應(yīng)用在異型鋼結(jié)構(gòu)上的氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)

錢洲亥，王靜*，侯保榮，寧東濤，張平

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310006；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.青島迪恩特新材料科技有限公司，山東 青島 266109；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

【表面技術(shù)】

應(yīng)用在異型鋼結(jié)構(gòu)上的氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)

錢洲亥1，王靜2,*，侯保榮2，寧東濤3，張平4

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310006；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.青島迪恩特新材料科技有限公司，山東 青島 266109；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

提出了一種針對(duì)海洋大氣區(qū)異型鋼結(jié)構(gòu)的氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)。通過中性鹽霧試驗(yàn)、剝離強(qiáng)度試驗(yàn)以及伸縮性能試驗(yàn)，分別證明了其主要組成部分(防蝕帶和防蝕膏)的耐蝕性、剝離強(qiáng)度和伸縮性能，可為異型鋼結(jié)構(gòu)提供可靠保障。

氧化聚合型包覆技術(shù)；異型鋼結(jié)構(gòu)；海洋大氣區(qū)；耐蝕性；機(jī)械性能

First-author’s address:Electric Power Science Research Institute of Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310006, China

海洋大氣環(huán)境是最為嚴(yán)酷的大氣腐蝕環(huán)境，相比陸地大氣區(qū)，濕度更大，空氣中存在含鹽液滴，對(duì)金屬材質(zhì)的腐蝕要嚴(yán)重得多[1]。而且金屬表面常會(huì)有真菌和霉菌，它們保持了水分，更增強(qiáng)了環(huán)境的腐蝕性。另外，距海岸較近的工業(yè)大氣中常含有二氧化硫等有害氣體，這也對(duì)金屬的腐蝕產(chǎn)生極大的影響[2]。大氣腐蝕所造成的損失占全部損失的一半[3]。

作為鋼結(jié)構(gòu)主要受力部位的螺栓螺母，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，且表面凹凸不平，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。腐蝕初期，產(chǎn)生的銹跡會(huì)影響美觀，如果腐蝕進(jìn)一步加深，以至產(chǎn)生腐蝕疲勞甚至斷裂，會(huì)影響使用安全，且有可能釀成嚴(yán)重的事故。因此，螺栓雖小，但其腐蝕問題必須引起足夠的重視，需采用一種高效、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)最常用的材料，具有成本低，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)無形狀要求等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，但目前傳統(tǒng)的防腐蝕涂料對(duì)施工表面前處理等級(jí)及施工環(huán)境要求高，很難使螺栓的尖銳以及邊緣部位得到足夠的保護(hù)，并且涂刷時(shí)涂料很容易出現(xiàn)流淌(或流掛)、漏涂等現(xiàn)象。如果螺栓已經(jīng)做過涂層處理，在重新處理時(shí)必須去除原來的涂層和銹層，表面處理復(fù)雜，后期維護(hù)費(fèi)用高，維護(hù)效果也不好。螺栓螺母等異型結(jié)構(gòu)的腐蝕問題引起了橋梁、鐵道、石油化工等領(lǐng)域?qū)＜业难芯颗d趣，開發(fā)了諸多抑制螺栓腐蝕的技術(shù)，如使用FRP螺栓[6]、防銹密封膠或防腐脂[7]或防銹帽[8]，熱浸鍍Zn–Ni合金[9]，涂覆石墨糊[10]等。然而，各方法均有其局限。例如FRP螺栓雖然具有優(yōu)異的耐蝕性、耐疲勞性、電氣絕緣性、絕熱性、非磁性、輕量性及可裝飾性，但不同的螺栓成型工藝會(huì)造成不同的缺陷：注塑成型法所得螺栓的機(jī)械強(qiáng)度較低。模壓法的模具設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜，脫模困難。再比如鐵道系統(tǒng)采用涂抹大黃油、二硫化鉬等油性防腐材料保護(hù)螺栓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所用材料常產(chǎn)生油脂流失現(xiàn)象(尤其在夏季高溫氣候下)，使用一年即無油性粘附，且拆卸困難，致使道釘生銹、斷裂，尼龍?zhí)坠芷茡p等問題頻現(xiàn)。王佳夫等[11]考察了螺栓熱鍍Zn–Ni合金的耐蝕性，發(fā)現(xiàn)鋅浴加鎳后鍍層的耐蝕性提高了3 ～ 4倍，但其施工工藝依然存在與熱鍍鋅一樣的缺陷，例如表面夾層、空洞、氧化皮等。涂覆石墨糊是利用石墨粉的惰性隔離螺栓與環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)防銹，但石墨粉的附著力不夠，易脫落，效果有限。日本采用由具有耐候性的聚氯乙烯制成的防銹帽，6年曝露試驗(yàn)表明，雖然栓帽表面有黑色附著物，但未見樹脂老化，屬良好狀態(tài)，拆下栓帽后內(nèi)面未見銹蝕?？上敝皇菍?shí)現(xiàn)了螺帽及螺栓與外部環(huán)境一定程度的隔離，對(duì)減緩大氣腐蝕有良好的效果，并未有效地抑制電偶腐蝕及縫隙腐蝕。綜上所述，傳統(tǒng)防腐手段很難為螺栓這類異型結(jié)構(gòu)提供足夠的保護(hù)，急需一種有效、長(zhǎng)效的防護(hù)技術(shù)。

