氧化聚合型包覆防腐技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

楊源遠(yuǎn)，孫叢濤，陳明忠，胡勁哲，樊 平，樊 薈

(1.陜西煤炭集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719300;2.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島 266071；3.青島迪特特新材料科技有限公司，山東青島 266109；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010)

神木紅柳林煤礦主廠房主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，由于洗煤廠在運(yùn)行過程中，廠房內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)長時(shí)間接觸煤中腐蝕介質(zhì)，造成廠區(qū)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的銹蝕現(xiàn)象，某些部位甚至形成了重大安全隱患，嚴(yán)重影響洗煤廠的使用安全和壽命。因此，廠房鋼結(jié)構(gòu)的防腐問題已成為洗煤廠安全生產(chǎn)的重要問題[1]。

1 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，神木紅柳林煤礦主廠房鋼結(jié)構(gòu)僅采用了涂料進(jìn)行防腐，但傳統(tǒng)防腐蝕涂料保護(hù)方法對(duì)螺栓、法蘭等形狀不規(guī)則的部位和邊緣部位無法提供足夠的保護(hù)。由于傳統(tǒng)保護(hù)措施的不足，近年來，鋼結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域已經(jīng)嚴(yán)重生銹?，F(xiàn)場(chǎng)主廠房各層主柱H型鋼柱的表面涂層出現(xiàn)大面積起皮、脫落現(xiàn)象，內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，而且個(gè)別輔板已經(jīng)沿全寬度面銹蝕(圖1、圖2)。

圖1 H型鋼結(jié)構(gòu)表面涂層剝落，腐蝕嚴(yán)重

圖2 鋼結(jié)構(gòu)連接部位及螺栓銹蝕嚴(yán)重

2 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕原因

煤中還含有一定量的水，導(dǎo)致洗煤廠車間的濕度大，可達(dá)到70 %以上。洗煤廠分選、脫水和運(yùn)輸設(shè)備的振動(dòng)加劇了鋼結(jié)構(gòu)的損壞[2]。

洗煤廠相對(duì)潮濕，當(dāng)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，吸附在鋼材表面上的水膜非常弱或接近中性。具有較低電極電位的鐵元素易于失去電子并氧化成Fe2+離子，形成陽極。溶解在水膜中的氧主要在陰極中獲得電子?？傠娀瘜W(xué)反應(yīng)公式為2Fe+O2+H2O=2Fe(OH)2。在氧氣和水的連續(xù)作用下，F(xiàn)e(OH)2被氧化成Fe(OH)3并部分脫水和生銹。銹是一種疏松多孔的物質(zhì)，在鋼材的表面處于暴露狀態(tài)，金屬的陽極反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。因此，在介質(zhì)中，不僅H+離子引起金屬腐蝕，而且當(dāng)含有氧時(shí)金屬也會(huì)腐蝕。事實(shí)上，鐵等金屬的腐蝕主要是吸氧腐蝕，影響腐蝕速率的因素包括環(huán)境的溫度和濕度以及大氣中酸性污染物的濃度。

2.1 濕度的影響

確定大氣腐蝕類型和速率的一個(gè)重要要素是濕度。當(dāng)相對(duì)濕度大于60 %，即臨界濕度的時(shí)候，鐵的腐蝕迅速增加。濕度越高，空氣的腐蝕性越大[3]。洗煤廠車間環(huán)境相對(duì)濕度在70 %以上。在鋼結(jié)構(gòu)底層，鋼結(jié)構(gòu)接縫處等易產(chǎn)生粉塵的堆積區(qū)域，很容易形成復(fù)雜的類土腐蝕。

2.2 溫度的影響

由于設(shè)備的發(fā)熱和氣候溫度，選煤廠鋼結(jié)構(gòu)車間的平均溫度在35 ℃以上，溫度升高，反應(yīng)速度增加，腐蝕速度加快。同時(shí)，隨著溫度的上升，蒸汽蒸發(fā)量和濕度增加，腐蝕也會(huì)增加。溫濕度具有協(xié)同作用，兩者共同加速腐蝕[4]。

