挪威Hardanger大橋鋼箱梁外側(cè)電弧噴鋅工藝設(shè)計(jì)

儀德強(qiáng)，錢(qián)勝杰，金樹(shù)軍，李敏風(fēng)，丁祥

（1.上海金屬腐蝕與防護(hù)技術(shù)有限公司，上海 200120；2.上海夏寧新材料科技有限公司，上海 200090；3.中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)防火防腐分會(huì)，上海 200135）

挪威Hardanger大橋鋼箱梁外側(cè)電弧噴鋅工藝設(shè)計(jì)

儀德強(qiáng)1，錢(qián)勝杰1，金樹(shù)軍2，李敏風(fēng)3,*，丁祥2

（1.上海金屬腐蝕與防護(hù)技術(shù)有限公司，上海 200120；2.上海夏寧新材料科技有限公司，上海 200090；3.中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)防火防腐分會(huì)，上海 200135）

在承接挪威Hardanger大橋鋼結(jié)構(gòu)制作中，根據(jù)業(yè)主的要求，以電弧噴鋅作為配套涂層底漆。為了適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)涂裝流水線以及佐敦公司的重防腐配套涂料，從鋼結(jié)構(gòu)缺陷處理等級(jí)、磨料拼配方案、噴砂技術(shù)條件、電弧噴鋅設(shè)備及鋅絲線材要求、電弧噴鋅工藝參數(shù)以及噴鋅層質(zhì)量要求等方面對(duì)鋼箱梁外側(cè)電弧噴鋅工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

橋；鋼箱梁；電弧噴鋅；防腐

1 前言

上海振華重工集團(tuán)為開(kāi)拓國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)橋梁制作業(yè)務(wù)，在成功完成韓國(guó)三川大橋、美國(guó)奧克蘭大橋鋼結(jié)構(gòu)制作后，近期又承接了挪威Hardanger大橋鋼結(jié)構(gòu)制作業(yè)務(wù)。業(yè)主對(duì)大橋鋼結(jié)構(gòu)的制作，特別是涂裝工藝提出了較高的要求──采用電弧噴鋅作為配套涂層的底漆。因此，電弧噴鋅成為涂裝工藝的關(guān)鍵，直接關(guān)系到大橋的制造質(zhì)量和企業(yè)成本控制。為此，特進(jìn)行電弧噴鋅的工藝設(shè)計(jì)，使之適應(yīng)振華重工長(zhǎng)興基地涂裝流水線和適應(yīng)Jotun(佐敦)公司的重防腐配套涂料。

2 鋼箱梁外側(cè)涂層配套方案

根據(jù)大橋設(shè)計(jì)方的規(guī)定，大橋的鋼結(jié)構(gòu)有熱浸鍍鋅、電弧噴鋅、重防腐涂料涂裝等三大類(lèi)防腐方法。表1為鋼箱梁外側(cè)涂層配套方案。

表1 鋼箱梁外側(cè)涂層配套方案Table 1 Supporting scheme of coating for outer steel box girder

對(duì)照ISO 14713:1999《鋼鐵結(jié)構(gòu)耐腐蝕防護(hù) 鋅和鋁覆蓋層 指南》(Protection against corrosion of iron and steel in structures—Zinc and aluminium coatings—Guidelines)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)和ISO 2063:2005《熱噴涂 金屬和其他無(wú)機(jī)涂層 鋅、鋁及其合金》(Thermal spraying—Metallic and other inorganic coatings—Zinc, aluminum and their alloys)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)，上述配套涂層均有大于20 a的使用壽命。我國(guó)GB/T 9793–1997《金屬和其他無(wú)機(jī)覆蓋層 熱噴涂 鋅、鋁及其合金》標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO 2063:2005標(biāo)準(zhǔn)。

