大氣區(qū)鋼結構氧化聚合型包覆防腐蝕技術

侯保榮

(中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071)

1 前 言

海洋是巨大的資源寶庫，隨著科學技術的發(fā)展和人口的不斷增長，陸地上的資源和生存空間愈加不能滿足社會經濟發(fā)展的需要，海洋資源的開發(fā)利用在國民經濟中占的比重越來越重。目前我國已有200多個海洋油氣平臺、幾十座跨海大橋屹立在海上，同時建設了大量的臨海基礎設施等海洋構筑物。由于鋼鐵材料韌性大、強度高、價格便宜，目前這些構筑物大都用鋼鐵材料所制成。海洋資源的開發(fā)所必須面對就是海洋環(huán)境的腐蝕問題。海洋腐蝕不僅造成資源和材料的巨大浪費，而且還會導致突發(fā)性的災難事故，污染海洋環(huán)境，破壞海洋生態(tài)，甚至還會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陸嚴重的多[1]。此外，在海洋大氣中的金屬表面常會有真菌和霉菌存在，保持了金屬表面的水分從而增強了環(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生，對金屬的腐蝕也產生著極大的影響。據統(tǒng)計，在自然環(huán)境中，50%以上的腐蝕破壞是由大氣腐蝕引起的。美國每年因為大氣腐蝕破壞造成的經濟損失約達1 380億美元以上[2]。由此可見大氣腐蝕破壞的嚴重性。

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烈影響，耐腐蝕性能較差，大大降低了鋼構造物的使用壽命，直接影響鋼結構物的使用安全，因此鋼結構的腐蝕與耐久性值得高度重視。作為鋼結構主要受力部位的焊接處、螺栓螺母、球形節(jié)點、法蘭等異形節(jié)點，以及石油化工儲罐的邊緣板等由于形狀復雜、材質不同，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，極易發(fā)生應力腐蝕、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生較大的撓度和震動，橋梁的拉索和吊桿非常容易腐蝕[3]。根據有關調查結果，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，產生的銹漬影響美觀，如果連接構件的腐蝕進一步加深，甚至發(fā)生腐蝕斷裂，會影響使用安全，以至會造成嚴重的安全事故。大氣區(qū)鋼結構典型關鍵部位的腐蝕照片如圖1所示。

這些關鍵部件的面積雖小，但其腐蝕問題嚴重，是大氣區(qū)鋼結構設施防腐蝕的短板，必須引起足夠的重視，并需要采用一種高效、工藝簡單且使用壽命長的防腐蝕技術對其進行保護。

防腐蝕涂料是鋼結構表面防護最常用的防腐手段，具有成本低，工藝簡單等優(yōu)點[4-5]，但目前，傳統(tǒng)的防腐蝕涂料保護方法對施工表面的前處理等級及施工環(huán)境要求高，螺栓、法蘭等關鍵節(jié)點部位形狀不規(guī)則，難以進行噴砂等表面處理，難以達到表面處理要求；涂刷施工時，涂料很容易出現流掛、漏涂等現象，很難使這些關鍵部位和邊緣部位得到足夠的保護。因此，經常觀察到節(jié)點部位涂層在這些部位容易發(fā)生剝落，需要經常進行后續(xù)維護；后續(xù)施工時必須將原來的涂層和銹層去除，表面處理復雜，后期維護費用高，防護效果不理想。

在國家“十二五”科技支撐計劃等科研項目支持下，我們與日東電工有限公司合作，研究開發(fā)出了一套適合于大氣區(qū)鋼結構關鍵部位保護的氧化聚合型包覆防腐技術，已證明是一種優(yōu)良的防腐蝕技術。

2 氧化聚合型包覆防腐蝕技術

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

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

防蝕帶是將特殊調制的防蝕材料浸漬到纖維無紡布中制成，非常柔軟，可以粘貼到各種復雜形狀的結構表面。施工后防蝕帶外表面通過氧化聚合作用變得干燥，而緊貼鋼結構的一側始終保持柔軟狀態(tài)，從而達到最佳的防腐性能。浸漬了特殊調制防蝕材料的無紡布，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，從而達到最好的防護性能。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 防蝕帶結構示意圖Fig.2 The schematic of anti-corrosion tape

外防護劑是可固化的防護材料，外防護劑涂刷在防蝕帶表面，與空氣接觸之后，在較短時間內氧化聚合成一種堅韌的皮膜，具有耐候、密封性能，有效防止紫外線照射老化和腐蝕介質進入，形成完整的保護膜。

3 氧化聚合型包覆防腐蝕技術施工工藝與流程

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

圖3 不同結構包覆示意圖:(a)閥門,(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構表面充分結合，達到最佳的保護效果，也需要進行鋼結構表面處理。施工區(qū)域鋼結構表面處理以手動除銹為主，機械除銹為輔，表面處理要求無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的突出特點之一。