2.3 酸性氣體的影響

由于煤中所含的諸如硫和磷之類的元素組成的化合物具有很強(qiáng)的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕性質(zhì)，能夠形成多種有毒有害氣體，在洗煤廠的廠房內(nèi)部工業(yè)污染等影響導(dǎo)致大氣中酸性氣體濃度較高，例如：二氧化硫、二氧化碳、一氧化氮、氯化氫等易于與空氣中的水分融合形成酸性氣體，在這種酸性氣體中的構(gòu)筑物腐蝕加劇。

3 傳統(tǒng)腐蝕防護(hù)的措施

3.1 耐候鋼

耐腐蝕性比一般結(jié)構(gòu)鋼更好的鋼材稱為耐候鋼，通常含有磷、銅、鎳、鉻和鈦等金屬。金屬表面形成保護(hù)層以改善耐腐蝕性。其低溫沖擊韌性也優(yōu)于一般結(jié)構(gòu)鋼，但價(jià)格高[5]。

3.2 熱浸鋅

熱浸鍍鋅工藝是將除銹鋼構(gòu)件浸入鋅液中，該鋅液在約600 ℃的高溫下熔化，將鋅層凝固硬化在鋼構(gòu)件的表面上，從而防止腐蝕[6]。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是耐久性高，工業(yè)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。因此，廣泛用于經(jīng)受嚴(yán)重腐蝕并且難以修復(fù)的戶外鋼結(jié)構(gòu)，如輸電塔、通訊塔等[7]。近年來，輕鋼結(jié)構(gòu)中的擠壓鋼型材也普遍用熱浸鍍鋅作腐蝕防護(hù)。熱浸鍍鋅先用酸處理表面，然后清洗、鍍鋅。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者，應(yīng)避免設(shè)計(jì)具有貼合面的部件，以避免連接面間隙中的酸洗不徹底或清洗不干凈，造成鍍鋅表面流黃水的現(xiàn)象。熱浸鋅是在高溫下進(jìn)行的，對(duì)于管狀構(gòu)件，應(yīng)打開兩端管口使鋅液進(jìn)入內(nèi)壁。

3.3 熱噴鋁(鋅)復(fù)合涂層

熱噴鋁(鋅)復(fù)合涂層是一種較持久的防腐方法，與熱浸鋅的防腐效果相似。具體方法是對(duì)鋼構(gòu)件表面進(jìn)行噴砂除銹，使表面露出金屬光澤并粗糙化。然后將連續(xù)的鋁(鋅)絲用乙炔 - 氧氣火焰熔化，并用壓縮空氣吹到鋼構(gòu)件的表面，形成蜂窩狀鋁(鋅)噴涂層。最后，用諸如環(huán)氧樹脂或氯丁橡膠涂料的涂層填補(bǔ)孔洞以形成復(fù)合涂層。該方法不能應(yīng)用于管狀構(gòu)件的內(nèi)壁，因此管狀構(gòu)件的兩端必須密封，使得內(nèi)壁不會(huì)腐蝕。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于它高度適應(yīng)組件的尺寸，并且組件的形狀和尺寸幾乎是沒有限制的。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該過程的熱效應(yīng)局部受到約束，不會(huì)發(fā)生熱變形。與熱浸鋅相比，這種方法工業(yè)化程度較低，且受施工者的技術(shù)影響較大[8]。

3.4 凃?qū)?/h3>

涂層的耐腐蝕性通常低于長效防腐方法，因此室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)和許多易于維護(hù)的戶外鋼結(jié)構(gòu)會(huì)采用該方法。它一次成本低，但在室外使用時(shí)需要經(jīng)常維護(hù)，所以使用成本較高。