1 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)是中國(guó)科學(xué)院海洋研究所國(guó)家海洋腐蝕防護(hù)工程技術(shù)研究中心根據(jù)多年的研究經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)出的針對(duì)大氣環(huán)境下異型鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕技術(shù)。該體系一般由三層緊密相連的保護(hù)層組成，即氧化聚合型防蝕膏、氧化聚合型防蝕帶和外防護(hù)劑，如圖1所示。

圖1 氧化聚合型包覆防腐蝕體系Figure 1 Oxidative polymerization-type covering anticorrosion system

氧化聚合型防蝕膏是最核心的材料，也是最內(nèi)層的部分，直接與被保護(hù)的金屬緊密接觸。防蝕膏中包含的復(fù)合防銹劑能將鋼結(jié)構(gòu)表面未處理盡的鐵銹轉(zhuǎn)化成黑色的氧化亞鐵膜，形成保護(hù)性封閉層，起到轉(zhuǎn)銹、防銹雙重作用。

氧化聚合型防蝕帶是浸漬在與防蝕膏相類似的化合物中制得的帶狀防蝕材料。其表面通過氧化聚合作用形成堅(jiān)韌的皮膜，而緊貼鋼結(jié)構(gòu)的一側(cè)始終保持非固化狀態(tài)，從而達(dá)到最佳的防腐性能。防蝕帶具有良好的密封性，可以將金屬表面與水分、鹽分、空氣等腐蝕性因子隔離，此外還具有良好的阻燃性和耐候性。防蝕膏和防蝕帶具有類似的成分，可以緊密復(fù)合在一起，因此聯(lián)合起來使用，防腐效果更佳。

外防護(hù)劑涂刷在防蝕帶表面，用來加速防蝕帶表層干燥、固化。而且其中含有珠光體成分，可折射紫外線，具有較好的耐紫外老化性能。

氧化聚合型包覆防腐材料還有同系列配套的防蝕膠泥，用于填充防蝕膏難以涂刷的部位，例如法蘭夾縫、鋼板縫隙等，或用于異型部位塑型，以便防蝕帶包覆得更加平整。

2 氧化聚合型包覆防腐蝕涂層體系的特點(diǎn)

2. 1 耐蝕性

2. 1. 1 防蝕膏的耐蝕性

參照GB/T 10125–2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》測(cè)試了防蝕膏的耐蝕性。采用140 mm × 65 mm × 2 mm的A3碳鋼試片為基材，用400號(hào)砂紙打磨光滑。參照GB/T 32120–2015《鋼結(jié)構(gòu)氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)》在鋼板表面刷涂上防蝕膏(厚度達(dá)250 ～ 300 μm)。經(jīng)過168 h中性鹽霧試驗(yàn)，涂抹防蝕膏的鋼板未發(fā)生銹蝕。

2. 1. 2 防蝕帶的耐蝕性

在鋼管表面纏繞2層防蝕帶，在中性鹽霧環(huán)境中試驗(yàn)2 000 h，取出后去掉防蝕帶，見圖2。由圖2可見在防蝕帶的保護(hù)下，鋼管表面色澤未發(fā)生變化，依舊光亮如新，與未纏繞防蝕帶的部分形成鮮明的對(duì)比。