3 工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)振華港機(jī)長(zhǎng)興基地涂裝流水線的實(shí)際和電弧噴鋅工藝特點(diǎn)，制定正確的涂裝施工是保證涂層質(zhì)量的關(guān)鍵。近年來(lái)，由于個(gè)別涂裝工程隊(duì)擅自改變工藝流程，偷工減料，多次發(fā)生涂裝質(zhì)量事故，教訓(xùn)深刻。振華港機(jī)涂裝研究所抓住幾個(gè)重要的工藝環(huán)節(jié)，在工時(shí)和工位場(chǎng)地的安排上保證電弧噴鋅工藝的順利進(jìn)行。其中，鋼箱梁外表面涂裝工藝流程設(shè)計(jì)如下：鋼材─表面預(yù)處理：拋丸、噴車(chē)間底漆─焊接成型─表面清理、結(jié)構(gòu)處理─檢查清理(不合格則返工)─噴砂除銹─吸塵除塵─檢查清潔度、粗糙度(不合格則返工)─焊縫處貼膠帶─電弧噴鋅─檢查質(zhì)量、厚度等(不合格則返工)─噴涂環(huán)氧封閉漆─預(yù)涂、噴涂環(huán)氧云鐵中間漆─檢查外觀、厚度(不合格則返工)─預(yù)涂、噴涂聚氨酯面漆─檢查外觀、膜厚及附著力(不合格則返工)─養(yǎng)護(hù)。

表2 ISO 14713:1999熱噴涂防腐蝕涂層體系Table 2 Corrosion protective thermal-sprayed coating systems recommended by ISO 14713:1999

表3 ISO 2063:2005對(duì)不同使用環(huán)境推薦的最小涂層厚度Table 3 Minimal coating thicknesses recommend by ISO 2063:2005 for different application environments (μm)

3. 1 表面處理

在挪威Hardanger大橋的技術(shù)標(biāo)書(shū)中明確規(guī)定，電弧噴鋅前鋼箱梁外側(cè)必須經(jīng)過(guò)機(jī)械噴砂等處理，表面處理的質(zhì)量等級(jí)要求為：清潔度達(dá)到ISO 8501 Sa3級(jí)，粗糙度Rz70 ～ 100 μm；鋼材表面氯離子含量不得大于20 mg/m2。要求十分高。因此，在表面處理中須抓住下面的工藝環(huán)節(jié)：

(1) 噴砂前表面缺陷處理。按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A6“熱軋鋼結(jié)構(gòu)鋼板、型鋼、鋼板柱等通用技術(shù)條件”和國(guó)標(biāo)GB/T 14977–1994《熱軋鋼板表面質(zhì)量的一般要求》調(diào)查鋼材表面缺陷(指鋼材表面結(jié)疤、裂紋、拉裂、折疊、夾質(zhì)、壓入的氧化皮等)的種類(lèi)及影響面積，同時(shí)按規(guī)定提出修正要求等。

(2) 去油脂及高壓水清洗。按ISO 12944-4的標(biāo)準(zhǔn)要求，采用合適的清洗劑和溶劑去除鋼材表面油脂等污染物。所有鋼材表面須用高壓水清洗，水槍的壓力范圍為34 ～ 70 MPa，以便去除鋼材表面的溶劑、氯化物、焊煙、灰塵等污物。

(3) 鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的處理。ISO 8501-3“焊縫、切割邊和其他表面缺陷的處理等級(jí)”和ISO 12944-2規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)暴露的腐蝕環(huán)境有一定的聯(lián)系，當(dāng)處理級(jí)別為P1，則對(duì)應(yīng)的ISO 12944-2腐蝕等級(jí)為C1和C2，同理，P2對(duì)應(yīng)C3和C4，P3對(duì)應(yīng)C5-I和C5-M。

ISO 8501-3標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于鋼材表面的處理級(jí)別適用涂料施工的共分3個(gè)等級(jí)，即：P1(輕微的處理)──涂漆前需要考慮的最小處理；P2(徹底的處理)──涂漆的大多數(shù)表面缺陷要修正和進(jìn)行表面處理；P3(非常徹底的處理)──沒(méi)有可見(jiàn)的表面缺陷。

Hardanger大橋處于C4腐蝕環(huán)境，鋼結(jié)構(gòu)缺陷處理級(jí)別必須達(dá)到P2級(jí)以上。

(4) 磨料。上海振華重工長(zhǎng)興基地設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的噴砂房，規(guī)定均采用合金(軸承)鋼砂，并統(tǒng)一采購(gòu)以保證質(zhì)量，使金屬磨料能夠循環(huán)使用。開(kāi)工初期采用磨料的拼配方案見(jiàn)表4。

