTMB456、ASTMB633和ASTMA164進行表面涂層處理。明確規定涂層必須在合適的氣候條件(環境溫度低于7C或金屬表面溫度小于外界空氣露點以上3C時不能進行)。
                同時明確了設備表面的清掃要求。選用溶劑清洗,進行噴丸發亮處理。使金屬表面發亮呈均勻的灰白色。
                對在運輸過程中暴露在大氣中的重要機械加工的黑色金屬表面,先用溶劑清洗干凈,并涂一層厚的防銹化合物。
                所有暴露在大氣中黑色金屬非機械加工表面,如水泵、空壓機外表面需噴砂發亮處理。再涂2層防銹漆,并明確涂層厚度要求。
                所有與混凝土接觸的非配合黑色金屬埋件表面,如水輪機蝸殼外表面需進行機械清掃。并涂一層保護層,便于運輸、堆放。在安裝時必須先清理保護層,以利埋件表面與混凝土有效結合。
                所有與水接觸的非配合黑色金屬表面,如活動導葉表面,蝸殼內表面,需用噴砂發亮處理,流道內的焊縫需用砂輪打磨光滑,在工廠涂兩層環氧樹脂富鋅漆,安裝后再涂一層保護漆。水輪機轉輪是在含沙水流中運轉的部件,其不銹鋼表面未要求特殊處理。
                所有盤、柜、壓力油罐、泵組和管道外表面,在機械清掃后深4層裝飾顏色涂料。盤柜的非工作內表面,進行機械清掃后,再涂兩層防護漆。
                對油罐鐵質金屬全部內表面需進行噴砂處理,直至露出金屬光澤為止,再按要求涂保護層。
                其他小型輔助設備,如電動機、接觸器、開關和其他設備的表面,需按相應標準進行涂覆。
            4.2 水工閘門和金屆結構的應用展望
                在水工閘門和金屬結構的招標文件中,參考了三峽地區掛片試驗的成果,按國家和行業規定的標準,對不同工作環境下工作的設備和構件,提出了不同的要求。
                對經常處于水下或干濕交替環境,不易檢修,或檢修對航運、發電及泄洪有重要影響的設備或結構。要求采用具有高機械強度的防腐體系,有較好的抗沖刷能力,附著力極強,抗微生物和附著生物的性能優異,其保護年限長達20年。
                對經常處于水下或干濕交替的環境,但易檢修且對發電、航運、泄洪影響不大的鋼結構和設備。要求采用粘附力強、耐水性的、抗微生物和附著生物性能優異的防腐體系,其保護年限可達10年。
                對在大氣環境中,包括室內與室外的鋼結構和設備,要求采用具有較強的耐氣候變化性能的裝飾性能好的防腐體系,表面涂料要求不易變色,不粉化,其保護年限應達15~20年。
                對這些設備和構件的表面處理,要求按國標GB6484-6487規定,要求基體清潔度達到GB8923規定的Sa2.5級。
                對防腐材料亦作明確的規定,要求采用國家或行業標準產品系列,底、中、面漆最好選用同一廠家產品。
                對各類水工閘門和金屬結構的具體表面涂覆要求,合同中都有具體規定,例如:
                永久船閘人字工作門和第一閘首事故檢修門及其埋件,總重約23865.2t。門體和底層采用熱噴鋅,最小局部厚度不小于160μm,封閉層為磷化底漆一道,面漆為氯化橡膠兩道,干膜厚度100μm,涂層總厚不小于260μm。
                電站壓力輸水鋼管14條,總重2萬余t,對鋼管的明管內外壁和鋼管內壁,底漆采用無機富鋅漆,面漆為厚漿型環氧瀝青漆,漆膜總厚度不小于450μm,鋼管外壁與混凝土接觸面涂無苛性鈉水泥沙漿,厚度約500μm。
                電站壓力輸水鋼管14條,總重2萬余t,對鋼管的明管內外壁和鋼管內壁,底漆采用無機富鋅漆,面漆為厚漿型環氧瀝青漆,漆膜總厚度不小于450μm,鋼管外壁與混凝土接觸面涂無苛性鈉水泥沙漿,厚度約500μm。
                電站進水口快速工作閘門、排沙孔工作門約4911t,表面涂覆采用底層熱噴鋅加封閉涂料防腐。熱噴鋅厚度為120~160μm,封閉漆為不飽和乙烯樹脂一道,干膜厚30μm,中間漆環氧云鐵一道,干膜厚50μm,面漆為改性耐磨壞氧兩道,干膜厚100μm。涂層總厚300~340μm。
                泄洪深孔弧形工作閘門23扇、排漂孔弧形工作閘門2扇及其埋件,息重約10306t。門體采用底層熱噴鋅加封閉涂料防腐休系。要求熱噴鋅厚120~160μm,封閉漆為不飽和乙烯材脂一道,于膜厚30μm,中同漆壞氧云鐵一道,干膜厚50μm,面漆為環氧金剛沙二道,干膜厚100μm。涂層總厚300~400μm。
            5 結語
                表面工程技術在三峽工程的應用,一直受到國家有關部門、單位的重視,通過上述的討論,我們可以看到表面技術與三峽工程成功建設、運行可靠和市省維護費用息息相關。
                (1)三峽工程在中國國家科技攻關項目,如“六五”、“七五”、“八五”和“九五”攻關項目的安排,在三峽工程重新論證和投計審查中,始終是一項研究和討論的重要課題之一。從材料表面加工工藝選擇、涂覆材料及噴涂工藝研究以及表面電化保護等在“九五”三峽工程重大裝備研制項目中占有重要地位。在三峽工程開工后,為有效的使用有關表面處理材料和適應三峽壩區的環境,迸行了多廠商多種材料的涂裝掛片試驗,以便有針對性的選擇合適的涂裝材料和工藝,以使表面材料應用達到壽命長、裝飾美的效果。
                (2)如前所述,所有機械設備、金屬結構、水工閘門都在不同程度上離不開表面技術,他們運行的可靠性、經濟性都在不同程度上仰仗表面技術的應用,這牽涉到多專業、多學科的應用,不但是簡單的現場的涂裝技術,還有許多是在設計中要求應用的在工廠實施的技術、工芝,從目前的應用范圍看,它是一項在工程中無所不在、應用廣泛的技術。歡迎國內外表面工程學界積極參與三峽工程表面技術應用研究。
                (3)隨著國內外表面技術的研究和發展,將使三峽工程通過表面技術的應用廣泛受益。采用長效且與壞境相宜的表面涂裝材料和工藝,對延長設備的使用壽命,延長維護性涂裝的周期,有著重要的經濟效益。與整個建筑和周邊環境協調的裝飾涂裝,將會給人們美的享受。針對三峽工程具體的環境、目標進行研究和開發的成果和產品,將會給三峽工程帶來更大的經濟效益。
                (4) 對三峽工程表面技術應用的跟綜研究將水電工程或類似工程的應用提供有價值的參考。三峽工程表面技術應用廣泛,應用材料品種之多,應用對象工作壞境的千差萬別,按照目前技術和工藝水平應用的表面工程技術能否獲得預期效果,還有待長期跟綜研究和改迸。毋容置疑,隨著科學技術的進步,表面工程技術作為現代科學的一門新興的綜合學科,必將得到迅速的發展,三峽工程必將從中獲益。

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