國際工程C5-M高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下防腐質(zhì)量管理研究

楊 光，霍克成，高 偉

中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

隨著國家“一帶一路”政策的大力實施，我國承包商在國際工程市場的合同份額不斷增長，商務運作水平不斷增強，同時項目所在地的工程環(huán)境也正在變得復雜化、多樣化，由此導致諸多風險和不確定性。

國際上通用的防腐標準為ISO12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems [1]，其規(guī)定的最高等級大氣腐蝕類別為C5-M [2]，本文所研究的C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境具有高鹽度、高濕度及海洋腐蝕的特性。目前，在國內(nèi)外針對高腐蝕環(huán)境下的防腐研究中，如何保證并延長工程設施的設計使用壽命，如何降低防腐、維護成本仍是相關研究的重點和難點，其研究對象主要集中于海上風電、海洋石油平臺等海洋工程設施，此類海洋工程與陸上工程相比，在設計標準、材料選型、應用環(huán)境、安裝方式、成本預算等方面均存在較大差異，一方面海洋工程設施通常同時經(jīng)受海泥、海水、浪花飛濺、海洋大氣等腐蝕因素多重影響，難以區(qū)分和辨別大氣腐蝕的單獨影響程度；另一方面，海洋工程設施已基本實現(xiàn)工廠整體化預制和現(xiàn)場模塊化安裝，與傳統(tǒng)安裝工程相比，能一定程度上減少或避免對防腐層的機械損傷。

本文以C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境中的陸上工程為研究主體，揭示在C5-M 大氣腐蝕單一條件作用下，部分金屬材料的抗腐蝕表現(xiàn)，及不同防腐工藝的應用效果，揭示C5-M 大氣腐蝕對復雜安裝工程在金屬材料選型、防腐工藝、涂料選擇、日常維護、工程成本等方面產(chǎn)生的一系列影響，并結(jié)合ISO 12944和工程實踐，推薦出適用于C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的防腐方案和維護建議。

研究C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下防腐質(zhì)量管理，對于在高腐蝕環(huán)境下的項目執(zhí)行具有重要的借鑒性，對提升我國承包商在國際工程項目中的質(zhì)量管理和風險管理水平具有重要意義。

2. 定義

2.1. 大氣腐蝕環(huán)境分類[2]

根據(jù)ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 2: Classification of environments，大氣腐蝕環(huán)境分為6 類：C1 很低，C2 低，C3 中，C4 高，C5-I 很高(工業(yè))，C5-M 很高(海洋)。

2.2. 耐久性[3]

在ISO12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems 中定義了3 個范圍涂層系統(tǒng)的耐久性：

a) 低(L)：2～5 年；

b) 中(M)：5～15 年；

c) 高(H)：15 年以上。

2.3. 干膜厚度(Dry Film Thickness, DFT) [3]

指涂層硬干、固化后，漆膜的厚度。

2.4. 額定干膜厚度(Nominal Dry Film Thickness, NDFT) [3]

指技術要求中規(guī)定的每道涂層干膜厚度或是整個涂層體系的總干膜厚度。

3. 實踐應用

本文基于納米比亞沃爾維斯灣(Walvis Bay)某工程項目，對ISO12944 標準中C5-M(H)高耐久性防腐方案的實際應用進行研究分析。納米比亞沃爾維斯灣位于非洲西南部，西臨大西洋，東靠沙漠腹地，常年少降雨、多季風、光照充足、夜間鹽霧嚴重，每日鹽霧作用時間約4～8 小時，隨季節(jié)、天氣情況而變化；全年最低平均溫度7℃，全年最高平均溫度34℃，全年平均單位降雨量10 mm，平均相對濕度80% (13:00)～91% (07:00)，其獨特的高鹽霧環(huán)境使沃爾維斯灣成為世界上大氣腐蝕最嚴重的地區(qū)之一，根據(jù)ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 2: Classification of environments [2]達到了C5-M 大氣腐蝕級別。

3.1. 低合金碳鋼防腐應用分析

根據(jù)ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 5: Protective paint systems:2007 [3] (以下簡稱ISO12944-5: 2007)標準要求，結(jié)合納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，對C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的低合金碳鋼防腐系統(tǒng)進行應用分析。

3.1.1. 標準規(guī)定

ISO12944-5:2007 表A.5-低合金碳鋼處于腐蝕環(huán)境C5-I 與C5-M 下的涂層體系，涂層體系編號A5M.06，明確滿足C5-M(H)防腐要求的額定干膜厚度NDFT 不低于320 μm [3]。