表4 磨料拼配方案Table 4 Combination scheme for abrasives

正常投產(chǎn)后，隨著棱角鋼砂變圓，單獨(dú)添加 G40級(jí)合金鋼砂，添加頻率視狀況而定。合金棱角鋼砂的化學(xué)成分如下：C 0.8% ～ 1.2%，Si 0.15% ～ 1.20%，Mn 0.2% ～ 1.2%，Cr 0.6% ～ 1.6%，S ≤0.05%，P ≤0.05%。合金鋼砂的物理特性見(jiàn)表5。

金屬磨料必須清潔、干燥、無(wú)油、無(wú)雜物，符合SSPC AB-1和AB-3標(biāo)準(zhǔn)要求，磨料的導(dǎo)電率不高于250 μS/cm。金屬磨料的供應(yīng)商必須提供磨料化學(xué)成分、硬度、顆粒度分析等系列檢驗(yàn)報(bào)告以及符合環(huán)保要求的相關(guān)證書(shū)。在進(jìn)貨時(shí)，需要對(duì)磨料抽樣檢查，以確保磨料質(zhì)量。

表5 合金鋼砂的物理特性Table 5 Physical performance of alloy steel grit

(5) 噴砂。為保證金屬外側(cè)表面處理質(zhì)量，需做到下列工藝條件：空氣壓縮機(jī)中安裝油水分離器，按ASTM D 4285標(biāo)準(zhǔn)，將壓縮空氣中含水、含油率控制在允許范圍內(nèi)；保證空氣壓力在0.55 ～ 0.75 MPa范圍內(nèi)。因空氣壓力相差0.01 MPa，噴砂效率相應(yīng)變化2.4%。

噴砂的其他技術(shù)條件見(jiàn)表6。

表6 噴砂技術(shù)條件Table 6 Technological conditions of sandblasting

3. 2 電弧噴鋅工藝

3. 2. 1 原理

電弧噴涂是我國(guó)最重要的熱噴涂方法，國(guó)內(nèi)有40%鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用此法。在原理上，它是利用電能轉(zhuǎn)變成熱能來(lái)提供噴鋅中的熱源。

在絲材電弧噴涂設(shè)備的電弧噴涂工藝過(guò)程中，兩根金屬絲加有18 ～ 40 V的直流電壓，并帶有不同的極性，彼此絕緣，被送絲機(jī)送進(jìn)。這兩根金屬絲是同種金屬，在噴涂槍的前端，兩根金屬絲相遇發(fā)生短路，引燃產(chǎn)生電弧。電弧使兩根金屬絲尖端熔化，施加到電弧后面的強(qiáng)大的壓縮空氣霧化氣流使熔化的金屬熔滴充分霧化，并加速?lài)娚涞焦ぜ砻嫘纬赏繉?。電弧噴涂系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

3. 2. 2 電弧噴鋅的設(shè)備

在挪威Hardanger大橋的電弧噴鋅工藝中，施工單位采用浙江星塔科技設(shè)備材料公司生產(chǎn)的噴鋅設(shè)備。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：輸入電壓380 V、三相，輸出電壓 27 ～ 40 V，輸出電流 100 ～ 400 A，送絲速度2 ～ 6 m/min，空氣壓力0.55 ～ 0.70 MPa，絲材直徑2 ～3 mm，噴涂生產(chǎn)率(以鋅計(jì))30 ～ 50 kg/h。DXT-推拉式電弧噴涂機(jī)如圖2所示。

圖1 雙絲電弧噴涂原理示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the principle of twin wire arc spraying

圖2 DXT-推拉式電弧噴涂機(jī)照片F(xiàn)igure 2 Photo of DXT push/pull-type arc spraying machine

在大橋涂裝工藝設(shè)計(jì)中，鋅絲的技術(shù)要求均套用中國(guó)國(guó)標(biāo)，其純度為 99.99%，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) GB/T 9793–1997《金屬和其他無(wú)機(jī)覆蓋層 熱噴涂 鋅、鋁及其合金》及GB/T 470–1997《鋅錠》。由供貨單位提供鋅絲純度和化學(xué)成分檢測(cè)報(bào)告。

