表面技术在机电和金结中应用展望

摘要：三峡工程是“千年大计、国运所系”的跨世纪工程。工程的质量、寿命、运行可靠性和检修维护费用，取决于多学科技术的发展水平。对表面工程技术在三峡工程机电设备和金属结构工程上的应用进行了全面的讨论和分析，对三峡工程机电设备、金属结构表面预处理、表面涂覆技术和产品提出了技术要求。

关键词：金属结构 机电设备 表面技术

1 引言

　　表面工程，是经过表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。三峡工程通常被人们称为“土木”工程，但是大坝全长2309.47m中，实际上起挡水作用的溢洪闸门、电厂进水口闸门、船闸人字门和输泄水闸门占坝线全长的72%(1679m)，实际上就好似一个“钢秩”工程。三峡工程作为一项水资源综合利用的工程，其机电设备和金属结构的总重量达50万t，其费用占工程总概算的1/3。

　　表面工程以多个学科交叉、综合、复合为特色，以应用多种表面技术及其复合表面技术为特点，是主导工业发展的关键技术之一。三峡工程是“千年大计”、“国运所系”的世纪性工程，一定要重视质量问题，把质量看成是三峡工程的生命。在国际招标的机电设备技术条件中，明确了应用表面加工技术、表面技术和复合表面技术的要求，以改善提高零部件材料表面性能，有效地提高设备运行可靠性，延长使用寿命和方便维护和修复。表面工程技术在三峡工程建设中得到广泛应用。

2 三峡工程应用表面技术的对象

　　三峡水利枢纽由挡水和泄水建筑物、发电建筑物和通航建筑物组成，大坝轴线全长2309.47m。泄水建筑物位于河床中部，设有表孔、深孔和导流底孔；电站厂房位于泄水建筑物左、右两侧，为坝后式厂房，共装设26台700MW水轮发电机组。通航建筑物布置在枢纽左岸，包括双线连续五级永久船闸、单线垂直升船机和施工期通航的临时船闸。

2.1 水轮发电机组和其它机电设备

　　三峡电站水轮发电机组及辅助机电设备总重量约达26万t。埋设在混凝土中的设备部件、常年受含沙水流冲刷的水轮机过流部件和常年暴露在空气中的机电设备表面都需要应用表面工程的基础理论，提出优质、高效、低耗的表面工艺技术，在设备和零部件的表面进行严格的处理以保证设备可靠运行。

2.2 水工闸门和金属结构

　　三峡工程的水工闸门埋设件、闸门本体、输水钢管及启闭机等金属结构总量约26万t。其中大坝及电站合计共有30种不同规格的闸门539扇，永久船闸有各类人字门、充泄水阀门等共89扇，两者共约7.3万t。其中工作环境最恶劣的是导流底孔和泄洪深孔的弧形工作门，最高工作水头达85m，流速达35m/s，并有局部开启的要求。

2.3 对外交通工程

　　三峡工区对外交通工程的金属结构表面防护，包括桥梁表面涂覆、装卸重件码头上的起重设备和金属结构的表面处理以及集装箱码头钢管桩和粉煤灰钢罐内表面的防腐等。

　　三峡工程对外交通金属结构工程包括大中桥梁34座，其中联系坝区两岸的西陵长江大桥1118.66m。

3 三峡工程应用表面技术的试验与实践

3.1 三峡机电设备和金属结构表面的工作环境

　　三峡机电设备和金属结构表面，根据其功能要求，分别暴露在在室内外大气和潮湿大气中，干湿交替环境。在静水工况、动水工况、高速含沙水流中和与混凝土结合的环境下工作运行。

　　(1)暴露在大气中工作的有：大坝顶部门式起重机及轨道、自动抓梁、厂房顶敞开式高压电气设备、高压出线塔、主厂房大门、电站尾水门式起重机及轨道以及部分闸门的局部外露部分。还有永久船闸、临时船闸和垂直升船机的桥机、大梁及清污机等。这些暴露在大气中的结构和装备表面，常年经受日晒雨淋、风雪冰霜的袭击。

　　(2)在室内大气中工作的设备主要有：水轮发电机组、变压器的外露表面、主付厂房内各种桥机、大梁、轨道、厂内高压设备、大电流母线设备和其他机组辅助设备如水泵、空压机、制冷机表面，电站厂房屋架、船闸人字门启闭机及其附属设备、中低压配电盘、动力盘、保护盘柜表面等。

　　(3)在潮湿大气中工作的结构和设备如：电站厂房进水口竖式液压启闭机、长期存放于门库中的检修门及埋件、闸门吊杆、尾水排水阀、水轮机顶盖排水泵等。这些设备常年处在潮湿的空气中，易锈蚀和腐蚀。

　　(4)在干湿交替环境中工作的结构极易发生表面破坏如：船闸人字门、所有闸门的门槽埋件、船闸浮式系船柱、泄水表孔闸门和检修门等。有的干湿交替频繁，有的交替频度不大，对结构表面影响也有所不同。

