市政常見金屬結(jié)構(gòu)大氣腐蝕防護(hù)方法及薄弱環(huán)節(jié)調(diào)查

黃彥良，許勇,4，楊丹，張琦超，王文成，路東柱，楊黎暉，王秀通

（1. 中國科學(xué)院海洋研究所 中國科學(xué)院海洋壞境腐蝕與生物污損重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東 青島 266071；3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋腐蝕與防護(hù)開放工作室，山東 青島 266237；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

鋼鐵材料在大氣環(huán)境下將遭受腐蝕破壞，影響工程結(jié)構(gòu)的安全[1-6]，同時(shí)也使觀賞性下降，因此，一般需對其進(jìn)行保護(hù)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，材料腐蝕成本占國民生產(chǎn)總值的3.34%[7]，其中因大氣腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占總腐蝕損失的1/2以上[8]。正因?yàn)槿绱耍髿飧g防護(hù)就顯得十分重要。GB/T 20852—2007《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕防護(hù)方法的選擇導(dǎo)則》[9]指出，可通過降低環(huán)境的腐蝕性、防腐蝕設(shè)計(jì)、選擇合適的材料和采用合適的防護(hù)層覆蓋產(chǎn)品對大氣腐蝕進(jìn)行防護(hù)。關(guān)于大氣腐蝕性，美國曾在523個(gè)城市進(jìn)行為期25年的大氣腐蝕調(diào)查，繪制了大氣腐蝕圖[10]。英國[11]、澳大利亞[12]、新西蘭[13]等國均開展過較大范圍的區(qū)域性大氣腐蝕調(diào)查。我國臺灣省也開展過較詳細(xì)的大氣腐蝕調(diào)查。我國大陸在20世紀(jì)80年代后期陸續(xù)有以大氣腐蝕性為主題的調(diào)查工作開展。先后在遼寧、海南、貴州、山東以及其他部分地區(qū)開展了大氣腐蝕性調(diào)查工作[14-19]。由于市政設(shè)施所處的環(huán)境為自然大氣腐蝕環(huán)境，是一種自然屬性，一般無法或很難通過降低腐蝕性來進(jìn)行防腐蝕?？蛇x擇的防腐蝕措施有防腐蝕設(shè)計(jì)、選擇合適的材料和采用合適的防護(hù)層覆蓋產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)和材料確定后，一般是通過防護(hù)層進(jìn)行保護(hù)，也是一種主要的防護(hù)方式。近幾年來，關(guān)于防護(hù)層，在無機(jī)富鋅涂層[20]、55%Al-Zn-Mg涂層鋼[21]、噴涂鋁涂層[22]、環(huán)氧鍍鋅雙涂層[23]、氧化聚合型覆蓋防腐技術(shù)[24]、石墨烯重防腐涂層[25]、等離子噴涂FeCr納米復(fù)合涂層[26]、超疏水涂層[27]、新型綠色溶劑環(huán)氧涂料[28]、鈍化處理[29]等方面開展了較詳細(xì)的研究。這些防護(hù)方法在大氣腐蝕防護(hù)方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。文中對山東省17個(gè)市市政常見的欄桿、指示燈桿、照明燈桿、指示牌、信號塔等的腐蝕情況進(jìn)行了調(diào)查，了解大氣腐蝕防護(hù)措施的應(yīng)用情況、與防護(hù)方法研究推廣的聯(lián)系、存在的問題，提出了改進(jìn)建議。

1 材料選擇

從調(diào)查的山東省17個(gè)城市市政設(shè)施金屬材料的使用來看，主要分為碳鋼和不銹鋼兩類。碳鋼一般均經(jīng)過保護(hù)，不銹鋼在各地均有使用，一般未進(jìn)行進(jìn)一步保護(hù)。不銹鋼被認(rèn)為是一種耐蝕材料，但在實(shí)際大氣環(huán)境使用過程中也發(fā)現(xiàn)有腐蝕發(fā)生。煙臺、威海、青島、日照、淄博的不銹鋼結(jié)構(gòu)均有腐蝕現(xiàn)象，出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕銹斑，如圖 1所示。其他各地不銹鋼除局部銹斑外，未見較明顯的腐蝕。從公布的各地氣溫和主要污染物排放情況看[30]，各地氣溫差別不大，溫差在 2.4 ℃以內(nèi)，溫度應(yīng)不是這些地區(qū)腐蝕較重的原因，且平均最高氣溫并不是這些地區(qū)。平均氣溫最高的為菏澤和濟(jì)寧，為15.7 ℃。煙臺、威海、青島、日照不銹鋼較重的腐蝕與沿海城市鋼結(jié)構(gòu)表面較多的氯離子沉積有關(guān)。淄博為內(nèi)陸城市，從污染物的單位面積排放情況來看，淄博的 SO2和NOx的排放量最高，在內(nèi)陸城市中它的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況也是較重的，較重的腐蝕與較高的 SO2和 NOx的排放量有關(guān)。

