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【摘 要】 结合多个水中秀场项目的一些经验，介绍如何运用防腐蚀技术有效地减緩涉水舞台机械易腐蚀的问题。
【关键词】 舞台机械；防腐技术；涂层保护；电化学保护；应用
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.03.007
目前，人们对文化旅游的需求与日俱增；为了满足这种需求，大量的主题公园应运而建。这些大型的主题公园里一般都设置了各种类型的演艺设施，其中不乏大型实景演艺秀场。这些演艺秀场中有大量的舞台机械设备，其中多数为露天安装，还有大量的设备直接安装在水中，甚至是海水中。虽然这些水中的设备可以采用不锈钢等耐腐蚀材料，但由于成本的原因（耐腐蚀材料的设备造价是普通碳钢的5倍左右），一般大型舞台机械设备都采用普通结构用金属型材制造，恶劣的工作环境使这些设备的腐蚀程度远远大于室内干燥环境下使用的设备。另外，近年来沿海区域大型主题公园不断涌现，许多设备直接浸泡于海水中，在海水介质中设备的使用环境更加恶劣，腐蚀情况非常严重。可见，演艺设备的防腐蚀处理在舞台机械的使用和防护中是至关重要的一个环节。笔者结合本公司近年来完成的几个大型实景演艺秀场，针对设备的使用环境和防腐措施，谈谈船舶防腐蚀技术在舞台演艺设备防腐蚀中的应用。
1 设备腐蚀的危害
首先，设备腐蚀使设备外观受损；其次，由于金属的腐蚀使其强度变差，设备的使用寿命大大缩短；更为严重的是，如果疏于管理，极易造成设备损毁甚至人员伤亡事故；除此以外，设备腐蚀还会造成传动效能降低、环境污染、资源浪费等不良后果，如图1所示。
2 金属腐蚀的原理
钢由铁、碳和其他元素组成。海水是强电解质，铁在海水中比其他元素更易失去电子，呈较高电位。铁元素常年浸泡在海水中，会快速失去电子成为正极；铁元素失去的电子经过海水这个电解质到达其他元素，其他元素获得电子成为负极；这样就形成了一个个微电池，但这并不腐蚀钢铁。关键在于海水中存在溶解氧，这些溶解氧在海水中呈负离子状态，必然与失去电子成为正极的铁结合生成氧化铁，这就是电化学腐蚀。这个过程可以用（公式1）和（公式2）表示：
其化学反应式可表示为：
① 析氢腐蚀：
② 吸氧腐蚀：
③ 化学腐蚀：
与海水接触部位的表面除了受到上述电化学腐蚀，还有海洋生物腐蚀、运动磨损腐蚀、杂散电流腐蚀等各种腐蚀。其中以电化学腐蚀最严重，而电化学腐蚀的最大特点是仅腐蚀阳极区域，不腐蚀阴极区域。表1列举了各种环境中钢材的腐蚀速度。
3 设备腐蚀的防护
金属防腐主要有两种方式，即涂层保护和电化学保护。
3.1 涂层保护
涂层保护对于金属设备来说，是一种应用最广泛，历史最悠久，也最为经济、方便、有效的防护方法。涂层保护是将防腐涂料或镀层涂覆在钢结构表面，使其形成一层完整、致密的涂层，以隔离各部位钢铁表面与外界腐蚀环境。涂层保护又可分为涂料涂层保护和镀膜涂层保护两大类。涂料涂层保护主要包括油漆、喷塑等；镀膜涂层保护主要包括镀锌、镀铬等。随着新材料的不断开发应用，现在又出现了氟碳、聚脲、达克罗等新型防腐涂层材料。
3.1.1 涂层保护的工艺要求
钢材表面防腐涂层的有效保护寿命与涂装之前的表面处理、涂料种类、涂膜厚度及涂装的工艺条件等许多因素有关，其中涂装前的钢材表面处理质量是影响涂膜保护性能的最主要因素，如表2所示。
