摘要：三峽工程是“千年大計(jì)、國運(yùn)所系”的跨世紀(jì)工程。工程的質(zhì)量、壽命、運(yùn)行可靠性和檢修維護(hù)費(fèi)用，取決于多學(xué)科技術(shù)的發(fā)展水平。對表面工程技術(shù)在三峽工程機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)工程上的應(yīng)用進(jìn)行了全面的討論和分析，對三峽工程機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)表面預(yù)處理、表面涂覆技術(shù)和產(chǎn)品提出了技術(shù)要求。 

關(guān)鍵詞：金屬結(jié)構(gòu) 機(jī)電設(shè)備 表面技術(shù) 

1 引言
    表面工程，是經(jīng)過表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)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(shí)際上起擋水作用的溢洪閘門、電廠進(jìn)水口閘門、船閘人字門和輸泄水閘門占壩線全長的72%(1679m)，實(shí)際上就好似一個(gè)“鋼秩”工程。三峽工程作為一項(xiàng)水資源綜合利用的工程，其機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)的總重量達(dá)50萬t，其費(fèi)用占工程總概算的1/3。
    表面工程以多個(gè)學(xué)科交叉、綜合、復(fù)合為特色，以應(yīng)用多種表面技術(shù)及其復(fù)合表面技術(shù)為特點(diǎn)，是主導(dǎo)工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。三峽工程是“千年大計(jì)”、“國運(yùn)所系”的世紀(jì)性工程，一定要重視質(zhì)量問題，把質(zhì)量看成是三峽工程的生命。在國際招標(biāo)的機(jī)電設(shè)備技術(shù)條件中，明確了應(yīng)用表面加工技術(shù)、表面技術(shù)和復(fù)合表面技術(shù)的要求，以改善提高零部件材料表面性能，有效地提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，延長使用壽命和方便維護(hù)和修復(fù)。表面工程技術(shù)在三峽工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。
2 三峽工程應(yīng)用表面技術(shù)的對象
    三峽水利樞紐由擋水和泄水建筑物、發(fā)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(shè)有表孔、深孔和導(dǎo)流底孔；電站廠房位于泄水建筑物左、右兩側(cè)，為壩后式廠房，共裝設(shè)26臺(tái)700MW水輪發(fā)電機(jī)組。通航建筑物布置在樞紐左岸，包括雙線連續(xù)五級永久船閘、單線垂直升船機(jī)和施工期通航的臨時(shí)船閘。
2.1 水輪發(fā)電機(jī)組和其它機(jī)電設(shè)備
    三峽電站水輪發(fā)電機(jī)組及輔助機(jī)電設(shè)備總重量約達(dá)26萬t。埋設(shè)在混凝土中的設(shè)備部件、常年受含沙水流沖刷的水輪機(jī)過流部件和常年暴露在空氣中的機(jī)電設(shè)備表面都需要應(yīng)用表面工程的基礎(chǔ)理論，提出優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的表面工藝技術(shù)，在設(shè)備和零部件的表面進(jìn)行嚴(yán)格的處理以保證設(shè)備可靠運(yùn)行。
2.2 水工閘門和金屬結(jié)構(gòu)
    三峽工程的水工閘門埋設(shè)件、閘門本體、輸水鋼管及啟閉機(jī)等金屬結(jié)構(gòu)總量約26萬t。其中大壩及電站合計(jì)共有30種不同規(guī)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(huán)境最惡劣的是導(dǎo)流底孔和泄洪深孔的弧形工作門，最高工作水頭達(dá)85m，流速達(dá)35m/s，并有局部開啟的要求。
2.3 對外交通工程
    三峽工區(qū)對外交通工程的金屬結(jié)構(gòu)表面防護(hù)，包括橋梁表面涂覆、裝卸重件碼頭上的起重設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)的表面處理以及集裝箱碼頭鋼管樁和粉煤灰鋼罐內(nèi)表面的防腐等。
    三峽工程對外交通金屬結(jié)構(gòu)工程包括大中橋梁34座，其中聯(lián)系壩區(qū)兩岸的西陵長江大橋1118.66m。
3 三峽工程應(yīng)用表面技術(shù)的試驗(yàn)與實(shí)踐
3.1 三峽機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)表面的工作環(huán)境
    三峽機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)表面，根據(jù)其功能要求，分別暴露在在室內(nèi)外大氣和潮濕大氣中，干濕交替環(huán)境。在靜水工況、動(dòng)水工況、高速含沙水流中和與混凝土結(jié)合的環(huán)境下工作運(yùn)行。
