熱浸鍍鋅技術在電站鍋爐產(chǎn)品上的應用

劉亞尼 董 猛 汪元奎

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

熱浸鍍鋅是將表面處理后的鋼鐵材料組成的產(chǎn)品制件，浸入某一溫度下的熔融鋅浴中，一定時間后取出并冷卻(某些工藝過程可能存在離心處理，是去余鋅的一種方式)，從而得到具有良好耐蝕性的金屬鋅鍍層的一種方法。該鍍層與鋼鐵基材結合緊密，不但能夠有效地阻擋大氣環(huán)境中的腐蝕介質的侵入，同時起到犧牲陽極、保護鋼鐵基材的作用。

在電站鍋爐中，也涉及到相關熱浸鍍鋅技術的應用，尤其對于不易進行涂裝施工的部件，如平臺扶梯的欄桿、扶手、踢腳板，各類螺栓連接副，格柵，花紋鋼板及電纜橋架等。熱浸鍍鋅技術極大地提高了生產(chǎn)效率。

本文就熱浸鍍鋅產(chǎn)品的質量評價、缺陷修復、鋅層涂裝等常見問題，結合國內(nèi)外規(guī)范進行歸納論述，供相關技術人員參考。

1 熱浸鍍鋅質量評價

1.1 熱浸鍍鋅層的外觀

對于鋼鐵材料鋅鍍層外觀，GB/T13912-2002[1]規(guī)定：“熱浸鋅制件，其主要表面應平滑、無滴瘤、粗糙和鋅刺(如果這些鋅刺會造成傷害)，無起皮，無漏鍍，無殘留的溶劑渣，在可能影響熱浸鍍鋅工件的使用或耐腐蝕性能的部位不應有鋅瘤和鋅灰”。

熱浸鍍鋅的主要目的是增強金屬材料的防腐蝕性能，美觀和裝飾性不應作為判斷鋅層是否合格的依據(jù)(特殊要求除外)。對于不影響熱浸鍍鋅層的防腐蝕性能、且不會造成傷害、不影響相關產(chǎn)品后續(xù)使用的的鋅刺、滴瘤等可以不予處理。

這里還需要明確兩個問題：(1)鋅層顏色差異。新鮮的熱浸鍍鋅層其顏色明亮，久置鋅層會因為表面氧化而顏色灰暗，但這并不意味著兩者防腐性能的差異。在大氣環(huán)境中暴露足夠長的時間后，其顏色會趨于一致；(2)鋅層表面的白銹。就體積變化而言，1份鋅將生成500份的銹蝕產(chǎn)物(主要成分是堿式碳酸鋅復合鹽)。盡管鋅層表面的白銹面積很大，但鋅層的損失非常輕微，僅在短期內(nèi)影響外觀質量[2]?？梢栽跓徨冧\后進行鉻酸鹽、磷酸鹽防銹處理[3]。

1.2 熱浸鍍鋅層的厚度

熱浸鍍鋅層的厚度是影響其防腐性能的重要指標。金屬材料獲得的鍍層厚度，這與金屬材料本身化學成分、表面狀態(tài)、幾何尺寸和熱浸鍍鋅工藝選擇等有關。一般認為鍍層厚度越厚，防腐性能越好，壽命越長；但鍍層過厚會導致外觀出現(xiàn)麻面現(xiàn)象，同時降低鍍層與基材的附著力。

針對不同產(chǎn)品的結構，應用于不同基材的熱浸鍍鋅層的厚度要求，相關標準給出了建議：(1)非螺紋件標準，如GB/T13912(等同于ISO1461)、ASTM A123、JIS H8461、DIN 50976、BS 729等，電站鍋爐中主要應用標準是GB/T13912和ASTM A123；(2)螺紋件鍍層標準：如ASTM A153、GB/T5267.3-2008(等同ISO10684：2004)?，F(xiàn)將非螺紋件的鋅層厚度規(guī)范歸納于表1至表4。至于緊固件，如螺栓、螺帽和螺絲涂層厚度的判定應設定在產(chǎn)品的某一部份，但不包螺紋部分。

