大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)

侯保榮

(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071)

1 前 言

海洋是巨大的資源寶庫(kù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，陸地上的資源和生存空間愈加不能滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占的比重越來(lái)越重。目前我國(guó)已有200多個(gè)海洋油氣平臺(tái)、幾十座跨海大橋屹立在海上，同時(shí)建設(shè)了大量的臨海基礎(chǔ)設(shè)施等海洋構(gòu)筑物。由于鋼鐵材料韌性大、強(qiáng)度高、價(jià)格便宜，目前這些構(gòu)筑物大都用鋼鐵材料所制成。海洋資源的開(kāi)發(fā)所必須面對(duì)就是海洋環(huán)境的腐蝕問(wèn)題。海洋腐蝕不僅造成資源和材料的巨大浪費(fèi)，而且還會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性的災(zāi)難事故，污染海洋環(huán)境，破壞海洋生態(tài)，甚至還會(huì)威脅到人民的生命安全。

海洋大氣環(huán)境是海洋工程金屬材料最常遇到的暴露環(huán)境，這部分環(huán)境與陸地大氣相比，濕度更大，空氣中存在著含鹽液滴，使得該部位的腐蝕要比內(nèi)陸嚴(yán)重的多[1]。此外，在海洋大氣中的金屬表面常會(huì)有真菌和霉菌存在，保持了金屬表面的水分從而增強(qiáng)了環(huán)境的腐蝕性。另外，在工業(yè)大氣環(huán)境中，由于常伴有二氧化硫、二氧化碳等有害氣體產(chǎn)生，對(duì)金屬的腐蝕也產(chǎn)生著極大的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在自然環(huán)境中，50%以上的腐蝕破壞是由大氣腐蝕引起的。美國(guó)每年因?yàn)榇髿飧g破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)1 380億美元以上[2]。由此可見(jiàn)大氣腐蝕破壞的嚴(yán)重性。

鋼鐵材料在大氣環(huán)境中受鹽分、濕度及其他酸性氣體的強(qiáng)烈影響，耐腐蝕性能較差，大大降低了鋼構(gòu)造物的使用壽命，直接影響鋼結(jié)構(gòu)物的使用安全，因此鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與耐久性值得高度重視。作為鋼結(jié)構(gòu)主要受力部位的焊接處、螺栓螺母、球形節(jié)點(diǎn)、法蘭等異形節(jié)點(diǎn)，以及石油化工儲(chǔ)罐的邊緣板等由于形狀復(fù)雜、材質(zhì)不同，存在較多的缺陷、縫隙、邊緣和棱角，表面凹凸不平，易積存水、潮氣、鹽分等腐蝕性介質(zhì)，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕，特別是橋梁的鋼索部位，由于橋梁在載荷作用下容易產(chǎn)生較大的撓度和震動(dòng)，橋梁的拉索和吊桿非常容易腐蝕[3]。根據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果，橋梁鋼索的平均使用壽命約為11年，短的只有4年左右。腐蝕初期，產(chǎn)生的銹漬影響美觀(guān)，如果連接構(gòu)件的腐蝕進(jìn)一步加深，甚至發(fā)生腐蝕斷裂，會(huì)影響使用安全，以至?xí)斐蓢?yán)重的安全事故。大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)典型關(guān)鍵部位的腐蝕照片如圖1所示。

這些關(guān)鍵部件的面積雖小，但其腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重，是大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施防腐蝕的短板，必須引起足夠的重視，并需要采用一種高效、工藝簡(jiǎn)單且使用壽命長(zhǎng)的防腐蝕技術(shù)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

防腐蝕涂料是鋼結(jié)構(gòu)表面防護(hù)最常用的防腐手段，具有成本低，工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，但目前，傳統(tǒng)的防腐蝕涂料保護(hù)方法對(duì)施工表面的前處理等級(jí)及施工環(huán)境要求高，螺栓、法蘭等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位形狀不規(guī)則，難以進(jìn)行噴砂等表面處理，難以達(dá)到表面處理要求；涂刷施工時(shí)，涂料很容易出現(xiàn)流掛、漏涂等現(xiàn)象，很難使這些關(guān)鍵部位和邊緣部位得到足夠的保護(hù)。因此，經(jīng)常觀(guān)察到節(jié)點(diǎn)部位涂層在這些部位容易發(fā)生剝落，需要經(jīng)常進(jìn)行后續(xù)維護(hù)；后續(xù)施工時(shí)必須將原來(lái)的涂層和銹層去除，表面處理復(fù)雜，后期維護(hù)費(fèi)用高，防護(hù)效果不理想。

在國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃等科研項(xiàng)目支持下，我們與日東電工有限公司合作，研究開(kāi)發(fā)出了一套適合于大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位保護(hù)的氧化聚合型包覆防腐技術(shù)，已證明是一種優(yōu)良的防腐蝕技術(shù)。

2 氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)

氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)，由3層緊密相連的保護(hù)層組成，依次為防蝕膏、防蝕帶和外防護(hù)劑。

防蝕膏是氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)中最核心的材料，也是位于氧化聚合型包覆技術(shù)最內(nèi)層的部分，直接與被保護(hù)的金屬基體緊密接觸，含有的特殊成分能將鋼結(jié)構(gòu)表面未處理干凈的鐵銹，轉(zhuǎn)化成黑色的氧化亞鐵膜，形成保護(hù)性封閉層，防止鋼鐵繼續(xù)氧化、銹蝕，起到除銹、防銹雙重作用。

防蝕帶是將特殊調(diào)制的防蝕材料浸漬到纖維無(wú)紡布中制成，非常柔軟，可以粘貼到各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)表面。施工后防蝕帶外表面通過(guò)氧化聚合作用變得干燥，而緊貼鋼結(jié)構(gòu)的一側(cè)始終保持柔軟狀態(tài)，從而達(dá)到最佳的防腐性能。浸漬了特殊調(diào)制防蝕材料的無(wú)紡布，具有良好的密封性，可以將金屬表面與水分、鹽分、空氣等腐蝕性因子隔離，從而達(dá)到最好的防護(hù)性能。此外，氧化聚合型防蝕帶還具有良好的阻燃性和耐候性。如圖2所示。

圖2 防蝕帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic of anti-corrosion tape

外防護(hù)劑是可固化的防護(hù)材料，外防護(hù)劑涂刷在防蝕帶表面，與空氣接觸之后，在較短時(shí)間內(nèi)氧化聚合成一種堅(jiān)韌的皮膜，具有耐候、密封性能，有效防止紫外線(xiàn)照射老化和腐蝕介質(zhì)進(jìn)入，形成完整的保護(hù)膜。

3 氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)施工工藝與流程

氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)施工步驟分為表面處理、涂抹防蝕膏、纏繞粘貼防蝕帶、涂刷外防護(hù)劑等，不同結(jié)構(gòu)包覆方法如圖3所示。

圖3 不同結(jié)構(gòu)包覆示意圖:(a)閥門(mén),(b)三通,(c)法蘭,(d)H型鋼,(e)L型鋼,(f)邊緣板Fig.3 The coating process of different structure:(a)valve, (b)tee, (c)flange, (d)H-beam, (e)L-beam, and (f)plant edge

3.1 表面處理

為確保防蝕膏與鋼結(jié)構(gòu)表面充分結(jié)合，達(dá)到最佳的保護(hù)效果，也需要進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)表面處理。施工區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)表面處理以手動(dòng)除銹為主，機(jī)械除銹為輔，表面處理要求無(wú)明顯鼓泡和浮銹即可，附著牢固涂層可以保留。表面處理要求低是本技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。

手工除銹時(shí)，若銹層較薄，可用鋼絲刷清理后再用砂紙打磨。若銹層較厚，應(yīng)先用鏟刀鏟除一次，再用鋼絲刷、砂紙反復(fù)將基層打磨，最后用毛刷掃凈浮銹。但如果表面銹層很?chē)?yán)重的時(shí)候，可采用噴砂除去浮銹，使鋼結(jié)構(gòu)表面光潔度達(dá)到要求。

3.2 涂抹防蝕膏

防蝕膏在包覆防腐區(qū)域手工涂抹，使防蝕膏在鋼結(jié)構(gòu)表面均勻分布，鋼結(jié)構(gòu)表面的坑凹和縫隙處應(yīng)用防蝕膏填滿(mǎn)，確保包覆防腐范圍內(nèi)沒(méi)有漏涂現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 包覆防蝕帶

防蝕帶采取螺旋狀纏繞或逐次粘貼的方式，每層依次搭接55%，保證每處均有2層防蝕帶覆蓋。對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)一般采用由下至上的方式進(jìn)行。對(duì)于水平圓周可以沿圓周方向依次粘貼。隨后用手沿防蝕帶的纏繞和粘貼方向?qū)⒎牢g帶壓平，擠出內(nèi)部空氣，使兩層防蝕帶及搭接處完全粘貼在一起。在突出部位(如螺栓)或轉(zhuǎn)角處(節(jié)點(diǎn)、夾角)粘貼防蝕帶，為了使防蝕帶與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密不殘存氣泡，應(yīng)當(dāng)把防蝕帶剪開(kāi)，用手多次撫平，確保防蝕帶能緊貼鋼結(jié)構(gòu)表面。

3.4 涂刷外防護(hù)劑

使用前應(yīng)將外防護(hù)劑充分混勻。用毛刷或輥?zhàn)诱瓷僭S外防護(hù)劑，在防蝕帶表面進(jìn)行均勻涂刷。用手指觸摸確認(rèn)干燥后，再刷第二遍。