優(yōu)質(zhì)的涂層依賴于徹底地除銹。因此，通過噴砂除銹是較好的除銹方法，可以露出金屬的光澤，除去所有的銹和油，現(xiàn)場(chǎng)施加的涂層也可以手動(dòng)除銹。涂層的選擇要考慮周圍的環(huán)境，涂層一般有底漆和面漆之分。底漆含粉料多，基料少。成膜粗糙，與鋼的附著力強(qiáng)，表面貼合性良好[9]。面漆有許多基材，薄膜有光澤，可以保護(hù)底部免受大氣腐蝕和抵抗風(fēng)化。不同的涂料之間存在兼容性問題，在選擇不同涂層前應(yīng)注意兼容性。涂層的施工要有適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸?。涂漆? h內(nèi)應(yīng)防雨，涂層一般需要刷4～5次。

3.5 陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)方法是通過在鋼結(jié)構(gòu)表面添加更活潑的金屬來保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。常用于水下或地下結(jié)構(gòu)。陰極保護(hù)技術(shù)是基于腐蝕性微電池的原理，人為地增加被保護(hù)材料的防腐能力，達(dá)到保護(hù)的目的。陰極保護(hù)措施一般適用于水下部件，對(duì)水位波動(dòng)區(qū)域也有一定的保護(hù)作用。犧牲陽極的陰極保護(hù)方法和外加電流陰極保護(hù)方法是陰極保護(hù)法的兩種形式。犧牲陽極的陰極保護(hù)方法適用于海水環(huán)境，不適用于淡水和土壤等高阻介質(zhì)環(huán)境;外加電流陰極保護(hù)方法應(yīng)用范圍較廣，例如海水、淡水和土壤[10]。

4 氧化聚合型包覆防腐技術(shù)概述

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況，該廠鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕影響了選煤廠的正常生產(chǎn)和安全運(yùn)行。然而，以上傳統(tǒng)的防護(hù)方法難以對(duì)這些關(guān)鍵部位進(jìn)行充分防護(hù)，例如涂層技術(shù)在具體操作中，對(duì)施工表面和施工環(huán)境的預(yù)處理要求較高，必須除去原有的涂層和銹層，而現(xiàn)場(chǎng)條件難以滿足涂裝條件，因此二次保護(hù)效果不理想。該廠鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕保護(hù)迫在眉睫，從長遠(yuǎn)來看，必須采用長期的防腐技術(shù)。氧化聚合型涂層防腐技術(shù)是一種優(yōu)良的長期防腐技術(shù)，適用于大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)[11]。

氧化聚合型包覆防腐系統(tǒng)包括3層結(jié)構(gòu)：防腐蝕膏、防腐蝕膠帶、外用保護(hù)劑。

氧化聚合型包覆技術(shù)中最重要的材料是位于氧化聚合型涂覆技術(shù)最內(nèi)層的防腐蝕膏，其與受保護(hù)的金屬基底直接接觸。鋼結(jié)構(gòu)表面上未處理的銹可以通過其中所含的特殊組分轉(zhuǎn)化為黑色氧化亞鐵膜，從而形成保護(hù)性密封層。防止鋼材繼續(xù)氧化和生銹，起到除銹和防銹的雙重作用[12]。

將特制的防腐蝕材料浸漬到纖維無紡布中，形成柔軟的防腐蝕帶，可以粘貼在各種形狀的結(jié)構(gòu)表面。施工后，防腐蝕帶的外表面通過氧化聚合變干，靠近鋼結(jié)構(gòu)的一側(cè)始終保持柔軟，從而達(dá)到最佳的防腐蝕性能。采用特殊防腐蝕材料浸漬的無紡布具有良好的密封性能，可以將金屬表面與水分，鹽分和空氣等腐蝕因素隔離，達(dá)到最佳的防護(hù)性能[13]。此外，氧化聚合防腐蝕帶還具有出色的阻燃性和耐候性。外保護(hù)劑是施加到防腐蝕帶表面的可固化保護(hù)材料。與空氣接觸后，它迅速氧化并聚合成帶有韌性的皮膜。它具有耐候性和密封性，有效防止紫外線輻射老化和腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入，形成完整的保護(hù)膜。

5 施工工藝

5.1 表面處理

為了確保防腐蝕膏與鋼結(jié)構(gòu)表面的完全結(jié)合，以達(dá)到最好的保護(hù)效果，鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行表面處理。施工區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的表面處理主要是手工除銹，輔以機(jī)械除銹。表面處理主要是除銹，可以保留粘附的原有固體涂層[12](圖3)。

