熱噴涂防腐涂層在大氣環(huán)境中的應(yīng)用

劉世念，蘇偉，魏增福，楊海洋，丁國清，楊萬國

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；

2.青島鋼研納克檢測防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071）

腐蝕是造成設(shè)施和裝備中材料失效的主要原因，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國每年因?yàn)楦g所產(chǎn)生的損失約占國民經(jīng)濟(jì)總值的5%，我國每年因腐蝕而損失的鋼材達(dá)百萬噸以上[1—2]。在各種腐蝕環(huán)境中大氣環(huán)境中鋼材使用量占比最高，因此了解和研究影響材料大氣腐蝕的環(huán)境影響因素及防止方法是非常必要的。

自20世紀(jì)初鋼的大氣腐蝕便成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，近年來，大氣環(huán)境中腐蝕規(guī)律和影響因素的研究一直備受關(guān)注[3—4]。同時(shí)，對于鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行長效防腐的方法和工藝也一直被研究和實(shí)踐[5—8]，如熱噴涂技術(shù)、防腐蝕涂料、陰極保護(hù)技術(shù)等。多年來的實(shí)踐證明，熱噴涂技術(shù)作為一種表面強(qiáng)化技術(shù)，可以大幅度提高裝備和設(shè)施的使用性能和延長使用壽命，在大氣環(huán)境防腐蝕領(lǐng)域卓有成效。

1 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂是利用電弧、等離子弧或燃燒火焰等熱源將粉末狀或絲狀的金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后以一定速度噴射到預(yù)處理過的基體表面，形成涂層的一種技術(shù)[9—10]。它作為制備涂層的方法，有方法多樣、涂層廣泛、工件不限、工藝簡便等諸多方面的優(yōu)勢。熱噴涂技術(shù)自1910年由瑞士的M.U.Schoop博士完成的金屬熔液噴涂裝置以來，已有百余年歷史[11]。目前，它廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、能源、國防、石油化工、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、輕工機(jī)械、生物工程等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域[12—13]。

熱噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，它既可以作為與保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于新品制造，又可以作為維修手段用于舊件修復(fù)。選擇不同性能的涂層材料和不同的工藝方法，可制備減摩耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障功能、催化功能、電磁屏蔽吸收、導(dǎo)電絕緣、遠(yuǎn)紅外輻射等功能涂層。在大氣環(huán)境中，耐腐蝕涂層應(yīng)用最為廣泛。

噴涂不斷有技術(shù)和工藝上的創(chuàng)新。近年來，熱噴涂技術(shù)迅速發(fā)展，在新技術(shù)、新材料、新工藝、涂層質(zhì)量控制軟件體系、涂層制備基礎(chǔ)理論研究和檢測技術(shù)等諸多方面取得了大量的進(jìn)步。諸如三陰極噴涂系統(tǒng)、微等離子噴涂工藝、冷噴工藝的開發(fā)、噴涂粒子和基體診斷分析系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用[14—16]。

2 大氣腐蝕腐蝕環(huán)境因素及分類

大氣腐蝕是常見的環(huán)境腐蝕現(xiàn)象之一，它受到多種環(huán)境因素的影響，環(huán)境因素主要分為氣象因素和污染物因素。氣象因素包括濕度、氣溫、降水、風(fēng)速風(fēng)向、日照時(shí)數(shù)等，污染物因素包括SO2，H2S，NH3和NO2，Cl-等的含量。多年大氣腐蝕的研究表明，在所有因素中，影響大氣腐蝕性的因素有3個(gè)[17]：在0℃以上時(shí)濕度超過80%的時(shí)間；二氧化硫的含量；鹽粒子的含量。其中，第1個(gè)屬于氣象因素，第2、第3個(gè)屬于污染物因素。

大氣腐蝕的分類也是根據(jù)氣象因素和污染物因素。氣象因素對大氣腐蝕有一定的影響，如晝夜溫差大，金屬表面會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，加速金屬的腐蝕[18]。大氣中的污染物對腐蝕的影響很大，比如海洋大氣中的海鹽粒子，工業(yè)大氣中的二氧化硫甚至塵埃等?？諝庵械倪@些雜質(zhì)溶于金屬表面液膜中，這層液膜就成了腐蝕性電解質(zhì)，加速了金屬的腐蝕。梁彩鳳等[19—20]發(fā)現(xiàn)，碳鋼和低合金鋼的腐蝕因素中，危害最大的是二氧化硫和氯離子。二氧化硫在初期的危害作用很突出，但在后期作用明顯下降。