圖1 煙臺、威海、青島、日照、淄博不銹鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕Fig.1 Corrosion of stainless steel structures in Yantai, Weihai, Qingdao, Rizhao and Zibo of Shandong, China

2 碳鋼的大氣腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀

2.1 鋅鍍層防腐

在日照萬平口海濱見到鋅鍍層保護(hù)的碳鋼指示牌柱，如圖2所示?？梢钥吹?，部分鋅鍍層已經(jīng)消耗，主要是朝向大海一側(cè)。鋅鍍層除起一定的物理隔離作用外，在涂層局部破損后，還對碳鋼基體起一定的陰極保護(hù)作用。由于單純的鋅鍍層一般較薄，保護(hù)作用有限，如與其他保護(hù)方法（如有機(jī)涂層防腐）配合使用，可延長使用壽命。

圖2 日照萬平口海濱某碳鋼指示牌的鋅鍍層防腐Fig.2 Corrosion appearance of a galvanized steel indicator column on the beach of Wanpingkou, Rizhao: a) facing the land; b) facing the sea

2.2 涂料防腐

在碳鋼的大氣腐蝕防護(hù)中，涂料的使用十分普遍，在調(diào)查的17個(gè)城市中均大量使用。濱州和泰安銀粉漆涂裝的碳鋼街道照明燈柱如圖3所示。泰安和煙臺街道上燈柱涂裝使用的普通油漆如圖4所示。由于涂層老化，基體金屬腐蝕等原因，用涂料防腐有涂層脫落現(xiàn)象，如圖5所示。

圖3 濱州和泰安街道上銀粉漆涂裝的街道照明燈柱Fig.3 Street lighting lamppost coated with aluminum paint in Binzhou and Tai'an

圖4 泰安和煙臺街道上普通油漆涂裝的街道照明燈柱Fig.4 Street lighting lamppost coated with aluminum paint in Tai'an and Yantai

圖5 棗莊滕州和濟(jì)南街道上碳鋼結(jié)構(gòu)涂層破損情況Fig.5 Coating damage of carbon steel structures in streets of Tengzhou of Zaozhuang and Ji'nan

2.3 包覆防腐

有些城市的某些碳鋼結(jié)構(gòu)采用包覆防腐。包覆的材料有玻璃鋼、混凝土、不銹鋼和塑料等。在濱州和東營街道上分別見到碳鋼結(jié)構(gòu)的玻璃鋼包覆防腐和不銹鋼包覆防腐（見圖6、圖7）。在青島匯泉廣場見到某碳鋼結(jié)構(gòu)的混凝土包覆防腐（見圖 8）。在青島黃島區(qū)見到海濱景觀碳鋼鎖鏈的塑料管包覆防腐（見圖 9）。

圖6 濱州和東營街道上碳鋼結(jié)構(gòu)的玻璃鋼包覆防腐Fig.6 FRP coated anticorrosion of carbon steel structure in streets of Binzhou and Dongying

圖7 濱州和東營街道上碳鋼結(jié)構(gòu)的不銹鋼包覆防腐Fig.7 Stainless steel covered anticorrosion of carbon steel structure in streets of Binzhou and Dongying

圖8 青島匯泉廣場某碳鋼結(jié)構(gòu)的混凝土包覆防腐Fig.8 Anticorrosion of a carbon steel structure by concrete cover in Huiquan Square, Qingdao

2.4 碳鋼螺栓的防腐

碳鋼螺栓的防腐是一個(gè)容易被忽視的部分。在調(diào)查的金屬結(jié)構(gòu)中，大部分碳鋼螺栓沒有進(jìn)行保護(hù)或保護(hù)不完善。如圖10所示，碳鋼結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行了涂料保護(hù)，但地腳螺栓沒有得到保護(hù)，腐蝕已經(jīng)比較嚴(yán)重。在個(gè)別地區(qū)（如濟(jì)南和德州）見到地腳螺栓得到較好保護(hù)的例子，如圖11所示，對螺栓保護(hù)的方法和主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)方法相同，均使用涂料進(jìn)行保護(hù)。這種保護(hù)方法在初始階段對螺栓能夠起到一定的保護(hù)作用，但隨著時(shí)間的推移，由于螺栓在涂料施工前，表面處理困難，涂層施工質(zhì)量可能比平整表面低，導(dǎo)致螺栓腐蝕提早發(fā)生。圖11a中，部分螺栓已有腐蝕發(fā)生的跡象。從圖10b來看，螺栓周圍尚殘存部分涂層，表明在螺栓腐蝕之前，也曾涂刷了涂料進(jìn)行防腐。圖10、圖11說明單純的涂料很難對螺栓進(jìn)行有效保護(hù)。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，部分結(jié)構(gòu)為避免螺栓的大氣腐蝕，將螺栓完全埋入地下。

圖9 青島黃島區(qū)海濱景觀碳鋼鎖鏈的塑料管包覆防腐Fig.9 Plastic pipe cover anticorrosion for carbon steel chain in Seaside Landscape of Huangdao District, Qingdao