4 不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例

目前，氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的碼頭鋼結(jié)構(gòu)連接螺栓，沿海鋼結(jié)構(gòu)焊接部位，跨海、江大橋鋼索，化工廠(chǎng)的原料儲(chǔ)罐以及熱電廠(chǎng)的管道法蘭等>設(shè)施上得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的防腐蝕效果。

4.1 螺栓螺母

地腳螺栓與鋼結(jié)構(gòu)接觸，由于不同金屬之間電位不同，而且存在較多縫隙，極易發(fā)生腐蝕，威脅鋼結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。天津某碼頭管廊地腳螺栓共4 000余個(gè)，全部使用氧化聚合型包覆技術(shù)進(jìn)行保護(hù)。如圖4所示。

圖4 地腳螺栓包覆前后的照片：(a)施工前，(b)施工后Fig.4 The photos of screw before and after coating

4.2 橋梁鋼索

斜拉橋、懸索橋等橋梁處于海洋大氣環(huán)境，鋼索受到載荷作用產(chǎn)生較大的震動(dòng)，連接部位極易發(fā)生腐蝕，一般情況下使用10年就要進(jìn)行換索工程，是對(duì)人力、物力和財(cái)力的極大浪費(fèi)。日本大野大橋和日本大阪海鷗大橋采用氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)，防護(hù)年限已達(dá)到20年以上。如圖5所示。

圖5 鋼索包覆后的照片F(xiàn)ig.5 The photos of cable after coating

4.3 橋梁防水套

斜拉橋拉索底部與橋梁主體連接處通常使用防水套對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，但防水套本身的防腐蝕性能不佳，長(zhǎng)期使用會(huì)發(fā)生部件的老化、腐蝕、滲水，防水套內(nèi)部存在積水，影響鋼索的使用壽命。對(duì)青島某海灣大橋和溫州某大橋防水套使用氧化聚合型包覆防腐技術(shù)進(jìn)行保護(hù)示范，效果如圖6所示。

圖6 防水套包覆后的照片：(a)青島某海灣大橋，(b)溫州某大橋Fig.6 The photos of waterproof cover after coating:(a)a bridge in Qingdao,(b)a bridge in Wenzhou

4.4 法蘭

丹東某電廠(chǎng)處于海洋大氣和工業(yè)大氣交叉環(huán)境中，大氣中不僅有水分子和鹽分等腐蝕性粒子，還存在二氧化硫等酸性氣體成分，引起廠(chǎng)區(qū)中管道、閥門(mén)和法蘭等設(shè)施的較嚴(yán)重腐蝕。采用氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)，對(duì)法蘭等異形構(gòu)件進(jìn)行包覆，隔絕腐蝕粒子，阻斷腐蝕過(guò)程。如圖7所示。

4.5 焊接處

大連某會(huì)議中心整體為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造，豎向承載構(gòu)件轉(zhuǎn)換多、鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)型多(涵蓋了所有鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)型)、節(jié)點(diǎn)數(shù)量多(8.5萬(wàn)個(gè)，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)1 000余個(gè))。僅鋼結(jié)構(gòu)焊縫總長(zhǎng)度36萬(wàn)余米。鋼結(jié)構(gòu)焊縫全部采用氧化聚合型包覆技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，保證了該會(huì)議中心主體鋼結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀(guān)性。如圖8所示。

圖7 法蘭包覆前后的照片：(a)施工前，(b)施工后Fig.7 The photos of flange before and after coating

圖8 焊接部位包覆前后的照片：(a)施工前,(b)施工后Fig.8 The photos of welding parts before and after coating

4.6 儲(chǔ)罐邊緣板

淄博某建材公司原料儲(chǔ)罐外面包裹一層保溫層，因保溫層滲水，儲(chǔ)罐邊緣板底部存在大量積水，造成邊緣板嚴(yán)重腐蝕，為保證生產(chǎn)安全性并延長(zhǎng)儲(chǔ)罐使用壽命，采用氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)對(duì)儲(chǔ)罐邊緣板進(jìn)行保護(hù)。如圖9所示。

目前，氧化聚合型包覆防腐技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)螺栓、儲(chǔ)罐邊緣板、跨海大橋拉索和防水套、鋼結(jié)構(gòu)焊接部位等已開(kāi)展了多項(xiàng)示范工程，取得了良好的防護(hù)效果。

圖9 邊緣板包覆前后的照片:(a)施工前，(b)施工后Fig.9 The photos of plant edge before and after coating

5 結(jié) 論

氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)表面處理要求低，防蝕膏、防蝕帶能夠有效隔絕腐蝕介質(zhì)的滲透和侵蝕，具有優(yōu)良長(zhǎng)效的耐腐蝕性能，防蝕帶和外防護(hù)劑具有長(zhǎng)效的抗光照老化性能。氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)施工工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省施工時(shí)間，有效防護(hù)壽命長(zhǎng)，是解決大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位腐蝕難題的十分適用的防腐蝕技術(shù)。

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