圖3 廠房鋼結(jié)構(gòu)防腐施工工藝

手工除銹時(shí)，如果銹層很薄，可以用鋼絲刷清洗，然后用砂紙打磨。如果銹層較厚，應(yīng)用刀片進(jìn)行除銹，然后重復(fù)上述操作，最后用刷子除去銹跡。如果表面銹層非常厚，可以使用噴砂除去浮銹，使鋼結(jié)構(gòu)的表面光潔度達(dá)到要求。

5.2 涂抹防腐蝕膏

將防腐蝕膏人工涂在防腐部件上，使防腐蝕膏均勻涂布在鋼結(jié)構(gòu)表面。鋼結(jié)構(gòu)表面上的凹坑和裂縫填充有防腐蝕膏。應(yīng)在突出部分表面加涂一層防腐蝕膏，形成完整的保護(hù)膜[14]。

5.3 包防腐蝕帶

將防腐蝕帶螺旋纏繞或連續(xù)粘貼，每層依次重疊50 %，確保每處防腐蝕膠帶有兩層。垂直結(jié)構(gòu)通常從底部到頂部進(jìn)行。對(duì)于水平圓周，可以沿圓周方向依次粘貼。然后，沿著防腐帶的纏繞方向用手壓平防腐蝕帶，并擠出內(nèi)部空氣，使得兩層防腐蝕帶和重疊部分完全粘在一起。它具有良好的柔韌性，適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。為了將防腐蝕帶與鋼結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合而不留下氣泡，應(yīng)將防腐蝕帶切割并平滑幾次，以確保防腐帶能夠充分粘附在鋼結(jié)構(gòu)表面上[12]。

5.4 涂刷外防護(hù)劑

使用前應(yīng)充分混合外部保護(hù)劑。用刷子或滾筒涂抹少量外用保護(hù)劑，均勻涂刷在防腐蝕膠帶表面。手指觸摸確認(rèn)干燥后，再次涂刷。外部保護(hù)劑在與空氣接觸后被氧化和聚合形成堅(jiān)韌的皮膜，并具有耐候性和密封性。OTC系統(tǒng)在95 ℃以上高溫下仍能保持良好的粘接和密封狀態(tài)，不滲油，具有優(yōu)異的防火性能，符合防火和阻燃標(biāo)準(zhǔn)。

5.5 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

在防腐蝕施工過程中，應(yīng)檢查鋼結(jié)構(gòu)的表面預(yù)處理質(zhì)量，并實(shí)施防腐蝕施工工藝規(guī)則。正確選擇合適的測(cè)試方法，嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)和涂漆產(chǎn)品的驗(yàn)收。檢測(cè)項(xiàng)目主要分為表面檢查、厚度和電火花泄漏檢測(cè)。表面檢查防腐涂層應(yīng)光滑、重疊均勻、無氣泡、無皺折、無損傷。用測(cè)厚儀測(cè)得的防護(hù)涂層厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，并沿四個(gè)點(diǎn)的圓周均勻分布，檢測(cè)探頭的移動(dòng)速度不超過0.3 m/s。

6 結(jié)束語

神木紅柳林煤礦主廠房鋼結(jié)構(gòu)采用氧化聚合型涂層防腐技術(shù)涂覆防腐涂層。該技術(shù)表面處理簡單，易操作，可靠性好，保護(hù)周期長；沒有高溫作業(yè)，無毒無污染。

防腐蝕膏和防腐蝕膠帶可有效隔絕腐蝕性介質(zhì)的腐蝕和腐蝕，具有優(yōu)異的長期耐腐蝕性。防腐蝕膠帶和外保護(hù)劑具有持久的抗光、抗老化和不燃性，為鋼結(jié)構(gòu)提供長期有效的防腐蝕保護(hù)，延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命;有效控制腐蝕，節(jié)省維修保養(yǎng)費(fèi)用，確保了神木紅柳林煤礦安全生產(chǎn)。