　　(5)在静水状况下工作的装备有：船闸人字门、检修闸门和叠梁门，电站进水口检修门，泄洪坝段深孔和表孔检修门等。他们都是在闸门前后平压后才开启或下落的。

　　(6)动水工况下工作的电站进水口工作闸门、压力钢管、拦污栅事故检修门、水轮机过流部件包括涡壳、导水机构、转轮、基础环和尾水管里肘等。

　　(7)在特别恶劣的环境中工作的排沙孔工作闸门及事故检修门、底孔工作门、深孔工作门、船闸输泄水廊道阀门、钢衬护以及水轮机转轮都是在高流速的含沙水流中工作和运转的，泥沙磨蚀的破坏作用，对其材料和表面的处理都有特殊要求。

　　(8)一些与混凝土面结合的钢结构，如压力钢管外壁，所有闸门和启闭机构以及钢结构的埋件、水轮机钢里衬、蜗壳、座环以及发电机埋件、设备基础埋件等。

3.2 三峡坝区的空气和水环境特性

　　三峡坝址位于湖北宜昌市二斗坪镇，此区域属南温带和亚热带过渡地带，其气候特征是高温、高湿、雾多风小，秋雨多温差小。坝区大气年平均相对湿度75.8%，平均温度21～22C，最高温度43.9C，最低9.8C。年平均降雨量达1251mm，以7、8月份较高。大气中S02浓度较高，酸雨比较严重，降雨pH值为5.44，大气环境腐蚀性大。

　　三峡坝址处多年平均水量达4500亿m3，多年平均流量为14400m3/s，水中含有泥沙，多年平均含沙量1.2kg/m3。实测最大含沙量10.5kg/m3。泥沙中推移质相对较小，悬移质居多，平均粒径小于0.1mm。水中有生物作用，如海蜊子等。江水的PH值为7.95，水中溶解O2为6.4mg/L。在动水下工作的装备和结构，承受的动水速度多不相同，拦污栅的过栅流速约lm/s，压力钢管内约8m/s，船闸输水廊道内约20m/s，深孔、底孔闸门处30～35m/s，排沙底孔内18～28m/s，水轮机转轮叶片约30～40m/s。这些结构和装备特别是在高速含沙水流中工作的结构和装备，面临空化和泥沙磨损的联合破坏。

3.3 三峡工程设备和钢结构的表面技术应用试验

　　为了使表面科学与工程相结合，为了结合三峡工程的空气环境、水环境和工作环境特点，通过试验研究提出有效的工程措施，达到改善材料的表面性能、有效延长使用寿命、节约资源、提高生产力和减少环境污染的目的。

　　为此，中国长江三峡工程开发总公司委托武汉材料保护研究所进行了不同涂覆材料和多种表面技术复合处理的实验。

　　(1)大气暴露实验 从1995年1月开始，在三峡坝区、宜昌市区和秭归县城，对30多个国内外厂家的120多种防腐体系的试件作挂片试验，其中有机涂装体系42种，热喷涂金属体系7种。现在试验仍在进行中。

　　(2)水环境暴露实验分别对全暴露在水环境中(全浸)和干湿交替的环境进行了试验。实验安排在三峡坝址下游40km处的葛洲坝水利枢纽进行，全浸试件浸没在葛洲坝二号船闸上闸首的人字门上，干湿交替试件装设在葛洲坝二号船闸下闸首的人字门上。试验涂装材料有，有机涂装体系35种，热喷涂金属体系7种，电化学保护1种。

　　(3)室内加速腐蚀实验分别对13个厂家的34种防腐体系，即4种水溶性无机富锌类、3种醇溶性无机富锌类、4种环氧富锌类、13种富锌底漆/中间漆/面漆、5种金属喷涂层、8种金属喷涂层/封闭底漆进行试验，分别应用常规试样和划叉破坏性试样在中性盐雾条件下进行加速腐蚀试验、在5%盐水溶液中浸渍试验、紫外线加速腐蚀老化气候试验、在自来水和盐水中的电化学对比试验、涂层电气学保护性能试验以及涂层与基体(或其他涂层)界面粘结力试验。

　　上述各项现场挂片试验的初步成果，已在机电设备和金属结构招标文件的技术规范中得到应用，供货厂商将根据合同的要求进行表面涂覆和表面改性处理。

3.4 三峡工程应用表面技术的实践

　　三峡工程自1994年12月正式宣布开工以来，表面技术在桥涵、码头、施工变电所和储运设备等方面得到比较广泛的应用。

　　(1)桥梁 三峡对外交通工程桥梁中特大桥4座，大桥7座，中桥23座，合计34座，累计长3793m其中较具特色的有莲沱大桥、黄柏河大桥、下牢溪大桥和横跨长江南北两岸的西陵长江大桥。