根據(jù)金屬表面的潮濕程度以及電解質(zhì)薄液膜的存在和狀態(tài)不同，把大氣腐蝕分為干大氣腐蝕、潮大氣腐蝕和濕大氣腐蝕等3類。大氣中的相對濕度對金屬的腐蝕速率有很大影響，并且存在臨界濕度。大氣中濕度越大，金屬表面結(jié)露越容易，表面上的電解膜存在的時(shí)間越長，腐蝕速率也相應(yīng)增加[21]。當(dāng)大氣相對濕度大于臨界濕度時(shí)，腐蝕速率會(huì)急劇增加。

根據(jù)腐蝕環(huán)境和污染物狀況，大氣可分為工業(yè)大氣、海洋大氣和鄉(xiāng)村大氣。

1）鄉(xiāng)村大氣中沒有強(qiáng)烈的化學(xué)污染物質(zhì)，但含有有機(jī)物和無機(jī)物塵埃?？諝獾闹饕煞质撬?、氧氣及二氧化碳等通常組分，大氣腐蝕相對較弱。

2）工業(yè)氣體含有SO2，CO2，NO2，Cl2，H2S及NH3等，這些成分雖然含量很小，但對鋼鐵的腐蝕危害都是不可忽視的，其中SO2危害最大。鋼鐵材料在工業(yè)大氣環(huán)境中的平均腐蝕速度較高，要比在干燥的大氣環(huán)境中快50倍以上[22]。

3）海洋性大氣環(huán)境的相對濕度大且含有含有大量海鹽粒子。當(dāng)海鹽粒子沉降在金屬表面上，或者表面上原有的鹽分與金屬腐蝕物，都具有很強(qiáng)的吸濕性，會(huì)溶于水膜中形成強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。當(dāng)鹽顆粒沉降在金屬表面上時(shí)，由于它具有吸潮性及增大表面液膜的導(dǎo)電作用，同時(shí)C1-本身又具有很強(qiáng)的侵蝕性，因而加重了金屬表面的腐蝕。鋼鐵結(jié)構(gòu)在海洋大氣環(huán)境下的腐蝕速度有時(shí)高于工業(yè)大氣環(huán)境[23]，而處于海濱地區(qū)的工業(yè)大氣環(huán)境，屬于海洋性工業(yè)大氣，這種大氣中既含有化學(xué)污染的有害物質(zhì)，又含有海洋環(huán)境的海鹽粒子。有試驗(yàn)表明[24]，處于海濱地區(qū)工業(yè)大氣環(huán)境中的C1-濃度大于海洋大氣環(huán)境，腐蝕程度也更為嚴(yán)重。

3 熱噴涂技術(shù)在大氣腐蝕中的應(yīng)用

鋼鐵構(gòu)件暴露在大氣中，要求其保護(hù)涂層具有抵抗風(fēng)雨、陽光或其他惡劣氣候的能力。在工業(yè)大氣環(huán)境中，涂層應(yīng)能抵抗煙塵沉積、酸雨的腐蝕。熱噴金屬涂層在大氣環(huán)境中防腐蝕性能較為突出[25]。在大氣環(huán)境下，特別是在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中，熱噴涂防腐蝕涂層與涂料封閉的合理結(jié)合是保護(hù)鋼鐵結(jié)構(gòu)件的最佳方案之一。

熱噴涂防腐蝕涂層對鋼鐵構(gòu)件的防腐作用主要基于以下3個(gè)方面[26]。

1）物理覆蓋作用。由于熱噴涂層經(jīng)涂料封閉后形成的復(fù)合涂層致密完整，可較好地將鋼鐵基體與水、空氣及其他介質(zhì)隔離開，壽命要高于涂料涂層，因此這種覆蓋屏蔽作用比涂料更好。

2）由于鋁、鋅的電極電位比鋼鐵低，在介質(zhì)中當(dāng)鋁、鋅涂層局部破損或有孔隙時(shí)，鋁鋅涂層將作為犧牲陽極使得鋼鐵基體得以保護(hù)。

3）熱噴鋁、鋅涂層與鋼鐵基體的結(jié)合是半熔融的冶金結(jié)合，其結(jié)合力大大高于涂料與鋼鐵基體的結(jié)合力，且封閉涂料能牢固地抓附在有孔隙又均勻粗糙的噴涂層上，因而使熱噴涂層與封閉涂料所組成的復(fù)合涂層不易剝落，進(jìn)一步增強(qiáng)了防腐作用。

