出口型碳鋼閥門外腐蝕成因分析與涂裝對策

黃俊

(陜西廣播電視大學教學支持服務中心，陜西 西安 710119)

工業閥門是我國重要的通用機械類外貿產品，其出口貨值逐年提高，未來也將有更多的中國閥門企業加入到全球流體控制設備供應鏈。然而，在設計、加工生產和質量控制中，由于對外方貫徹標準和閥門裝置運行環境缺乏深入了解，導致供應的產品因外部防腐涂裝質量不過關而過早腐蝕失效的情況時有發生，常引發不良貿易爭端，損失巨額質量保證金，弱化國產閥門市場競爭力，阻滯相關貿易產業進一步做大做強。

一般而言，產品的早期失效與制造商未考慮用戶裝置運行環境因素且也未按照相關標準組織施工導致閥體外表面防腐涂裝質量低劣有密切關聯。本文試對碳鋼閥門外部遭受環境大氣嚴重腐蝕導致早期失效的原因作一初步探析，并結合國外應用最廣的國際標準化組織 (ISO)和美國防護涂料學會(SSPC)標準規范以及國內涂料技術現狀就出口型產品涂裝提出推薦工藝路線。

一、碳鋼閥體的大氣腐蝕機理

1、影響碳鋼閥體大氣腐蝕速度的主要因素。

(1)氣候因素。主要指年平均空氣相對濕度(RH)，閥體表面持續潤濕時間，日照強度，降雨量，風向與風速以及浮塵分布等，這些因素與碳鋼閥體表面腐蝕液膜的凝結形成及其厚度、覆蓋范圍等直接相關。另外，氣溫變化幅度、干濕交替等對碳鋼結構件在大氣中的腐蝕速度也有顯著影響。

(2)污染物因素。碳鋼閥體在大氣中發生嚴重腐蝕的前提條件是其表面腐蝕性電解質薄液膜的持續存在，運行環境周遭空氣中常見的污染性物質正是促進薄液膜電解化的重要原因，如海洋性或濱海大氣中的NaCl鹽分，石化工業廠區大氣中富含的硫化物、碳化物、氮化物以及工業固體粉塵等。另外，大氣污染物會降低空氣中水分凝聚析出的臨界濕度，促使水膜更易在閥體表面形成，繼而污染物質又大量溶解，使碳鋼閥門外部腐蝕狀況愈發嚴重。

(3)閥體金相組織和結構設計因素。碳鋼基材發生大氣腐蝕的實質是受閥體表面形成的腐蝕電池的電化學作用，完整的腐蝕電池包括低電位陽極區、高電位陰極區、電解質溶液和導電回路四個不可分割的部分。當碳鋼材料因復雜的化學構成和不當熱處理工藝導致基體金相組織不均勻時，閥體表面將形成無數電位不同的微陽極和微陰極，一旦被大氣析出的導電薄液膜連通，就會產生大量微觀電池腐蝕現象。在結構設計方面，當不同材質牌號甚至同牌號同廠家不同批次的碳鋼零件以焊、鉚、螺栓連接或其他形式裝配到一起時，如常規球閥左(中)右體采用雙頭螺柱螺母連接，因零件個體間材質電位存在自然差異，從而在宏觀上形成腐蝕電池陰陽極，則當閥體表面析出空氣水分液膜后，極易導致明顯的大氣電化學腐蝕損害。

2、大氣腐蝕環境分類。

大氣腐蝕環境通常按氣候自然特征或環境腐蝕嚴酷程度進行分類。按氣候自然特征劃分的主要衡量指標是當地年平均空氣相對濕度RH值，因為這是影響閥體表面電解液薄膜形態的關鍵要素，當空氣中水分含量處在一定區間時，由于毛細管凝聚、吸附凝聚、化學凝聚等作用，暴露在空氣中的金屬表面就會形成液膜，觸發碳鋼閥門發生大氣腐蝕;按環境腐蝕嚴酷程度進行劃分，一般是將金屬標準試樣片置于環境中進行自然暴露試驗獲得腐蝕速率(質量與外形尺寸年均損失量)后，結合區域環境大氣特征污染物濃度 (如二氧化硫年平均含量值，氯化物年平均沉積量)和金屬表面潤濕時間 (根據年均平均空氣相對濕度RH計算)進行分類，這種方法更接近于應用實際從而被廣泛推薦。ISO12944－2《色漆和清漆 ─ 保護漆體系對鋼結構的防腐保護——環境分類》 (引用ISO9223量值)和SSPC技術報告指出的大氣腐蝕環境分類與實例分列如下:

ISO12944－2大氣腐蝕環境分類

SSPC大氣腐蝕環境分類

3、碳鋼閥體大氣腐蝕基本反應過程。

當含有游離氧的空氣水膜在碳鋼閥體表面出現后，會引起基材發生如下電化學腐蝕基本反應:

初步反應式:2Fe+2O2+2H2O→2Fe(OH)2

進一步氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe (OH)3→2Fe2O3+6H2O

通常碳鋼閥體鐵元素的陽極腐蝕反應極易在其表面硫化物夾雜、氧化斑痕、微裂隙等瑕疵處發生。當閥體表面開始出現較不致密的孔隙度高的銹層后，空氣液膜會持續滲透至碳鋼基材使其發生進行性腐蝕，空氣濕度越高，污染越重，電解液膜覆蓋影響范圍就越大，腐蝕速率也相應提高。

二、出口型碳鋼閥門外防腐涂裝對策

1、影響外涂層防腐效能的主要因素。

(1)涂前表面處理工藝。由于閥體表面與涂層直接接觸，則其涂前表面處理效果至少應達到涂料廠商要求的施工標準，如處理不到位使工件表面存在大量熱處理氧化黑皮、銹蝕斑坑、油污等缺陷，則防腐涂料本身結合性能再高也無法形成有效附著涂層。

(2)涂層保護體系設計。合理的碳鋼閥體涂層保護體系一般是通過涂刷數層不同涂料配套組合為復合涂層以實現最佳防腐功效，最終涂層通常由底層、中間層和面層構成，設計時需統籌考慮三層涂料的相互匹配性和層間相容性。底層直接與碳鋼基體接觸，要求必須具有很強的附著力和良好的防銹性能，同時對中上層涂料也要有很好的結合力，最常用的底層涂料是環氧漆類。中間層應與底層和面層良好結合，要求能有效增加總涂層干膜厚度DFT(Dry film thickness)值，阻止電解液向基層滲透，最好能選用含“鱗片狀”填料的高抗滲樹脂基涂料以加強涂層防滲性能，如選擇片狀云母氧化鐵、玻璃鱗片、不銹鋼鱗片、石墨鱗片填充涂料，以加長外部腐蝕介質滲透路徑，盡量隔阻大氣腐蝕性液膜到達基體。面層由于直接與大氣環境相通，應具有極低的親水性，良好的耐大氣腐蝕性能，并能抵抗紫外線照射，目前應用廣泛的面層涂料品種有丙烯酸聚氨酯涂料、改性環氧涂料等。

(3)涂層干膜厚度 (DFT)。涂層的化學惰性相對金相活躍的碳鋼而言更耐大氣侵蝕，但在多數情況下，涂層對閥體的防腐保護一是依靠其對氣液相腐蝕性介質的隔絕防滲作用，二是通過優先消耗其自身內容的“犧牲陽極”組分 (如最常見的鋅粉)以換取對碳鋼基體的保護，因此涂料層有效厚度值愈大，則其對大氣腐蝕液膜的隔絕防滲路徑愈長，“犧牲陽極”成分也相應增多，產品的耐腐蝕壽命自然也就愈久。在涂層檢測領域，衡量或表征閥體涂層有效厚度的參數是涂層干膜厚度(DFT)。當然閥體涂層DFT也不是越厚越好，涂層太厚，容易因固化過程漫長、固化程度不均引起內部應力開裂導致干涂層出現大量裂隙，反而降低其防腐保護效果，具體DFT值的設計應按照涂料廠商有關手冊進行選取。

2、出口型碳鋼閥門外防腐涂裝工藝推薦。

制造廠在選擇閥體防腐涂裝工藝時，除了首先要充分考慮如何適配用戶應用環境，還應綜合涂料產品本身在國內的技術成熟度、施工難度、經濟性等因素，在選擇質量過硬的優質涂料的同時，還要嚴格按照供應商規定參數條件組織施工，保證涂裝環境清潔度，留足前道涂層固化時間間隔。

(1)ISO標準推薦工藝路線。根據 ISO12944第二部分腐蝕環境分類標準，戶外型碳鋼閥門的運行環境應定義為以C3、C4和C5－I分級為主。

用戶將產品應用在如大多數中等污染戶外條件和非化工型廠區的C3級環境時，可按照ISO12944－5表A.3選擇涂裝工藝路線，較適合國內應用的涂裝體系編號為A3.11，即:閥體外表面噴砂處理至ISO8501－1 Sa2.5近白級 →第一道環氧富鋅防腐底漆 (DFT=60～80微米)→第二道環氧類中間漆 (DFT=80～100微米)→第三道環氧類面漆 (DFT=80～100微米)。

若碳鋼閥門運行在C4級環境下，如化工廠、高濕度地區、濱海地區等，推薦按照ISO12944－5表A.4選用A4.14號涂裝體系:閥體外表面噴砂處理至ISO8501－1 Sa2.5級 → 第一道環氧富鋅防腐底漆 (DFT=60～80微米)→第二道環氧類中間漆 (DFT=100～120微米)→ 第三道環氧類面漆 (DFT=100～120微米)，注:若考慮擔保更長的閥體防腐壽命，需增加中間層和面層厚度值至至少240微米，并分3次涂刷，如參照A4.15號涂裝體系規定。