圖2 試樣進(jìn)行2 000 h鹽霧試驗(yàn)后的照片F(xiàn)igure 2 Photos showing the samples after 2 000 h salt spray test

2. 2 防蝕帶的剝離強(qiáng)度

附著力是保障耐蝕性的基礎(chǔ)，而要粘附到各種形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上，也需要良好的附著力。按GB/T 32120–2015測(cè)試了防蝕帶的剝離強(qiáng)度。將防蝕帶放置在溫度(23 ± 2) °C、相對(duì)濕度50% ± 5%的環(huán)境中24 h，裁取25 mm × 150 mm的試樣后立即貼在干凈的鋼板一端，接觸面大約為25 mm × 50 mm(如圖3所示)。再在試樣上放上厚25 μm、大小為150 mm × 50 mm的聚酯膜，然后用2 kg重的輥壓裝置在其上往返滾壓1次，使試樣緊密粘貼在鋼板上。放置30 min后，將貼著聚酯膜的試樣用拉伸試驗(yàn)機(jī)的上部夾具夾住，試驗(yàn)鋼板用下部的夾具夾住，隨后以(300 ± 30) mm/min的速率拉伸，試樣剛剛開始脫離鋼板時(shí)的力F即為防蝕帶的附著力，則剝離強(qiáng)度σ = F / b(其中b為試樣寬度，單位m)。進(jìn)行了4次測(cè)試，附著力分別為12.0、11.8、13.2和12.6 N，相應(yīng)的剝離強(qiáng)度為480、472、528和504 N/m，均大于400 N/m，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這說明防蝕帶在常溫環(huán)境下與金屬有著優(yōu)良的粘結(jié)性，能形成很好的貼合。防蝕膏是黏著性很強(qiáng)的膏體，涂抹防蝕膏后再纏繞防蝕帶，比起直接將防蝕帶貼在金屬上，整個(gè)體系的附著力會(huì)更強(qiáng)。

圖3 剝離強(qiáng)度測(cè)定裝置示意圖Figure 3 Schematic diagram of device for peel strength test

2. 3 防蝕帶的伸縮性能

螺栓等異型結(jié)構(gòu)的規(guī)格大小不一，形狀各異，需要防腐體系具有一定的伸縮性來貼合基材的形狀結(jié)構(gòu)。另外在自然環(huán)境下，隨溫度變化或遇到震動(dòng)，鋼結(jié)構(gòu)也會(huì)有變形。防蝕膏作為一種膏體，對(duì)基材形狀的適應(yīng)性很好。針對(duì)防蝕帶進(jìn)行了如圖4所示的試驗(yàn)，以測(cè)試其伸縮性。用400號(hào)砂紙打磨厚度為1 mm的鋼板，用螺釘固定，再包裹上防蝕帶，放置在戶外兩周，表面皮膜硬化后在彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)中實(shí)驗(yàn)，伸縮距離分別為1 mm和2 mm，伸縮頻率為5次/min，共1 000次。在分別伸縮1 mm和2 mm后，防蝕帶表面沒有刮傷、斷裂或者掀起，說明其貼合在金屬表面后有著良好的伸縮性，能夠抵抗鋼結(jié)構(gòu)一定程度的震動(dòng)。

圖4 測(cè)試防蝕帶伸縮性能的示意圖Figure 4 Schematic diagram showing how to test flexibility of the anticorrosive tape

2. 4 防蝕帶的耐老化性

參照GB/T 1865–2009《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射》進(jìn)行了老化試驗(yàn)，并按GB/T 3923.1–2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》測(cè)試了防蝕帶的拉伸強(qiáng)度以表征防蝕帶的耐老化性。老化1 000 h后，3個(gè)防蝕帶試樣的拉伸強(qiáng)度保持率分別為65%、67%和65%，均大于50%，符合GB/T 32120–2015的要求。

2. 5 外防護(hù)劑的著火點(diǎn)

為了保證氧化聚合型包覆防腐技術(shù)能夠應(yīng)用于石油、化工等防火等級(jí)要求高的領(lǐng)域，要求最外層的外防護(hù)劑具有較高的著火點(diǎn)。參照GB/T 3536–2008《石油產(chǎn)品閃點(diǎn)和燃點(diǎn)的測(cè)定 克利夫蘭開口杯法》測(cè)試了外防護(hù)劑的著火點(diǎn)，3個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果分別為220、227和225 °C，均符合GB/T 32120–2015中≥210 °C的要求。