    (1)暴露在大氣中工作的有：大壩頂部門式起重機(jī)及軌道、自動(dòng)抓梁、廠房頂敞開式高壓電氣設(shè)備、高壓出線塔、主廠房大門、電站尾水門式起重機(jī)及軌道以及部分閘門的局部外露部分。還有永久船閘、臨時(shí)船閘和垂直升船機(jī)的橋機(jī)、大梁及清污機(jī)等。這些暴露在大氣中的結(jié)構(gòu)和裝備表面，常年經(jīng)受日曬雨淋、風(fēng)雪冰霜的襲擊。
    (2)在室內(nèi)大氣中工作的設(shè)備主要有：水輪發(fā)電機(jī)組、變壓器的外露表面、主付廠房內(nèi)各種橋機(jī)、大梁、軌道、廠內(nèi)高壓設(shè)備、大電流母線設(shè)備和其他機(jī)組輔助設(shè)備如水泵、空壓機(jī)、制冷機(jī)表面，電站廠房屋架、船閘人字門啟閉機(jī)及其附屬設(shè)備、中低壓配電盤、動(dòng)力盤、保護(hù)盤柜表面等。
    (3)在潮濕大氣中工作的結(jié)構(gòu)和設(shè)備如：電站廠房進(jìn)水口豎式液壓啟閉機(jī)、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(jī)頂蓋排水泵等。這些設(shè)備常年處在潮濕的空氣中，易銹蝕和腐蝕。
    (4)在干濕交替環(huán)境中工作的結(jié)構(gòu)極易發(fā)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(dòng)水工況下工作的電站進(jìn)水口工作閘門、壓力鋼管、攔污柵事故檢修門、水輪機(jī)過流部件包括渦殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、基礎(chǔ)環(huán)和尾水管里肘等。
    (7)在特別惡劣的環(huán)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(hù)以及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪都是在高流速的含沙水流中工作和運(yùn)轉(zhuǎn)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(jié)合的鋼結(jié)構(gòu)，如壓力鋼管外壁，所有閘門和啟閉機(jī)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)的埋件、水輪機(jī)鋼里襯、蝸殼、座環(huán)以及發(fā)電機(jī)埋件、設(shè)備基礎(chǔ)埋件等。
3.2 三峽壩區(qū)的空氣和水環(huán)境特性
    三峽壩址位于湖北宜昌市二斗坪鎮(zhèn)，此區(qū)域?qū)倌蠝貛Ш蛠啛釒н^渡地帶，其氣候特征是高溫、高濕、霧多風(fēng)小，秋雨多溫差小。壩區(qū)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(dá)1251mm，以7、8月份較高。大氣中S02濃度較高，酸雨比較嚴(yán)重，降雨pH值為5.44，大氣環(huán)境腐蝕性大。
    三峽壩址處多年平均水量達(dá)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(shí)測最大含沙量10.5kg/m3。泥沙中推移質(zhì)相對較小，懸移質(zhì)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(dòng)水下工作的裝備和結(jié)構(gòu)，承受的動(dòng)水速度多不相同，攔污柵的過柵流速約lm/s，壓力鋼管內(nèi)約8m/s，船閘輸水廊道內(nèi)約20m/s，深孔、底孔閘門處30～35m/s，排沙底孔內(nèi)18～28m/s，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片約30～40m/s。這些結(jié)構(gòu)和裝備特別是在高速含沙水流中工作的結(jié)構(gòu)和裝備，面臨空化和泥沙磨損的聯(lián)合破壞。
3.3 三峽工程設(shè)備和鋼結(jié)構(gòu)的表面技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)
    為了使表面科學(xué)與工程相結(jié)合，為了結(jié)合三峽工程的空氣環(huán)境、水環(huán)境和工作環(huán)境特點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究提出有效的工程措施，達(dá)到改善材料的表面性能、有效延長使用壽命、節(jié)約資源、提高生產(chǎn)力和減少環(huán)境污染的目的。
    為此，中國長江三峽工程開發(fā)總公司委托武漢材料保護(hù)研究所進(jìn)行了不同涂覆材料和多種表面技術(shù)復(fù)合處理的實(shí)驗(yàn)。
    (1)大氣暴露實(shí)驗(yàn) 從1995年1月開始，在三峽壩區(qū)、宜昌市區(qū)和秭歸縣城，對30多個(gè)國內(nèi)外廠家的120多種防腐體系的試件作掛片試驗(yàn)，其中有機(jī)涂裝體系42種，熱噴涂金屬體系7種。現(xiàn)在試驗(yàn)仍在進(jìn)行中。
    (2)水環(huán)境暴露實(shí)驗(yàn)分別對全暴露在水環(huán)境中(全浸)和干濕交替的環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)安排在三峽壩址下游40km處的葛洲壩水利樞紐進(jìn)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(shè)在葛洲壩二號船閘下閘首的人字門上。試驗(yàn)涂裝材料有，有機(jī)涂裝體系35種，熱噴涂金屬體系7種，電化學(xué)保護(hù)1種。