钢材表面处理方法主要有：原材料抛丸预处理和涂装车间喷丸或酸洗、磷化、底漆处理等。
3.1.2 涂层保护的效果
一般潮湿环境，室外以及淡水完全浸没环境中的演艺设备可采用涂层保护方法进行保护，只要严格按工艺要求施工，并且在吊装、运输以及安装过程中注意设备表面涂层的保护，是可以达到防腐要求的。
笔者所在的公司参与设计的某影视城秀场的水中升降舞台，采用普通碳钢加船舶涂料进行防护，即选用合适的船舶专用涂料，以船舶涂层的工艺要求进行施工，设备使用两年后钢结构表面基本没有腐蚀，获得了良好的防腐效果，如图2所示。
3.2 电化学保护
电化学保护又称之为阴极保护。阴极保护法有两种，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。其中牺牲阳极阴极保护又称为被动式保护；外加电流阴极保护又称为主动式保护。这两种电化学保护方法在船舶壳体和码头钢结构的保护中被广泛采用。
3.2.1 牺牲阳极阴极保护
牺牲阳极阴极保护是在需要保护的钢结构设备上固定一些作为阳极的金属材料，如金属铝、锌、镁及其合金等。由于这些金属及合金的化学性质比铁更活跃，因此，在电解质（海水）的作用下更易失去电子而呈高电位（阳极），这样金属材料与被保护的钢结构之间就形成了一个微电池，在这个微电池中阳极被加速氧化腐蚀，而阴极（钢结构）表面则被阳极电子堆积覆盖得以保护，从而大大减缓了钢结构的腐蚀。
牺牲阳极阴极保护可使用铝合金阳极或锌合金阳极，其材料的化学成分、电化学性能必须严格按照国家标准GB/T 4948-2002《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》和GB/T 4950-2002《锌-铝-镉合金牺牲阳极》。表3?表6列举了阳极材料的化学成分及电化学性能。
3.2.2 外加电流阴极保护
外加电流阴极保护是在牺牲阳极阴极保护过程中外加一个恒电位，利用外加恒电位使被保护结构达到保护电位域，此时所需要的电流叫做保护电流。保护电流的大小与被保护的金属结构的表面积有直接关系，通常采用单位面积的保护电流值——保护电流密度作为表征，图3为阴极保护原理示意图。
钢铁在静止的海水中的腐蚀速度一般为0.1 mm/年，假定其为速度恒定的均匀腐蚀，根据理论计算可知，其腐蚀电流密度为0.086 A/m2。而实验结果表明，在静止的海水中，钢铁的保护电流密度为0.1 A/m2?0.15 A/m2。这与理论上要求的保护电流必须大于腐蚀电流的概念是一致的。 船体的外加电流阴极保护系统，一般是由恒电位仪、辅助阳极、阳极屏蔽层、参比电极等组成。恒电位仪是一个高性能的直流电源，一般还集合了良好的人机界面、自动控制功能、自我检测和异常报警等功能。辅助阳极是一个重要的部件，其作用是将保护电流经由海水传递到金属表面，效果等于代替金属进行电化学腐蚀。阳极屏蔽层是覆盖在辅助阳极周围一定面积范围内的绝缘涂层，可以使阳极的输出电流分布到较远的阴极表面，以使金属电位分布均匀。参比电极主要是为恒电位仪提供实现自动控制用的金属电位信号，同时也为人机界面提供阴极保护效果的信号。
对于暴露于海边以及长期浸泡于海水中的演艺设备，由于海水和盐雾的强腐蚀作用，仅用涂层保护显然是不够的。为此，采用涂层保护加电化学保护的综合保护法。其中，对于暴露于海边或有海水飞溅（喷淋）的演艺设备，采用牺牲阳极阴极保护的电化学保护措施保护效果明显；而对于长期浸泡于海水中的演艺设备，则应采用外加电流阴极保护的电化学保护措施保护效果更好。