手工除銹時，若銹層較薄，可用鋼絲刷清理后再用砂紙打磨。若銹層較厚，應先用鏟刀鏟除一次，再用鋼絲刷、砂紙反復將基層打磨，最后用毛刷掃凈浮銹。但如果表面銹層很嚴重的時候，可采用噴砂除去浮銹，使鋼結構表面光潔度達到要求。

3.2 涂抹防蝕膏

防蝕膏在包覆防腐區(qū)域手工涂抹，使防蝕膏在鋼結構表面均勻分布，鋼結構表面的坑凹和縫隙處應用防蝕膏填滿，確保包覆防腐范圍內沒有漏涂現象發(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。對于垂直結構一般采用由下至上的方式進行。對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將防蝕帶壓平，擠出內部空氣，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)或轉角處(節(jié)點、夾角)粘貼防蝕帶，為了使防蝕帶與鋼結構結合緊密不殘存氣泡，應當把防蝕帶剪開，用手多次撫平，確保防蝕帶能緊貼鋼結構表面。

3.4 涂刷外防護劑

使用前應將外防護劑充分混勻。用毛刷或輥子沾少許外防護劑，在防蝕帶表面進行均勻涂刷。用手指觸摸確認干燥后，再刷第二遍。

4 不同結構應用案例

目前，氧化聚合型包覆防腐蝕技術已經在國內外的碼頭鋼結構連接螺栓，沿海鋼結構焊接部位，跨海、江大橋鋼索，化工廠的原料儲罐以及熱電廠的管道法蘭等>設施上得到廣泛應用，并取得了良好的防腐蝕效果。

4.1 螺栓螺母

地腳螺栓與鋼結構接觸，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，威脅鋼結構的耐久性和安全性。天津某碼頭管廊地腳螺栓共4 000余個，全部使用氧化聚合型包覆技術進行保護。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生較大的震動，連接部位極易發(fā)生腐蝕，一般情況下使用10年就要進行換索工程，是對人力、物力和財力的極大浪費。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，防護年限已達到20年以上。如圖5所示。

圖5 鋼索包覆后的照片Fig.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內部結構進行防護，但防水套本身的防腐蝕性能不佳，長期使用會發(fā)生部件的老化、腐蝕、滲水，防水套內部存在積水，影響鋼索的使用壽命。對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進行保護示范，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，引起廠區(qū)中管道、閥門和法蘭等設施的較嚴重腐蝕。采用氧化聚合型包覆防腐蝕技術，對法蘭等異形構件進行包覆，隔絕腐蝕粒子，阻斷腐蝕過程。如圖7所示。

4.5 焊接處

大連某會議中心整體為鋼結構構造，豎向承載構件轉換多、鋼結構類型多(涵蓋了所有鋼結構類型)、節(jié)點數量多(8.5萬個，復雜節(jié)點1 000余個)。僅鋼結構焊縫總長度36萬余米。鋼結構焊縫全部采用氧化聚合型包覆技術進行保護，保證了該會議中心主體鋼結構的耐久性和美觀性。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 儲罐邊緣板

淄博某建材公司原料儲罐外面包裹一層保溫層，因保溫層滲水，儲罐邊緣板底部存在大量積水，造成邊緣板嚴重腐蝕，為保證生產安全性并延長儲罐使用壽命，采用氧化聚合型包覆防腐蝕技術對儲罐邊緣板進行保護。如圖9所示。

目前，氧化聚合型包覆防腐技術在鋼結構螺栓、儲罐邊緣板、跨海大橋拉索和防水套、鋼結構焊接部位等已開展了多項示范工程，取得了良好的防護效果。

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 論

氧化聚合型包覆防腐蝕技術表面處理要求低，防蝕膏、防蝕帶能夠有效隔絕腐蝕介質的滲透和侵蝕，具有優(yōu)良長效的耐腐蝕性能，防蝕帶和外防護劑具有長效的抗光照老化性能。氧化聚合型包覆防腐蝕技術施工工藝簡單，節(jié)省施工時間，有效防護壽命長，是解決大氣區(qū)鋼結構關鍵部位腐蝕難題的十分適用的防腐蝕技術。

參考文獻 References

[1] Hou Baorong (侯保榮).TheoryandApplicationofMarineCorrosionEnvironment(海洋腐蝕環(huán)境理論及其應用)[M]. Beijing: Science Press, 1999: 4-5.

[2] Chen Zhuoyuan (陳卓元).AtmosphericCorrosionofCopperandResearchMethod(銅的大氣腐蝕及其研究方法)[M]. Beijing: Science Press, 2011: 1.

[3] Wei Gang (魏 剛).Bridge′sWeakness(橋梁的軟肋)[N].ChinaScienceDaily(中國科學報), 2013-2-22 (11).

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