3.1.2. 防腐系統(tǒng)推薦

ISO12944-5: 2007 涂層體系編號A5M.06 要求富鋅底漆厚度不低于60 μm [3]。富鋅底漆分為環(huán)氧富鋅底漆、聚氨酯富鋅和無機硅酸鋅兩類。富鋅底漆因為優(yōu)異的陰極保護性能，設計干膜厚度在60 μm，也可以在40～80 μm 之間進行調(diào)整，但是總的涂層系統(tǒng)膜厚不變。

采用富鋅底漆體系時，在涂層體系的總干膜厚度一致的情況下，氯化橡膠、聚乙烯和丙烯酸面漆只能達到中等耐久性，采用環(huán)氧或聚氨酯體系時，才能達到高耐久性。因此根據(jù)納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，推薦應用防腐系統(tǒng)1，如表1 所示。

Table 1. Coating system 1 表1. 防腐系統(tǒng)1

3.1.3. 實踐效果

在保證防腐質(zhì)量的情況下，防腐系統(tǒng)1 在C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下具有較好的防腐效果。但在防腐施工和工程安裝過程中要嚴防由于局部漆膜厚度低或防腐層磕碰損傷，造成的局部腐蝕，見圖1。在局部腐蝕產(chǎn)生后，如不采取補救措施，生銹面積將在30 天內(nèi)迅速擴張，甚至影響整個防腐表面。

Figure 1. Partial corrosion and further expansion due to collision 圖1. 磕碰造成局部腐蝕及腐蝕擴大

3.2. 鍍鋅鋼防腐應用分析

根據(jù)ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 5: Protective paint systems: 2007 [3] (以下簡稱ISO12944-5: 2007)標準要求，結(jié)合納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，對C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的鍍鋅鋼防腐系統(tǒng)進行應用分析。

3.2.1. 標準規(guī)定

根據(jù)ISO12944-5: 2007 表A.7-熱浸鍍鋅鋼處于C2 至C5-I 與C5-M 腐蝕環(huán)境下的涂層體系，從涂層體系編號A7M.13 可知，若要達到C5-M(H)防腐要求，環(huán)氧、脂肪族、或聚氨酯的額定干膜厚度NDFT應不低于320 μm [3]。

3.2.2. 防腐系統(tǒng)推薦

在實際防腐過程中，鍍鋅表面涂漆如達到320 μm 則需要較高的質(zhì)量控制水平，取決于鍍鋅表面處理能夠滿足Sa2 1/2，鍍鋅層附著力能否滿足標準要求，鍍鋅類型為電鍍鋅還是熱浸鋅等。因此根據(jù)納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，推薦應用防腐系統(tǒng)2，如表2 所示。在此僅推薦熱浸鋅方式，而非電鍍鋅，常規(guī)電鍍鋅層厚度一般為10 μm～30 μm，實踐表明電鍍鋅在C5-M 環(huán)境下防腐效果較差，暴露在大氣環(huán)境下15 天左右可見點狀銹蝕，見圖2；30 天左右可見銹蝕面積擴大，直至整個電鍍鋅表面被完全腐蝕。

Table 2. Coating system 2 表2. 防腐系統(tǒng)2

Figure 2. Corrosion of electro galvanizing surface 圖2. 電鍍鋅表面腐蝕

熱浸鋅防腐效果明顯好于電鍍鋅，在C5-M 環(huán)境下熱浸鋅表面同樣會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，其腐蝕最初為白色點狀，逐步擴大為白色面狀區(qū)域，見圖3。熱浸鋅層能一定程度上抵御基底材料腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，但為保證滿足C5-M 環(huán)境防腐要求，仍需執(zhí)行防腐系統(tǒng)2。

熱浸鋅工藝需參照標準ASTM A153 進行，上述防腐系統(tǒng)2 通過增大熱浸鋅層厚度，適當降低底漆、面漆厚度的方式，一方面可以滿足C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的防腐要求，另一方面減少涂漆層附著力不夠、開裂、脫落的風險。

Figure 3. Corrosion of hot dip zinc surface 圖3. 熱浸鍍鋅表面腐蝕

3.3. 鋁合金防腐應用分析

根據(jù)ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 5: Protective paint systems: 2007 [3] (以下簡稱ISO12944-5: 2007)標準要求，結(jié)合納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，對C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的鋁合金防腐系統(tǒng)進行應用分析。