3 氧化聚合型包覆防腐蝕涂層的應(yīng)用實(shí)例

中海油某碼頭距離海邊不足200 m，管廊地腳螺栓受海洋大氣腐蝕嚴(yán)重(見圖5a)。采用氧化聚合型包覆防腐技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了處理，施工一年后表面層仍良好，未有破損、銹蝕現(xiàn)象(見圖5b)。

圖5 氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)應(yīng)用在碼頭螺栓上的效果Figure 5 Photos showing the application of oxidative polymerization-type covering anticorrosion technology to the bolts at a wharf

4 結(jié)論

氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)表面處理要求低，柔軟、易貼合，能夠適應(yīng)于任何形狀的結(jié)構(gòu)表面，施工工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省施工時(shí)間，并且有效防護(hù)壽命長(zhǎng)，綜合防腐蝕費(fèi)用低。

防蝕膏、防蝕帶能夠有效隔絕腐蝕介質(zhì)的滲透和侵蝕，防止金屬發(fā)生銹蝕；防蝕帶和外防護(hù)劑具有較好的抗老化性能。

2 000 h鹽霧試驗(yàn)和實(shí)際環(huán)境12個(gè)月的測(cè)試證明氧化聚合型包覆防腐蝕涂層體系具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，有效年限可達(dá)25年以上。目前此項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)碼頭、跨海(江)大橋、化工廠和電廠，防腐蝕效果良好。

[1] 侯保榮. 海洋腐蝕環(huán)境理論及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999: 4-5.

[2] 陳卓元. 銅的大氣腐蝕及其研究方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011: 1.

[3] 柯偉. 中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003: 1-60.

[4] 馬永新. 鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料施工技術(shù)[J]. 上海涂料, 2010, 48 (7): 51-53.

[5] 王軍, 付強(qiáng), 閆雪峰. 我國(guó)跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)防腐保護(hù)與涂裝[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2008, 11 (10): 37-41.

[6] 鄧杰, 劉建超, 艾濤. FRP防腐螺栓研究進(jìn)展[C] // 復(fù)合材料──基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下). [出版地不詳: 出版者不詳], 2006: 1281-1284.

[7] 馮勝利. 電動(dòng)機(jī)生銹螺栓探討與分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013 (23): 93.

[8] 周志飛. 螺栓防銹帽在裝卸機(jī)械上的應(yīng)用[J]. 鐵道貨運(yùn), 1998 (4): 35.

[9] 丁金城, 畢玉遂, 趙增典, 等. 高速公路護(hù)欄螺栓機(jī)械鍍Zn生產(chǎn)工藝[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2002, 14 (1): 60-61.

[10] 唐春保, 徐衛(wèi)萍. 螺栓抗咬死減摩防銹材料的研制[J]. 表面技術(shù), 2004, 33 (4): 55-57.

[11] 王佳夫, 石路, 韓文鵬, 等. 螺栓熱浸鍍Zn–Ni合金工藝[J]. 黃金學(xué)報(bào), 2000, 2 (2): 137-139.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Oxidative polymerization-type covering anticorrosion technology for irregularly-shaped steel structure

// QIAN Zhou-hai, WANG Jing*, HOU Bao-rong, NING Dong-tao, ZHANG Ping

An oxidative polymerization-type covering anticorrosion technology for irregularly-shaped steel structures in marine atmospheric zone was proposed. The corrosion resistance, peel strength and flexibility of its major ingredient, including anticorrosive grease and anticorrosive tape were proved by neutral salt spray test, peel strength test and flexibility test respectively, being able to provide a reliable protection for irregularly-shaped steel structures.

oxidative polymerization coated anti-corrosion technology; irregularly-shaped steel structure; marine atmospheric zone; corrosion resistance; mechanical property

10.19289/j.1004-227x.2017.02.010

TG178

A

1004 – 227X (2017) 02 – 0110 – 04

2016–04–26

2016–08–15

國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目：海上風(fēng)電設(shè)備基礎(chǔ)和塔筒防腐技術(shù)研究與示范應(yīng)用（5211DS150016）。

錢洲亥（1970–），男，浙江海寧人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備腐蝕與防護(hù)。

王靜，副研究員，(E-mail) jwang0501@126.com。