表1 GB/T13912關于鍍層厚度規(guī)定—未經(jīng)離心處理的鍍層厚度最小值

表2 GB/T13912關于鍍層厚度規(guī)定—經(jīng)離心處理的鍍層厚度最小值

表3 ASTM A123關于鍍層厚度規(guī)定—不同材料類別的最小平均厚度等級

表4 ASTM A153關于緊固件鍍層厚度規(guī)定—各種材料等級的熱浸鋅層的厚度或重量

注：每一零件的長度及指定等級B-1、B-2、B-3，參照每一零件制造后的成品尺寸[5]。

這些標準的鍍鋅層厚度值的設定，主要是基于各國的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗，在厚度值的設置上，差別并不大。在進行鍍層設計時，建議參照以此類標準執(zhí)行，不可一味增加鍍層厚度。

2 熱浸鍍鋅層缺陷修復

在生產(chǎn)、儲存、運輸及安裝過程中，不可避免地會對鍍層產(chǎn)生一定程度上的破壞，常見鍍層的缺陷有：漏鍍、切割燒傷、碰撞、焊接燒損等。對于這些常見的鍍層缺陷的修復，相關標準分別給出了一些方法和規(guī)定。

2.1 GB/T13912-2002[1]對于鍍層的修復主要基于生產(chǎn)過程所導致的漏鍍，主要規(guī)定如下：

1)修復范圍，熱鍍鋅層的修復主要針對漏鍍面，漏鍍面不應超過總面積的0.5%，總面積不應超過10cm2；

2)修復方法，主要有三種即熱噴涂鋅、涂覆富鋅涂料或者融敷鋅合金，強調(diào)了修復層的厚度要求：熱浸鍍鋅后還要進行涂裝處理或者修復層的厚度須與原鍍鋅層的厚度相同，且修復區(qū)域內(nèi)新的涂層厚度比本文表1或者表2要求的相應厚度厚30μm以上。

2.2 ASTM A123[4]對于鍍層缺陷漏鍍修復的規(guī)定：

1)修復方式參照ASTM A780[6]執(zhí)行；

2)要進行修復的部分在其最窄處不應該大于1英寸(25mm)；

3)每件產(chǎn)品上要修復的總面積不應該超過下面兩者中的較小的：要鍍鋅總面積0.5%，或者36平方英寸每噸(22500mm2·t-1)；

4)除采用鋅涂層修復外，修復的鍍鋅厚度應該滿足本文表3要求；涂鋅的修復其厚度要比表3所要求的多50%，但是不超過0.004英寸。

2.3 ASTM A780[6]對于鍍層缺陷漏鍍修復的規(guī)定：

1)確定了修復的熱浸鋅涂層的種類，包括焊接或者切割導致的涂層燒傷、碰撞導致涂層損傷及首次熱浸鋅后的未涂裝區(qū)域；

2)介紹三種熱鍍鋅涂層缺陷修補工藝，包括鋅基合金修補、含鋅涂料修補、熱噴涂修補。

此三種工藝中，以含鋅涂料修補最為方便實施，在電站鍋爐現(xiàn)場施工中最為常用。

3 熱浸鍍鋅層涂裝

由于設計需要(如防腐、美觀、安全色要求等)，部分熱浸鍍鋅產(chǎn)品表面需要進行涂裝。熱浸鍍鋅層表面是相對光滑的，如果直接在熱鍍鋅層表面進行涂裝，油漆涂層與熱鍍鋅層之間的附著力較差，出現(xiàn)涂層剝落的風險極大，如何保證油漆涂層良好的附著力是一個關鍵問題。