3.3.1. 標準規(guī)定

根據(jù)ISO12944-5: 2007 表A.8-熱噴涂金屬基材在C4、C5-I、C5-M 和Im1-Im3 腐蝕環(huán)境下的涂層體系，ISO12944 推薦了對熱噴涂金屬(鋅、鋅鋁合金、鋁)鋼材進行進一步防腐處理的建議，如通過噴涂環(huán)氧、脂肪族、或聚氨酯使額定干膜厚度NDFT 達到320 μm [3]，以達到C5-M(H)高耐久性要求。

3.3.2. 表面氧化處理

鋁合金本身就是一種抗腐蝕性比較強的物質(zhì)，遇氧氣后會在鋁的表面形成三氧化二鋁，會逐漸解除其的抗腐性，另外鋁對酸性物質(zhì)敏感，酸會破壞鋁的表面組織層，在C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的鋁合金表面腐蝕情況，如圖4 所示。

Figure 4. Corrosion of aluminium alloy 圖4. 鋁合金表面點狀腐蝕

因此，應用于C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的鋁合金需要再次經(jīng)過氧化處理以滿足防腐要求，氧化鋁材的膜厚需達到AA15，即平均膜厚 ≥ 15 μm，這樣表面增加的一層保護膜，加強了表層的抗腐性，鋁管料或制品經(jīng)過表面陽極化處理后，其耐蝕性、硬度、耐磨性、絕緣性、耐熱性等均有大幅度提高。

在工程項目中，鋁合金常作為電纜橋架及部分設備部件的材質(zhì)，但根據(jù)實際應用，鋁合金表面若加油漆涂層，將增大施工和日常維護的難度，并進一步增加成本，因此對于大批量使用的鋁合金材料，可根據(jù)鋁合金強度等級進行選型，同時通過表面氧化處理提高其防腐性能。

3.3.3. 防腐系統(tǒng)推薦

對于少量使用的鋁材料，如鋁制配電箱，可采用涂層防腐，根據(jù)表面涂層附著情況，可適當增加涂層厚度，推薦應用防腐系統(tǒng)3，如表3 所示。

Table 3. Coating system 3 表3. 防腐系統(tǒng)3

3.4. 不銹鋼防腐應用分析

在ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 5: Protective paint systems: 2007 [3] (以下簡稱ISO12944-5: 2007)中，未對不銹鋼防腐做出規(guī)定，結(jié)合納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，對C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的不銹鋼防腐方案進行分析。

3.4.1. 不銹鋼應用效果

工程中常見的不銹鋼等級包括304、316/316L、雙向不銹鋼等，在常規(guī)大氣情況下，工程中很少對不銹鋼進行防腐處理，但在C5-M 高鹽霧腐蝕環(huán)境中304 不銹鋼則表現(xiàn)出明顯的腐蝕現(xiàn)象，見圖5；在鹽霧腐蝕聚集的環(huán)境中，316/316L 不銹鋼則表現(xiàn)出一定程度的點狀腐蝕現(xiàn)象，見圖6；雙向不銹鋼則表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性。

Figure 5. Corrosion of stainless steel 304 surface 圖5. 304 不銹鋼表面腐蝕

Figure 6. Corrosion of stainless steel 316 surface 圖6. 316 不銹鋼表面腐蝕

3.4.2. 防腐系統(tǒng)推薦

為避免304 不銹鋼腐蝕，根據(jù)納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，推薦應用防腐系統(tǒng)4，如表4 所示。

Table 4. Coating system 4 表4. 防腐系統(tǒng)4

在鹽霧腐蝕聚集的環(huán)境中，316/316L 不銹鋼材料可應用防腐系統(tǒng)4，或進行表面酸洗鈍化處理。環(huán)氧樹脂耐磨漆具有較好的表面附著性，可附著在經(jīng)表面清潔、粗糙處理的不銹鋼表面，同時與脂肪族聚氨酯面漆配合使用，以滿足C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的防腐要求。

3.5. 防腐礦脂纏帶的應用

在ISO 12944 Paints and varnishes—Corrosion protection of steel structures by protective paint systems—Part 5: Protective paint systems: 2007 [3] (以下簡稱ISO12944-5: 2007)中，并未對防腐礦脂纏帶的應用做出規(guī)定，結(jié)合納米比亞沃爾維斯灣某工程項目實際應用情況，對C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下的防腐礦脂纏帶應用效果進行分析。

3.5.1. 防腐礦脂纏帶介紹

為解決不規(guī)則表面腐蝕問題，建議采用滿足標準AWWA C217-16 要求的防腐礦脂帶進行保護，通常防腐礦脂帶組合由防腐膏狀填充物、礦脂纏帶及防紫外線面漆組成，其主要成分包括惰性礦物油脂、緩蝕劑、防腐劑、纖維布等。

