冶金地下铁矿山设施防腐问题探讨

摘要： 文章分析了冶金地下铁矿山的设施腐蚀问题的严重性，介绍了基本的腐蚀机理和影响因素，提出了一些预防和解决腐蚀问题的经验、思路和建议。

关键词： 冶金矿山；井筒装备；设施；防腐

中图分类号：TD535 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）16-0308-02

0 引言

2010年，全国有各类矿山11.25万座，其中地下矿山数万座，大中型地下矿山3000座左右。据笔者在冶金地下铁矿山的经验，井下设施和设备的腐蚀问题是影响矿山生产和增加矿山成本的不可忽略的重要因素之一。据德国的一项统计，钢材在井筒环境中的腐蚀速度一般为0.45～0.68kg/ma，折算为钢材厚度约为0.12至0.18mm/a。若井筒装备钢材重230吨，表面积5000m2，则全年腐蚀掉的钢材重量达到5.64吨。若井下设施的钢结构件总重量达2000吨，则每年腐蚀量可能达到50吨以上，随着腐蚀进程的持续，还可能造成设施结构的强度下降，接地线接地电阻超标等问题，从而产生安全生产的隐患。

1 地下矿山设施和井筒装备腐蚀问题的严重性

在煤矿，井筒装备防腐问题尤为突出。根据《矿山井筒装备防腐蚀技术》中的介绍， “据实验室测试和现场考核，普通A3钢在煤矿井下的腐蚀速率为0.3～1.2mm/a，远远超过海洋环境中钢铁的腐蚀速度，井筒装备的使用寿命一般为10～15a。酸性矿井的腐蚀就更严重了，井筒装备的使用寿命往往不到10年，排水罐道的使用寿命更是只3～4年。”有的时候，由于腐蚀太快，甚至未投产，就要维修或更换。

大中型冶金地下矿山的设计服务年限大都超过30年，甚至达到50年，若井筒装备腐蚀严重，十五年左右就可能报废，进行更新会造成停产3至6个月，且投资可能达千万以上，可谓损失巨大。另外，井下接地线，电缆挂钩，固定锚杆，移动设备和设施等的铁制金属件都存在严重的腐蚀问题，这些也会给井下安全生产带来许多隐患和不利影响。因此，研究地下矿山的装备和设施的腐蚀问题，提前做好预防和维护，这对于减少安全生产隐患，降低生产成本就具有特别重要的意义。

根据资料，某冶金地下矿山，竖井井筒内，水质偏酸性，干湿交替，直径6mm毫米的圆钢，10年时间，腐蚀最严重的地方只剩下不足3mm。以此推算，腐蚀1.5mm（半径）多用了大约10年，最大腐蚀速率超过0.15毫米/年。置于巷道内地表的接地线6mm直径，使用十年左右即有可能完全腐蚀，最大腐蚀速率0.3毫米/年。某些接触特殊化学物质的地方的腐蚀速率可能很高，比如经常接触人员小便的地方，腐蚀速率可达到1mm/年以上。根据微观环境不同，对于相同的设施，各部位的腐蚀速率也可能存在较大差异，从而存在一些不易被人发现的隐患。如封闭的方钢结构，内部干燥则几乎不腐蚀，进水进风则腐蚀显著加快。这都需要引起安全管理方面的注意和重视。

2 井筒装备腐蚀机理和因素分析

对钢材来说，从腐蚀机理上看，分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。

化学腐蚀。化学腐蚀是指，在高温下，或在干燥的大气中，金属表面直接与空气中的氧气、氯气、硫化氢、二氧化硫等酸性气体，或与非电解质直接接触发生化学反应而引起的金属破坏。在这种腐蚀中没有电流产生。钢铁表面的金属氧化皮就是典型的化学腐蚀的产物。

电化学腐蚀。钢材中都含有碳。在潮湿环境中，钢材表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H+增多。这就构成无数个以铁为负极、碳和电势较高的金属为正极、酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。这些原电池里发生氧化还原反应，形成微弱的电流，比较活泼的金属铁失去电子而被氧化，产生了我们看到的铁锈。对井下矿山来说，电化学腐蚀是腐蚀的最普遍形式，也是造成损失最严重的一种腐蚀形式。

表1中列出了笔者统计的影响腐蚀速率的各类常见因素，以便我们查找现场的腐蚀情况，分析引发腐蚀加快的可能因素，采取预防和应对策略，寻求解决问题的办法。从表中涉及到的因素看，空气流速，空气成分，水质、温度等这些因素往往不具备改变的条件，因此考虑的重点在钢材材质、防腐措施、施工质量、覆盖物性质、盐度、化学溶液等方面。

3 井下装备防腐探讨和对策

结构设计。井下作业和施工环境很差，该特点决定了，后期生产过程中解决腐蚀问题往往成本成倍增加，且对生产和安全带来诸多不利影响，因此防腐工作必须从设计的源头开始重视和规划。矿山设计人员在设计过程中，应充分考虑到金属腐蚀对结构强度的影响。在强度设计和材料选用过程中，应结合矿山设计寿命和防腐层的寿命，做一点经济分析，看是否需要适当增加一点余量，以便弥补腐蚀产生的强度下降，延长结构的使用寿命。如，根据笔者经验，某矿山的许多接地线的直径就设计偏小了，因为没有充分考虑到地下矿山的严重腐蚀因素，经过几年使用，接地线腐蚀严重，接地电阻下降，产生安全隐患，且查找故障点困难。另外，在设计过程中，要注意焊缝腐蚀问题，并提高焊接强度设计。比如，焊缝高度适当增加，或采用坡口焊接措施，以提高焊接强度。