笔者所在的公司曾給某海边水秀场制造大型演艺设备，设置了海水喷泉，为了更好地保护设备减缓锈蚀，在设计制造时考虑了采用牺牲阳极阴极保护的电化学保护措施，如图4所示。事实证明，对于海边或半干湿环境中使用的演艺设备，牺牲阳极阴极保护措施所起到的防腐保护作用非常显著。图5是在相同的环境中经过两年的使用后，有保护和无保护钢结构腐蚀情况的对比。
在海水中浸泡的演艺设备更宜采用外加电流阴极保护措施，只要在适当位置安装若干个辅助阳极，控制好保护电流的大小，即可达到满意的保护效果。但是在海水环境中，除了海水的侵蚀外还有海洋生物侵蚀，因此，这些设备的涂层保护也非常重要。传统油漆涂料很难防止海洋生物的附着与侵蚀，而近些年被广泛使用的聚脲防腐涂层则能有效防止海洋生物的附着。如果条件允许，聚脲涂层可在设备安装完成后现场喷涂，喷涂时要注意尽量均匀并消除死角。通过上述涂层保护和外加电流阴极保护的综合保护，经常处于海水中浸泡的演艺设备寿命可大大延长，一般可使用5?10年，真正起到事半功倍的效果。
4 结束语
近年来，文化产业得到了长足的发展，各种大型主题公园、实景秀场的建设，给舞台机械提出了许多新的要求。笔者有幸参与了数个大型室外实景秀场舞台机械涉水设备的防腐保护设计，在这些设计中充分借鉴了船舶涂层保护和电化学阴极保护的技术、工艺、材料等，使舞台机械在恶劣的工作环境中得到了很好的保护，有效地提高了设备的可靠性和安全性，极大地延长了设备的使用寿命，为投资方节约了建设成本，获得了良好的社会和经济效益。
参考文献：
[1]陈可越，等. 船舶设计实用手册[M]. 中国交通科技出版社，2007.
（编辑 薛云霞）
【关键词】 舞台机械；防腐技术；涂层保护；电化学保护；应用
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.03.007
目前，人们对文化旅游的需求与日俱增；为了满足这种需求，大量的主题公园应运而建。这些大型的主题公园里一般都设置了各种类型的演艺设施，其中不乏大型实景演艺秀场。这些演艺秀场中有大量的舞台机械设备，其中多数为露天安装，还有大量的设备直接安装在水中，甚至是海水中。虽然这些水中的设备可以采用不锈钢等耐腐蚀材料，但由于成本的原因（耐腐蚀材料的设备造价是普通碳钢的5倍左右），一般大型舞台机械设备都采用普通结构用金属型材制造，恶劣的工作环境使这些设备的腐蚀程度远远大于室内干燥环境下使用的设备。另外，近年来沿海区域大型主题公园不断涌现，许多设备直接浸泡于海水中，在海水介质中设备的使用环境更加恶劣，腐蚀情况非常严重。可见，演艺设备的防腐蚀处理在舞台机械的使用和防护中是至关重要的一个环节。笔者结合本公司近年来完成的几个大型实景演艺秀场，针对设备的使用环境和防腐措施，谈谈船舶防腐蚀技术在舞台演艺设备防腐蚀中的应用。
1 设备腐蚀的危害
首先，设备腐蚀使设备外观受损；其次，由于金属的腐蚀使其强度变差，设备的使用寿命大大缩短；更为严重的是，如果疏于管理，极易造成设备损毁甚至人员伤亡事故；除此以外，设备腐蚀还会造成传动效能降低、环境污染、资源浪费等不良后果，如图1所示。
2 金属腐蚀的原理