當閥門裝置運行在腐蝕條件更加惡劣的C5－I級環境中，則應在ISO12944－5表A.5中選擇涂裝體系，如A5I.02號工藝:閥體外表面噴砂處理至ISO8501－1 Sa2.5級→ 第一道環氧或聚氨酯類防腐底漆 (DFT不低于80微米)→至少分3道涂刷環氧或聚氨酯類中間漆和面漆層 (DFT不低于320微米)。

(2)SSPC推薦工藝路線。美國防護涂料學會(SSPC)制定的涂裝標準已納入美國國家標準(ANSI)體系，是國際上最具權威性并被廣泛采用的鋼結構涂裝標準之一，常被國際閥門采購商明示作為產品交貨狀態驗收條款。

根據SSPC技術報告對工業腐蝕環境的分級定義，國外為戶外型裝置采購的碳鋼閥門運行環境應至少定義為“淡水濺射區域 (Zone 2A)”或“鹽水濺射區域 (Zone 2B)”，即經常性地有新鮮水或鹽水濺濕 (冷凝、濺射、噴濕)碳鋼閥門表面，包括大部分溫和型氣候地區或濱河濱海地區室外環境，SSPC相應推薦了代號為B、C、E、G和R的涂裝方案供制造商選擇，國內廠家可優先選用涂料技術與市場更加成熟、涂裝成本相對低廉的B號工藝，具體路線為:閥體涂前進行SSPC－SP－6標準噴砂基本處理程序 → 第一道無機 (或有機)富鋅防腐底漆 (DFT=50～75微米)→第二道環氧類中間漆 (DFT=100～150微米)→ 第三道聚氨酯面漆 (DFT=50～100微米)。

若閥門裝置運行于高污染工業區或大氣腐蝕環境苛刻地區，如石化廠、化肥廠、制酸制堿廠、紙漿廠、海上平臺等，則應按SSPC“酸性化工環境(Zone 3B)”或“堿性化工環境 (Zone 3C)”選擇其代號為F或P的涂裝推薦方案，須特別注意無機富鋅或含鋅涂料已不適合這些應用環境，相對簡單的P號工藝路線為:閥體涂前進行SSPC－SP－6標準噴砂基本處理→第一道環氧酚醛清漆 (DFT =100～200微米)→ 第二道環氧酚醛清漆 (DFT =100～200微米)，注:涂層總DFT值不低于300微米。

三、結語

1、充分的用戶應用環境調查分析是準確制定碳鋼閥門外防腐涂裝工藝的前提條件。

廠家若未考慮國外用戶所處濱海地區大氣富含氯化鈉鹽分、空氣RH值較高、煉化廠區環境含酸性硫化重污染物質等因素，對產品外涂裝僅簡單地選擇涂施單層且DFT較薄的富鋅涂料，顯然不能滿足用戶裝置運行環境要求。

2、科學、嚴謹的閥體涂前處理工藝是確保碳鋼閥門具有較長防腐壽命的基礎。

廠家若不按通行標準和涂料廠商施工規范處理閥體表面，而是敷衍地采用手工打磨方式，將不能適應合格產品的防腐涂裝要求。

3、合理的結構設計能有效減小碳鋼閥體腐蝕速率。

特別是在閥門各配合 (連接)部件材質選用方面，應盡可能選擇同牌號同成分碳鋼，對確因零件適用標準不同而造成接觸電位差異的 (如采用美標重型螺栓螺母連接分片式閥體時)，需在裝配調試工作完成后實施嚴格的表面涂裝封閉與隔離措施，阻止零件間互相連通，避免日后運行過程中在這些位置迅速出現嚴重腐蝕現象。

我國是世界公認的工業閥門生產大國，對于占相當大部分比例的中小型制造企業，要想在日趨激烈的全球化貿易競爭中勝出并獲得持續發展，必須重視碳鋼產品外防腐涂裝技術細節，不斷提升裝備保障與生產研究水平，嚴格按行業標準辦事，保證產品最終質量，累積良好的商業信譽，盡早實現全行業向世界工業閥門生產經營強者地位的升格轉變。

［1］BS EN ISO 12944:Paints and varnishes－Corrosion protection of steel structures by protective paint systems.

［2］SSPC－Paint COM:Commentary on Paint Specifications.

［3］饒興鶴，張振儒.美國腐蝕性環境分類及涂料選用［J］.化工設備與防腐蝕，2000，(06):2－6.

［4］陳入領，范家峰，王曉偉.閥門腐蝕失效分析與處理［J］.閥門，2002，(02):30－32.

［5］于少堂.工程機械用涂料與涂裝發展方向 ［J］.上海涂料，2010，(2):37－41.