防腐设计。一般来说，防腐涂层有三类：有机涂层（丙烯酸聚氨脂类、环氧类、醇酸类、氯化橡胶类、烯烃类、聚氨脂类及其它），无机涂层（醇溶性无机富锌、水性无机富锌），金属涂层（喷锌、喷铝、喷锌铝合金、喷稀土铝）。根据三峡工程的有关实验，“无机富锌涂层对钢铁的阴极保护性能明显优于环氧富锌涂层，但从结合强度上看，环氧富锌涂层优于无机富锌涂层”。总之，每种防腐材料都有其优缺点，如适用环境不同，与材料的结合强度不同，防腐层自身的寿命不同，保护效果不同，防腐成本高低不同等等，因此，井筒装备防腐处理，要请设计单位具备一定经验的专业人员结合矿山设计寿命和预算，在施工设计过程中，一并设计可靠性较高，性价比较好的防腐方式。

防腐施工。一般而言，由于井筒施工作业条件很差，空间小，材料搬运困难，且难以预先准确确定材料尺寸，井筒装备的下料和防腐工作大部分会在地表进行。防腐作业后，材料需经过长距离搬运，然后吊装就位，氧气切割修正，最后焊接固定或螺栓连接。经过这些工序后，原防腐层总是存在许多局部的破坏，从而丧失防腐作用。所以，防腐施工过程中，要严把防腐施工关，对施工人员进行培训，检查防腐材料和工艺是否合格，并加强旁站和质量检测，不合格的必须立刻返工。搬运和安装过程中，要注意采取适当保护措施，减少工件之间的相互的碰撞而损伤防腐层。安装结束后，安排检查，对焊接和碰撞等造成的防腐层局部破坏，应重新处理并补上防腐层。

材料选择。对于关键的连接件，如锚杆和固定螺栓等，采用价格稍高的耐腐蚀的低合金钢等材料替代普通的A3（Q235）钢，这往往能够显著提高连接件耐腐蚀能力，从而延长井下装备的整体寿命。对一些安全要求特别高的连接件，可以考虑采用不锈钢材质替代。根据笔者经验，锚固件和钢结构的接触处腐蚀速率相对较高，这可能是由于该部位受震动造成腐蚀层频繁剥落，从而接触水汽更多，腐蚀加快，因此选用耐腐蚀性能更好的钢材很有必要。对井下硐室的防止淋水的雨棚之类没有多少强度要求的材料，可以采用塑料或玻璃钢复合材料替代钢板或彩板瓦，以提高使用寿命。如，在煤矿经常采用的玻璃钢材料有不饱和聚酯玻璃钢、酚醛玻璃钢、环氧玻璃钢以及酚醛-环氧玻璃钢等。另外，井筒和井下的钢制水管可以考虑采用PPR等新型材料替代，以彻底解决腐蚀问题。近年来，PPR、PE、PVC、PVC-U等各类新型管材不断涌现。许多管材的正常寿命达20年以上，好的可以达到30年以上，但这类管材种类较多，随品种和厂家不同，质量和性能差异较大，所以在选用、采购和使用前的检验中应加以注意。

井筒混凝土浇筑质量。井筒内的混凝土浇筑要提高质量，比如选用合适的矿渣水泥，严控水泥和砂石质量，做好混凝土的保养工作等，防止和减少渗水现象的发生。若发生渗水现象，应督促施工单位采取堵漏措施。减少井筒淋水现象，这不仅能够减少钢材的腐蚀，还能够显著改善井筒作业环境。另外，如果井筒较深，地下水压力较大，在设计时，可以考虑在井筒混凝土浇筑前延井筒内壁铺设引水管道，以释放压力，降低井筒混凝土内壁渗水现象的发生。

垃圾和厕所位置改进。井下的垃圾存放点不得和接地线及结构设施靠近，以免垃圾加速结构件和接地线的腐蚀。厕所位置要方便使用，厕所的污水不要直接流到钢结构件上。日常检查时，注意防止工人在有接地线或设施的地方小便。

4 结论

从以上分析可知，解决地下矿山防腐问题必须从设计开始统筹规划，通过结构设计，防腐设计，材料选择，混凝土施工，防腐施工，垃圾排放等环节的认真把关，才能较好地延缓腐蚀问题的发生，延长地下矿山的设施的使用寿命。另外，由于腐蚀问题的严重性往往会在施工结束的几年后开始显现，因此在建设过程中容易被忽视。所以，笔者建议，有关部门应借鉴《煤矿立井井筒装备防腐技术规范》制定和完善“非煤地下矿山井筒和井下设施防腐技术规范》，以便设计、施工、监理和建设单位依据规范做好防腐建设工作，达到更好地降低腐蚀损失，节约资源，延长装备寿命，创造安全生产环境的目标。

参考文献：

[1]《矿山井筒装备防腐蚀技术》段慎修编著，煤炭工业出版社1992年版.

[2]《煤矿立井筒装备防腐蚀技术规范》（MT/T5017—96）.

[3]《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 用于评估腐蚀性的标准试样的腐蚀速率的测定》GB/T 19292.4-2003.