    (3)室內(nèi)加速腐蝕實(shí)驗(yàn)分別對13個(gè)廠家的34種防腐體系，即4種水溶性無機(jī)富鋅類、3種醇溶性無機(jī)富鋅類、4種環(huán)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(jìn)行試驗(yàn)，分別應(yīng)用常規(guī)試樣和劃叉破壞性試樣在中性鹽霧條件下進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)、在5%鹽水溶液中浸漬試驗(yàn)、紫外線加速腐蝕老化氣候試驗(yàn)、在自來水和鹽水中的電化學(xué)對比試驗(yàn)、涂層電氣學(xué)保護(hù)性能試驗(yàn)以及涂層與基體(或其他涂層)界面粘結(jié)力試驗(yàn)。
    上述各項(xiàng)現(xiàn)場掛片試驗(yàn)的初步成果，已在機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)招標(biāo)文件的技術(shù)規(guī)范中得到應(yīng)用，供貨廠商將根據(jù)合同的要求進(jìn)行表面涂覆和表面改性處理。
3.4 三峽工程應(yīng)用表面技術(shù)的實(shí)踐
    三峽工程自1994年12月正式宣布開工以來，表面技術(shù)在橋涵、碼頭、施工變電所和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備等方面得到比較廣泛的應(yīng)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(jì)34座，累計(jì)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?yàn)橹谐惺饺�孔鋼管混凝土連續(xù)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(hù)，采用三道漆，分別為底漆、中間漆和面漆，干膜總厚度達(dá)305μm。在涂裝前表面經(jīng)除銹處理達(dá)Sa2.5級，粗糙度Ra30。
    下牢溪大橋全長286.06m，為六孔三柱墩結(jié)構(gòu)，最大跨徑160m為鋼管拱結(jié)構(gòu)。鋼管拱表面防護(hù)采用熱噴鋁。
    黃柏河大橋全長284.76m，為七孔樁臺(tái)式雙柱墩結(jié)構(gòu)，最大跨徑160m為鋼管拱結(jié)構(gòu)。鋼管拱表面采用熱噴鋅。
    上述鋼管拱的涂裝壽命要求達(dá)到20年。
    西陵長江大橋是橫跨長江的壩區(qū)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(jié)構(gòu)。兩座主塔高120m，為鋼筋混凝土三層門式柜架結(jié)構(gòu)。主塔基礎(chǔ)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(qiáng)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(diào)整力的平衡，全軍裝備維修表面工程研究中心提出了復(fù)合減摩涂層設(shè)計(jì)及相應(yīng)的現(xiàn)場施工方案，替代國外采用的在鞍座磨擦副中安裝數(shù)千枚滾針的方案，使鞍座順利推移到位。采用這種復(fù)合減摩技術(shù)使磨擦系數(shù)降低1倍以上，大大節(jié)省了施工費(fèi)用。此外，主塔表面和鋼纜都采用了表面涂裝防護(hù)，主塔表面總漆膜厚度達(dá)280μm。涂裝壽命為5年，修復(fù)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(shè)有公路防眩網(wǎng)及護(hù)欄，網(wǎng)和護(hù)欄波形梁表面采用熱浸鍍鋅防護(hù)，鋅層厚度在61～85μm。
    (3)碼頭在三峽壩區(qū)設(shè)有一座楊家灣港口集裝箱、雜貨碼頭和一座重型設(shè)備裝卸的重件碼頭。碼頭是三峽壩區(qū)水上的貨物吞吐口，保證安全運(yùn)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(chǔ)，鋼管樁采用16mm的3號鎮(zhèn)靜甲類鋼，其表面用氯化橡膠鋁粉和氯化橡膠防腐漆進(jìn)行處理。
    2×300/50t重件碼頭的起吊設(shè)備為2臺(tái)300t小車的橋式起重機(jī)，橋架結(jié)構(gòu)總重300t。橋機(jī)及吊梁金屬結(jié)構(gòu)的所有內(nèi)、外表面，機(jī)械零部件非接觸表面，都進(jìn)行了表面涂裝處理。表面先經(jīng)噴丸、機(jī)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(huán)氧鐵紅車間底漆、環(huán)氧云鐵防銹漆和可涂覆聚氨酯面漆。
    (4)粉煤灰儲(chǔ)運(yùn)罐罐體為鋼結(jié)構(gòu)，全部儲(chǔ)運(yùn)罐總重約1830t，對其罐體、中轉(zhuǎn)倉進(jìn)行涂裝處理，用鐵紅為底漆，合成樹脂調(diào)和漆用作中間漆和面漆，輸送粉煤灰的地下管道用環(huán)氧煤焦油瀝青涂料。
    表面工程在三峽工程的應(yīng)用實(shí)踐，不但起到了對金屬和非金屬表面的防護(hù)作用，還增添了建筑物的美感。據(jù)不全面的檢查，涂復(fù)材料和工藝的應(yīng)用是成功的，其使用壽命還有待進(jìn)一步跟蹤調(diào)查和考驗(yàn)。