3.1 掃射處理

ISO12944-4[7]這樣介紹：掃射清理的目的僅僅是為了清理或者粗化有機或者金屬涂層，或者去除表面層(或者附著疏松的涂層)，從而確保附著牢固涂層不會因為磨料沖擊產(chǎn)生凹坑和剝落露出基材。

處理過程選取相應的面積區(qū)域進行試驗和評定，并且選擇合適的掃射清理參數(shù)，這些參數(shù)包括磨料硬度、噴射角度、噴槍與基材的距離，空氣壓力、磨料尺寸。一般情況下，掃射清理選擇較低的空氣壓力和細砂。

由于熱鍍鋅層厚度是相對較低且不均勻的，掃射處理的過程中，應該輕微地粗化表面鋅層，否則會大大地減薄鍍層本身厚度。掃射處理的工藝應參照相關標準要求或者通過試驗確定。

3.2 AS/NZS4680[8]關于掃射處理的規(guī)定：

1)細顆粒的非金屬磨料(如鈦鐵礦、石榴石等)；

2)磨料尺寸大小應通過篩孔尺寸為150-180μm的篩網(wǎng)(80-100目)進行篩選；

3)掃射壓力為275KPa(40psi)；

4)掃射方向與表面的夾角不應大于45°；

5)噴嘴與表面的距離在350-400mm之間；

6)選用10-13mm的文丘里式噴嘴。

正常情況下，采用此工藝可以確保此等強度的掃射清理不會損壞熱浸鍍鋅層表面，且去除的鍍層厚度不會高于10μm。掃射清理結束后，應該按照涂裝方案盡快進行涂裝施工，ASTM D6386[9]規(guī)定掃射清理到第一道底漆的時間間隔不超過1h。

不同的標準對于掃射工藝參數(shù)的要求會不一樣(ASTM D6386要求不同于AS/NZS4680)，不同的生產(chǎn)廠家也會有相應的自己工藝要求。但是無論采取何種工藝，都應保證不會對金屬鍍鋅層本身產(chǎn)生影響或者不低于標準要求的鍍層厚度。

除掃射處理外，ASTM D6386[9]還介紹了待涂裝熱浸鍍鋅層表面的其他三種表面處理方法：磷酸鋅處理(磷化處理)、磷化底漆處理和丙烯酸鈍化處。

3.3 涂層體系的選擇

鍍鋅層表面的涂層體系選擇可依據(jù)《鋼鐵制件熱浸鍍和滲鍍》，ISO12944等相關要求執(zhí)行?？紤]到涂層與鍍鋅層的相容性，底漆選擇應與基材具有良好的附著性能，且不與之反應產(chǎn)生對涂層性能有害的涂料類型。參照ISO12944-5規(guī)定，底漆可選擇氯化乙烯樹脂類、丙烯酸樹脂類、環(huán)氧樹脂類及聚氨酯類，不建議選擇醇酸類樹脂涂料。

考慮到面漆與底漆的配套性，推薦方案如下[2]：

1)環(huán)氧類底漆+各類聚氨酯面漆；

2)噴砂表面+磷化底漆+乙烯型面漆；

3)丙烯酸類涂料；

4)耐候性粉末涂料(如聚氨酯)；

5)聚氨酯類涂料；

6)氯化乙烯類涂料。

如用于修復鍍層缺陷，面漆顏色可考慮與鍍鋅層保持一致。鍋爐部件如欄桿扶手的等部件，由于其構造以較小半徑的鋼管為主，曲率較大，采用手工涂裝作業(yè)的難度也相對較大，一般采用靜電粉末噴涂聚氨酯涂料，涂層厚度在80μm左右，涂層過厚易出現(xiàn)附著力不佳的現(xiàn)象。