圖10 濰坊和日照街道地腳螺栓腐蝕Fig.10 Corrosion of anchor bolts in streets of Weifang (a) and Rizhao (b)

圖11 濟(jì)南和德州街道地腳螺栓的涂料防腐Fig.11 Corrosion prevention of anchor bolts by painting in streets of Ji'nan (a) and Dezhou (b)

在德州和棗莊滕州發(fā)現(xiàn)有專門對螺栓進(jìn)行特殊保護(hù)的情況。如圖12所示，德州街道部分地腳螺栓采用塑料套管灌入混凝土的方法進(jìn)行保護(hù)，表明已經(jīng)注意到螺栓采用通常的涂料較難進(jìn)行有效防護(hù)。棗莊滕州某信號塔底座地腳螺栓腐蝕的防護(hù)情況如圖 13所示，螺栓上部已用塑料袋包裹油脂進(jìn)行防腐。在下部混凝土底座和金屬結(jié)構(gòu)之間縫隙內(nèi)的螺栓連接部分并未進(jìn)行防腐，腐蝕已比較嚴(yán)重，有一定風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 采用塑料套管灌入混凝土的方法防腐Fig.12 Corrosion prevention by plastic tubes filled with concrete

3 大氣腐蝕防護(hù)中存在的問題

使用耐蝕材料（如不銹鋼）是防止大氣腐蝕的措施之一。但在沿海或大氣污染物排放量大的大氣腐蝕性較強(qiáng)區(qū)域，普通不銹鋼仍有較重的腐蝕發(fā)生，建議進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)或選用更耐蝕的不銹鋼（如 316L）等。在選用不銹鋼進(jìn)行包覆防腐時(shí)，建議應(yīng)包覆完整，同時(shí)使用相同的材料。如圖 7a所示，下部沒有包覆完整，不僅下部未包覆部分發(fā)生了腐蝕，水汽還可以通過下部的縫隙進(jìn)入上部，內(nèi)部仍然可能發(fā)生腐蝕。從圖7b可以看出，整體施行了包覆不銹鋼的防腐，但上面安裝的合頁及螺釘仍然使用碳鋼，其中螺釘已經(jīng)腐蝕。碳鋼和不銹鋼在腐蝕介質(zhì)中具有不同的電位，易發(fā)生電偶腐蝕，使碳鋼腐蝕加速。同樣，在選擇不銹鋼作為金屬結(jié)構(gòu)材料時(shí)，螺栓也應(yīng)選擇不銹鋼，否則碳鋼螺栓因電偶腐蝕將加速破壞，起不到應(yīng)有的效果。如圖14所示，臨沂沂水街道的一不銹鋼結(jié)構(gòu)倒伏，其中不銹鋼部分光亮如新，但由于螺栓為碳鋼，因碳鋼螺栓完全腐蝕而發(fā)生整體結(jié)構(gòu)失效。包覆防腐需要注意端部的封堵，如不封堵將引起端部金屬裸露部分的腐蝕（見圖 9）。不銹鋼在焊接或表面有擦傷時(shí)，在焊縫擦傷處易引起腐蝕，如圖15所示。因此，不銹鋼在焊接后應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚聿⒈苊獗砻娌羵?/p>

圖14 臨沂沂水街道的一不銹鋼結(jié)構(gòu)因碳鋼螺栓完全腐蝕而倒伏Fig.14 A lodged stainless steel structure in streetof Yishui, Linyi due to fully corrosion of carbon steel bolts

圖15 不銹鋼在焊接或表面擦傷處發(fā)生腐蝕Fig.15 Corrosion of stainless steel at welding points or surface scratches

如2.4小節(jié)所述，碳鋼螺栓的腐蝕防護(hù)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，防腐施工要到位，不僅要注意表面（如圖13所示），也要注意視線不易到達(dá)的部位，做到全面保護(hù)。否則，即使其他部位防腐做得很好，結(jié)構(gòu)或設(shè)施也會(huì)因薄弱處首先失效而造成整體失效。

4 結(jié)語

通過大氣腐蝕防護(hù)方法調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人們已經(jīng)掌握了一些基本的大氣腐蝕防護(hù)方法，如選擇耐蝕材料、涂料防腐、包覆防腐等。一些地區(qū)對螺栓防腐這一薄弱環(huán)節(jié)也有一定程度的重視，但還不夠理想。一些腐蝕防護(hù)中的專業(yè)問題沒能注意到，如異種金屬接觸的電偶腐蝕，在腐蝕防護(hù)中還較欠缺系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)。新近研發(fā)的防腐技術(shù)還沒能很好地推廣應(yīng)用，研究與應(yīng)用的聯(lián)系需加強(qiáng)。這可能與新技術(shù)工藝復(fù)雜、不利于施工有關(guān)，也可能在新技術(shù)推廣方面需要加強(qiáng)。不過，研發(fā)新型低成本施工工藝簡單的防護(hù)技術(shù)應(yīng)是大氣腐蝕防護(hù)技術(shù)研發(fā)的方向。