3.5.2. 推薦應用范圍及效果

由于部分工程施工環(huán)境的限制，對于不規(guī)則表面防腐，如閥門、法蘭、螺栓表面等，較難達到滿足要求的漆膜厚度，容易出現(xiàn)反銹現(xiàn)象，且維護成本較高，在此情況下推薦應用防腐礦脂帶，見圖7，可有效解決不規(guī)則表面的防腐難題。

Figure 7. Practice of anticorrosive tape 圖7. 防腐礦脂纏帶應用

4. 日常維護措施

在C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下，一方面要通過涂層防腐或依靠材質(zhì)抗腐蝕特性進行防腐，另一方要加強金屬部件的日常維護，以確保實現(xiàn)較好的防腐效果。

4.1. 規(guī)范的操作行為

在設備材料安裝過程中要避免磕碰、隨意堆放，避免設備材料與混凝土地面或砂石地面直接摩擦，盡最大可能減少防腐涂層或防腐氧化膜的損壞。對于不可避免的防腐涂層破損，要及時進行表面處理和補漆。

4.2. 避免異種金屬直接接觸和水汽聚集產(chǎn)生電化學腐蝕

鹽霧、露水、空氣中富含水汽及鈉離子，作用于相互接觸的異種金屬表面，容易形成局部電化學環(huán)境，導致活潑性金屬加速腐蝕，如金屬鋁與不銹鋼接觸，將導致金屬鋁電化學腐蝕。

4.3. 注重表面清潔

對于局部聚集的水汽、空氣中的鈉離子結(jié)晶、沙塵等雜質(zhì)，要進行及時清理，在條件允許的情況下用清水沖洗，以減少表面附著的雜質(zhì)。對于已產(chǎn)生表面浮銹的不銹鋼，可通過酸洗鈍化、30%～50%草酸水溶液或30%～50%的磷酸水溶液進行擦拭清潔。

4.4. 表面油脂保護

對于不規(guī)則的金屬表面和可能產(chǎn)生腐蝕的不銹鋼，可以通過定期涂覆油脂的方法進行保護，如黃油、鋰基脂等，適合大范圍臨時保護，操作簡單，經(jīng)濟實用。

5. 防腐質(zhì)量管理

在C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下，防腐是影響項目成本、進度的關鍵控制點，在如此嚴苛的腐蝕環(huán)境下，任何防腐缺陷、材料選型的不合理都會暴露出來，生銹腐蝕等產(chǎn)品外觀不合格問題，會進一步影響項目竣工移交，為減少防腐質(zhì)量缺陷，總結(jié)經(jīng)驗如下：

5.1. 加強防腐質(zhì)量管理

關注設備材料供貨商的防腐質(zhì)量控制，將供貨商防腐工藝水平及質(zhì)量管理作為采購技術評標的重點審核內(nèi)容。

對防腐施工人員進行詳細的防腐技術交底，從表面處理、油漆固化、漆膜厚度等方面嚴把質(zhì)量關，堅決避免表面污漬、油漆固化程度不夠、漆膜厚度不夠或過厚等問題，同時加強對防腐質(zhì)量的過程檢驗，可委托有經(jīng)驗的第三方團隊進行全過程見證檢驗。

5.2. 合理的材料選型

工程項目要盡量減少或避免在大氣腐蝕環(huán)境下使用鋁、銅等裸露金屬材料，如鋁鉚釘、鋁配電箱、銅鍍鎳格蘭、電鍍鋅部件等，同時要避免因異種金屬直接接觸產(chǎn)生的電化學腐蝕。

5.3. 風險評估及預防

項目投標階段要評估C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境對工程項目可能造成的成本、工期影響和風險，根據(jù)工程實踐分析，在C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下，工程項目的防腐成本或達到常規(guī)環(huán)境下同等工程項目的3 倍以上。

6. 結(jié)語

通過對C5-M 高鹽霧大氣腐蝕環(huán)境下工程項目的研究，結(jié)合ISO 12944 等國際標準，揭示了適用于高腐蝕環(huán)境下低合金碳鋼、鍍鋅鋼、不銹鋼、鋁合金等金屬材料的防腐方案；揭示了金屬材料防腐維護方案；從質(zhì)量管理的角度，闡述了防腐質(zhì)量對工程項目成本、進度等方面可能造成的風險及預防措施。

未來需要對本文提出的防腐質(zhì)量管理方法進行進一步研究，并深入探討這些方法的相關性和機制，從理論和實踐的角度指導國際工程防腐質(zhì)量管理，進一步提高承包商的項目管理水平。