在大氣環(huán)境中，主要的防腐蝕涂層分為金屬涂層和金屬-非金屬涂層。金屬涂層主要有噴鋅涂層、噴鋁涂層、鋅鋁合金涂層和鋁鎂合金涂層等，而金屬-非金屬涂層是指金屬涂層如噴鋅、噴鋁涂層及合金涂層與非金屬涂層所組合的防護(hù)涂層體系[27]。

噴鋅涂層和噴鋁涂層都是采用電弧噴涂或火焰噴涂等熱噴涂工藝形成的，噴涂效率高。它們主要用于常溫下鋼鐵基體的防腐，噴鋅涂層在堿性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)于噴鋁涂層，而在酸性介質(zhì)中差于噴鋁涂層。綜合鋅鋁的各自特性，鋅鋁合金涂層被廣泛應(yīng)用，其綜合性能由于鋅涂層和鋁涂層。而鋁鎂合金能適用于各種惡劣環(huán)境，性能優(yōu)異。

在金屬-非金屬復(fù)合涂層體系中，金屬覆蓋層在鋼鐵基體形成陽極性涂層，而非金屬涂層覆蓋在金屬涂層上，使金屬涂層與環(huán)境隔離。非金屬涂層由封孔涂料底層和耐蝕涂料面層組成，主要采用有機(jī)涂料，其作用是封閉金屬涂層的孔隙和增強(qiáng)防腐蝕性能。采用金屬-非金屬復(fù)合涂層體系彌補(bǔ)了金屬涂層存在微孔的特點(diǎn)，大大增強(qiáng)了涂層的耐蝕性?？傊?，復(fù)合體系會(huì)延長涂層的使用壽命。

對于長期處于工業(yè)大氣環(huán)境、海洋大氣腐蝕環(huán)境下的大型鋼結(jié)構(gòu)，如橋梁、電廠、工業(yè)設(shè)施、港工碼頭等，采用熱噴涂技術(shù)很有必要。

熱噴涂防腐涂層在橋梁鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)領(lǐng)域有著成熟的應(yīng)用，如用于斜拉橋上的斜拉索、鋼箱梁、鋼橋面等。武漢軍山長江公路大橋?qū)︿撓淞翰捎脵C(jī)械化電弧噴鋁方法，對于鋼橋面采用電弧噴涂鋅涂層進(jìn)行防護(hù)，效果良好。青島膠州灣跨海大橋所處的腐蝕環(huán)境極為苛刻，處于海洋性大氣環(huán)境且鹽離子濃度高，因此對于鋼結(jié)構(gòu)，采用了金屬表面熱噴涂聯(lián)合重防腐組合體系的處理方法，取得了良好的效果。

熱噴涂防腐涂層在輸電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如用于電力輸入線路中的鋼結(jié)構(gòu)件的防腐。作為我國第一條長距離、大容量、超高壓直流輸電線路，上海南橋50萬kW變電站采用熱噴涂防腐涂層進(jìn)行長效防腐，收效顯著。

熱噴涂防腐涂層在港口領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。寶鋼馬跡山港采用了電弧噴涂鋁涂層的方法進(jìn)行防護(hù)[28]，噴涂面積達(dá)到3.6萬m2，對于處于苛刻腐蝕條件下的鋼結(jié)構(gòu)起到了很好的保護(hù)作用。

熱噴涂防腐涂層在交通設(shè)施領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2001年，上海磁懸浮列車工程中采用了電弧噴涂稀土鋁合金復(fù)合涂層進(jìn)行防腐蝕處理，取得了良好的防腐蝕效果[29]。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境中的腐蝕受到環(huán)境因素和污染物的影響，導(dǎo)致腐蝕類型和腐蝕程度不同，而針對苛刻的腐蝕環(huán)境，對于減輕大氣環(huán)境腐蝕對于鋼結(jié)構(gòu)的破壞，熱噴涂防腐技術(shù)作為公認(rèn)的對鋼鐵結(jié)構(gòu)長效防腐的有效方法，值得大力推廣和應(yīng)用。同時(shí)伴隨著熱噴涂技術(shù)和工藝的快速發(fā)展，相應(yīng)新材料的研發(fā)，熱噴涂防腐蝕涂層技術(shù)必將在防止大氣腐蝕領(lǐng)域取得更多的成果，得到更廣泛的應(yīng)用。

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