钢由铁、碳和其他元素组成。海水是强电解质，铁在海水中比其他元素更易失去电子，呈较高电位。铁元素常年浸泡在海水中，会快速失去电子成为正极；铁元素失去的电子经过海水这个电解质到达其他元素，其他元素获得电子成为负极；这样就形成了一个个微电池，但这并不腐蚀钢铁。关键在于海水中存在溶解氧，这些溶解氧在海水中呈负离子状态，必然与失去电子成为正极的铁结合生成氧化铁，这就是电化学腐蚀。这个过程可以用（公式1）和（公式2）表示：
其化学反应式可表示为：
① 析氢腐蚀：
② 吸氧腐蚀：
③ 化学腐蚀：
与海水接触部位的表面除了受到上述电化学腐蚀，还有海洋生物腐蚀、运动磨损腐蚀、杂散电流腐蚀等各种腐蚀。其中以电化学腐蚀最严重，而电化学腐蚀的最大特点是仅腐蚀阳极区域，不腐蚀阴极区域。表1列举了各种环境中钢材的腐蚀速度。
3 设备腐蚀的防护
金属防腐主要有两种方式，即涂层保护和电化学保护。
3.1 涂层保护
涂层保护对于金属设备来说，是一种应用最广泛，历史最悠久，也最为经济、方便、有效的防护方法。涂层保护是将防腐涂料或镀层涂覆在钢结构表面，使其形成一层完整、致密的涂层，以隔离各部位钢铁表面与外界腐蚀环境。涂层保护又可分为涂料涂层保护和镀膜涂层保护两大类。涂料涂层保护主要包括油漆、喷塑等；镀膜涂层保护主要包括镀锌、镀铬等。随着新材料的不断开发应用，现在又出现了氟碳、聚脲、达克罗等新型防腐涂层材料。
3.1.1 涂层保护的工艺要求
钢材表面防腐涂层的有效保护寿命与涂装之前的表面处理、涂料种类、涂膜厚度及涂装的工艺条件等许多因素有关，其中涂装前的钢材表面处理质量是影响涂膜保护性能的最主要因素，如表2所示。
钢材表面处理方法主要有：原材料抛丸预处理和涂装车间喷丸或酸洗、磷化、底漆处理等。
3.1.2 涂层保护的效果
一般潮湿环境，室外以及淡水完全浸没环境中的演艺设备可采用涂层保护方法进行保护，只要严格按工艺要求施工，并且在吊装、运输以及安装过程中注意设备表面涂层的保护，是可以达到防腐要求的。
笔者所在的公司参与设计的某影视城秀场的水中升降舞台，采用普通碳钢加船舶涂料进行防护，即选用合适的船舶专用涂料，以船舶涂层的工艺要求进行施工，设备使用两年后钢结构表面基本没有腐蚀，获得了良好的防腐效果，如图2所示。
3.2 电化学保护
电化学保护又称之为阴极保护。阴极保护法有两种，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。其中牺牲阳极阴极保护又称为被动式保护；外加电流阴极保护又称为主动式保护。这两种电化学保护方法在船舶壳体和码头钢结构的保护中被广泛采用。
3.2.1 牺牲阳极阴极保护
牺牲阳极阴极保护是在需要保护的钢结构设备上固定一些作为阳极的金属材料，如金属铝、锌、镁及其合金等。由于这些金属及合金的化学性质比铁更活跃，因此，在电解质（海水）的作用下更易失去电子而呈高电位（阳极），这样金属材料与被保护的钢结构之间就形成了一个微电池，在这个微电池中阳极被加速氧化腐蚀，而阴极（钢结构）表面则被阳极电子堆积覆盖得以保护，从而大大减缓了钢结构的腐蚀。
牺牲阳极阴极保护可使用铝合金阳极或锌合金阳极，其材料的化学成分、电化学性能必须严格按照国家标准GB/T 4948-2002《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》和GB/T 4950-2002《锌-铝-镉合金牺牲阳极》。表3?表6列举了阳极材料的化学成分及电化学性能。