4 緊固件熱浸鍍鋅

采用熱浸鍍鋅的緊固件，螺紋基本牙型應符合GB/T192規(guī)定，基本尺寸應符合GB/T196規(guī)定，其螺紋直徑與螺距系列應符合GB/T9144所規(guī)定的、公稱直徑大于和等于10mm的粗牙系列。GB/T5267.3、GB/T22028及GB/T22029也有相關的規(guī)定。通常緊固件熱浸鍍鋅主要注意問題有以下兩個方面。

4.1 氫脆

氫脆是一種通常發(fā)生在高強度鋼中的脆化現(xiàn)象。零件熱浸鍍鋅前處理的過程中涉及到酸洗，酸洗時氫原子可能被鋼基體吸收，逐步聚集在于鋼的晶界、位錯等地方，且不能完全溶解于后續(xù)的高溫鋅液中，可能導致緊固件發(fā)生氫脆斷裂。

氫脆預防措施：1)GB/T5267.3-2008[10]中規(guī)定：除非另有協(xié)議，熱處理，熱處理或者加工硬化的硬度大于等于320HV的零件應采用防腐蝕酸、堿性或者機械方法進行清洗；2)GB/T13912-2002則將鋼的硬度上限稍有提高，其規(guī)定：如果鋼的硬度高于34HRC、340HV或325HB，在前處理中應盡量將吸氫量降到最低程度，如采用噴丸處理(僅適合幾何結構相對簡單的工件)；3)在熱浸鍍鋅以前和酸洗以后，進行烘烤[3]。

4.2 配合及強度

4.2.1 配合方面

熱浸鍍鋅后，會有部分余鋅粘留在螺紋中，且不易去除干凈，加之鍍層厚度的不均勻性，會對螺紋件的配合產(chǎn)生一定影響。雖然可采取相應措施減少此種情況的發(fā)生，但是配合問題仍然是存在的。

目前，為滿足配合要求，主要采用兩種方法：1)內(nèi)螺紋鍍后攻絲所留大間隙用于容納外螺紋表面上的熱鍍鋅層，外螺紋鍍前采用普通螺紋標準(GB/T197)所規(guī)定的標準公差帶位置和標準公差等級[11]；2)外螺紋鍍前所留大間隙用于容納外螺紋表面上的熱鍍鋅層，內(nèi)螺紋鍍后攻絲采用普通螺紋標準(GB/T197)所規(guī)定的標準公差帶位置和標準公差等級[12]。

4.2.2 強度方面

無論采取以上何種方法，由于修整螺紋降低了剪切強度，連接副的強度也會降低，為了盡量保證連接副的強度要求，可參考GB/T5267.3[10]的附錄F提及的相關措施，如螺栓的抗拉強度不低于GB/T3098.1的最小抗拉強度、較高性能等級的螺母與螺栓相配等。因此在設計中需要引起注意，進行螺栓承載力的設計時有必要預留一定的安全儲備。

雖然螺母內(nèi)螺紋進行攻絲會破壞鍍層，但這是國家標準所允許的。因為與螺母配合的螺桿上仍然存在鍍層，電化學作用仍能起到有效地防腐保護作用[13]。

這里需要說明的是，如果一定要求螺紋件的內(nèi)外螺紋均有鋅鍍層，也可以在熱浸鍍鋅前預留較大配合間隙、加強離心等措施，但是由于熱鍍鋅層厚度難以有效控制，最后配合的難度也會相對增大，生產(chǎn)制造的成功率會有所下降。故意超標準范圍加大螺母孔徑或預留配合間隙，很容易降低配合強度，對于高強度配合這是不允許的[14]。

5 結論

熱浸鍍鋅是一種有效減緩鋼鐵制件大氣腐蝕的防護方法，在電站鍋爐產(chǎn)品上得到了廣泛的應用。本文總結歸納了熱浸鍍鋅產(chǎn)品的質量評價指標、缺陷修復、表面涂裝、緊固件配合及強度變化等方面的相關規(guī)定，對幫助技術人員了解熱浸鍍鋅工藝的技術優(yōu)勢及存在的問題具有指導意義。