3. 2. 3 對(duì)鋅絲線材的要求

(1) 系鋅實(shí)心線材，絲材表面光滑，無(wú)氧化、無(wú)油脂和其他污垢。

(2) 鋅絲直徑2.0 ～ 3.0 mm。

(3) 不允許有較嚴(yán)重的表面缺陷，線材盤(pán)繞不允許有扭彎。

(4) 噴涂作業(yè)時(shí)鋅絲離地，作業(yè)后重新覆蓋好，保持清潔。

3. 2. 4 環(huán)境與條件

(1) 待噴鋼材表面溫度必須高于露點(diǎn)溫度3 °C。

(2) 空氣相對(duì)濕度必須小于85%。

(3) 在相對(duì)濕度＜85%時(shí)，噴砂后4 h內(nèi)進(jìn)行電弧噴鋅；若相對(duì)濕度增大時(shí)，應(yīng)縮短噴砂和電弧噴鋅的時(shí)間間隔。

(4) 風(fēng)速小于10 m/s。

3. 2. 5 電弧噴鋅工藝參數(shù)

在電弧噴涂設(shè)備正常工作的前提下，嚴(yán)格按照電弧噴涂工藝參數(shù)操作。電弧噴鋅工藝參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 電弧噴鋅工藝參數(shù)Table 7 Arc zinc spraying process parameters

3. 2. 6 電弧噴鋅層質(zhì)量要求

(1) 外觀質(zhì)量：平整、色澤均勻，鋅層的粗粒直徑不超過(guò)1.1 mm，高度不超過(guò)噴涂層的0.6 mm。

(2) 涂層孔隙率＜7%。

(3) 涂層硬度不小于35 HRC。

(4) 附著力：按ISO 4626標(biāo)準(zhǔn)，用氣壓或液壓式拉拔儀拉伸法測(cè)試附著力，要求至少達(dá)到3.5 MPa。

(5) 鋅層厚度達(dá)到100 μm，按ISO 2063:2005或GB/T 11374–1989標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)量和判斷。

3. 2. 7 封閉

由于電弧噴鋅層具有孔隙，必須對(duì)涂層進(jìn)行封閉處理，使鋅層與重防腐涂料形成的復(fù)合涂層具有物理屏蔽和陰極保護(hù)的聯(lián)合作用，使耐腐蝕性能倍增。封閉處理要求如下：

(1) 按大橋設(shè)計(jì)和業(yè)主規(guī)定，采用專(zhuān)用佐敦環(huán)氧連接漆。該漆具有良好的滲透性和潤(rùn)濕性。

(2) 封閉涂料建議采用無(wú)氣噴涂法，干膜厚度不超過(guò)40 μm。

(3) 電弧噴鋅后，應(yīng)盡快對(duì)金屬涂層進(jìn)行封閉處理，避免鋅層表面污染和氧化。

4 結(jié)語(yǔ)

在挪威Hardanger大橋鋼結(jié)構(gòu)的制作中，電弧噴鋅作為配套涂層的底漆，其工藝設(shè)計(jì)關(guān)系到大橋的制造質(zhì)量和企業(yè)的成本控制。為了適應(yīng)振華重工長(zhǎng)興基地的涂裝流水線及 Jotun公司的重防腐配套涂料而設(shè)計(jì)的上述電弧噴鋅方案，有大于20 a的使用壽命，符合業(yè)主要求。

Design of zinc arc-spraying process for outer steel box girder of Hardanger Bridge in Norway //

YI De-qiang, QIAN Sheng-jie, JIN Shu-jun, LI Min-feng*, DING Xiang

Based on the requirement of proprietor, arc zinc spray coating was used as a primer during the manufacturing of the Norwegian Hardanger bridge’s steel structure. In order to adapt the steel structure coating flow line and Jotun’s heavy corrosion protection accessory coating, the arc zinc spraying process of outer steel box girder was designed from aspects of pretreatment grade of defects in steel structure, composition for abrasives, sandblasting process conditions, arc zinc spraying equipment, zinc wire requirement, arc zinc spraying process parameters, quality requirement of arc sprayed zinc coating, etc.

bridge; steel box girder; arc zinc spraying; corrosion protection

Shanghai Corrosion amp; Protection Center of Metals, Shanghai 200120, China

TQ639

A

1004 – 227X (2012) 08 – 0069 – 04

2012–03–30

2012–05–03

儀德強(qiáng)（1978–），男，山東人，大學(xué)畢業(yè)，工程師，副總工，研究方向?yàn)橥垦b與電化學(xué)防護(hù)。

李敏風(fēng)，高級(jí)工程師，(E-mail) li-minfeng@163.com。

[ 編輯：韋鳳仙 ]