3.2.2 外加电流阴极保护
外加电流阴极保护是在牺牲阳极阴极保护过程中外加一个恒电位，利用外加恒电位使被保护结构达到保护电位域，此时所需要的电流叫做保护电流。保护电流的大小与被保护的金属结构的表面积有直接关系，通常采用单位面积的保护电流值——保护电流密度作为表征，图3为阴极保护原理示意图。
钢铁在静止的海水中的腐蚀速度一般为0.1 mm/年，假定其为速度恒定的均匀腐蚀，根据理论计算可知，其腐蚀电流密度为0.086 A/m2。而实验结果表明，在静止的海水中，钢铁的保护电流密度为0.1 A/m2?0.15 A/m2。这与理论上要求的保护电流必须大于腐蚀电流的概念是一致的。 船体的外加电流阴极保护系统，一般是由恒电位仪、辅助阳极、阳极屏蔽层、参比电极等组成。恒电位仪是一个高性能的直流电源，一般还集合了良好的人机界面、自动控制功能、自我检测和异常报警等功能。辅助阳极是一个重要的部件，其作用是将保护电流经由海水传递到金属表面，效果等于代替金属进行电化学腐蚀。阳极屏蔽层是覆盖在辅助阳极周围一定面积范围内的绝缘涂层，可以使阳极的输出电流分布到较远的阴极表面，以使金属电位分布均匀。参比电极主要是为恒电位仪提供实现自动控制用的金属电位信号，同时也为人机界面提供阴极保护效果的信号。
对于暴露于海边以及长期浸泡于海水中的演艺设备，由于海水和盐雾的强腐蚀作用，仅用涂层保护显然是不够的。为此，采用涂层保护加电化学保护的综合保护法。其中，对于暴露于海边或有海水飞溅（喷淋）的演艺设备，采用牺牲阳极阴极保护的电化学保护措施保护效果明显；而对于长期浸泡于海水中的演艺设备，则应采用外加电流阴极保护的电化学保护措施保护效果更好。
笔者所在的公司曾給某海边水秀场制造大型演艺设备，设置了海水喷泉，为了更好地保护设备减缓锈蚀，在设计制造时考虑了采用牺牲阳极阴极保护的电化学保护措施，如图4所示。事实证明，对于海边或半干湿环境中使用的演艺设备，牺牲阳极阴极保护措施所起到的防腐保护作用非常显著。图5是在相同的环境中经过两年的使用后，有保护和无保护钢结构腐蚀情况的对比。
在海水中浸泡的演艺设备更宜采用外加电流阴极保护措施，只要在适当位置安装若干个辅助阳极，控制好保护电流的大小，即可达到满意的保护效果。但是在海水环境中，除了海水的侵蚀外还有海洋生物侵蚀，因此，这些设备的涂层保护也非常重要。传统油漆涂料很难防止海洋生物的附着与侵蚀，而近些年被广泛使用的聚脲防腐涂层则能有效防止海洋生物的附着。如果条件允许，聚脲涂层可在设备安装完成后现场喷涂，喷涂时要注意尽量均匀并消除死角。通过上述涂层保护和外加电流阴极保护的综合保护，经常处于海水中浸泡的演艺设备寿命可大大延长，一般可使用5?10年，真正起到事半功倍的效果。
4 结束语
近年来，文化产业得到了长足的发展，各种大型主题公园、实景秀场的建设，给舞台机械提出了许多新的要求。笔者有幸参与了数个大型室外实景秀场舞台机械涉水设备的防腐保护设计，在这些设计中充分借鉴了船舶涂层保护和电化学阴极保护的技术、工艺、材料等，使舞台机械在恶劣的工作环境中得到了很好的保护，有效地提高了设备的可靠性和安全性，极大地延长了设备的使用寿命，为投资方节约了建设成本，获得了良好的社会和经济效益。
参考文献：
[1]陈可越，等. 船舶设计实用手册[M]. 中国交通科技出版社，2007.
（编辑 薛云霞）