鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕及防腐措施的研究

張恩旺，潘金龍，梁鴻宇，奚星語(yǔ)

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211200）

鋼結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，常應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)等。由于使用環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)會(huì)造成不同程度的腐蝕，特別是海洋環(huán)境、酸性環(huán)境、干濕交替環(huán)境等。鋼結(jié)構(gòu)受到腐蝕后其力學(xué)性能會(huì)大大降低，進(jìn)而縮短鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低工程的安全性，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，世界每年因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)腐蝕而造成的損失約占國(guó)民生產(chǎn)總量的3%～4%[1]。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和防腐措施的研究具有重要意義。本文通過(guò)研究鋼結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)腐蝕種類，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)工程中鋼結(jié)構(gòu)的使用與維護(hù)提供思路。

1 鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕種類

根據(jù)外界環(huán)境的不同，鋼結(jié)構(gòu)主要受到大氣環(huán)境腐蝕、化學(xué)介質(zhì)腐蝕、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部腐蝕及應(yīng)力損失腐蝕幾種類型。

1.1 大氣腐蝕

在工程使用中，鋼結(jié)構(gòu)大多處在大氣環(huán)境下，因而大氣環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成的腐蝕情況最普遍，由于大氣腐蝕而造成的損失也最多[2]。大氣環(huán)境中，與空氣中，鋼結(jié)構(gòu)與大氣中的O2、H2O等物質(zhì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。鋼結(jié)構(gòu)受大氣腐蝕的程度受到溫度、濕度、大氣污染物等環(huán)境因子的影響。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)表面液膜厚度不同，大氣腐蝕分為干的大氣腐蝕、潮的大氣腐蝕及濕的大氣腐蝕。干的大氣腐蝕指鋼結(jié)構(gòu)表面基本沒(méi)有水分子膜，無(wú)法形成連續(xù)的電解質(zhì)水層，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速率非常緩慢，這種環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的破壞較小[3]。潮的大氣腐蝕指鋼結(jié)構(gòu)表面覆蓋了一定厚度的水分子膜，形成了連續(xù)的電解質(zhì)水層，從而造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，使鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速率大大加快。例如鐵受潮生銹，這種腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)受到大氣腐蝕的主要形式。濕的大氣腐蝕指鋼結(jié)構(gòu)與水直接接觸，表面覆蓋了一層較厚的水分子膜，使氧氣與鋼結(jié)構(gòu)難于接觸，使腐蝕速率迅速降低，這種環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕同樣較小。當(dāng)大氣中的CO2、SO2等腐蝕性介質(zhì)溶于水膜中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)腐蝕更加嚴(yán)重[4]。

1.2 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕是指鋼結(jié)構(gòu)和外界介質(zhì)接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成結(jié)構(gòu)破壞的腐蝕。根據(jù)外界接觸環(huán)境不同，鋼結(jié)構(gòu)化學(xué)腐蝕分為高溫氣體腐蝕和氫腐蝕。高溫氣體腐蝕指在高溫條件下的鋼結(jié)構(gòu)和空氣中的氧氣、水、二氧化碳、硫介質(zhì)等發(fā)生高溫氧化、脫碳、硫化等反應(yīng)，造成鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能下降，影響工程結(jié)構(gòu)的使用。相對(duì)于高溫氣體腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生氫腐蝕對(duì)環(huán)境的要求比較高。氫腐蝕要求外界環(huán)境溫度一般要高于232℃，氫分壓大于0.7MPa，使環(huán)境中的氫原子能夠與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而讓鋼結(jié)構(gòu)中的碳脫離，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度造成永久的損壞，使鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和塑性大幅度下降[5]。工程中氫腐蝕一般發(fā)生在石油加氫、裂解等鋼制裝置中。

1.3 局部腐蝕

局部腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)比較常見(jiàn)的一類腐蝕類型，主要分為電偶腐蝕和縫隙腐蝕這兩種形式。電偶腐蝕指的是在鋼結(jié)構(gòu)中異種金屬表面互相碰觸，由于不同種類的金屬逸出功具有一定的差異，導(dǎo)致接觸面上電子分布不均勻，形成了電位差的腐蝕。電位差越大，電偶腐蝕效果越明顯?？p隙腐蝕指的是由于鋼結(jié)構(gòu)表面存在許多細(xì)小的縫隙（縫隙寬度通常為0.025mm～0.1mm），外界介質(zhì)如水等流入縫隙未及時(shí)流出，導(dǎo)致縫隙內(nèi)外電子濃度差異，形成電位差，從而造成鋼結(jié)構(gòu)局部腐蝕，局部腐蝕的面積會(huì)隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越大，最終使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。工程結(jié)構(gòu)中鉚接處、襯墊下及顆粒沉淀處是鋼結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生縫隙腐蝕的地方。

1.4 應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中，總會(huì)收到不同荷載作用，進(jìn)而在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，在外部環(huán)境與應(yīng)力耦合作用下，引起鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短，應(yīng)力作用越大，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速率越快[6]。在鋼結(jié)構(gòu)中由于應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致的斷裂稱為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC斷裂），SCC斷裂是危害性極大、隱蔽性極強(qiáng)的一種腐蝕失效形式，由于這種斷裂沒(méi)有明顯的征兆，所以往往會(huì)造成非常嚴(yán)重的事故，在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)引起重視。

2 鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕措施

腐蝕不僅會(huì)降低鋼結(jié)構(gòu)的性能，還對(duì)鋼結(jié)構(gòu)保持其整體性和安全性產(chǎn)生不利影響，因此做好相應(yīng)的防腐措施就顯得尤為重要。針對(duì)以上所述鋼結(jié)構(gòu)腐蝕種類，可以從使用耐候鋼、熱浸鍍鋅、熱噴鋁復(fù)合涂層、噴油漆等方面入手。

2.1 使用耐候鋼

耐候鋼是指通過(guò)向普通碳素鋼中加入Cu、Cr、P等耐腐蝕元素而形成的一種低碳合金鋼。與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，耐候鋼的抗腐蝕能力為其2～8倍，并且耐候鋼使用壽命可達(dá)80年[7]。耐候鋼之所以具有良好的抗腐蝕能力，是因?yàn)槠浔砻嬗幸粚又旅艿难趸锬?，阻止了空氣中的O2，H2O等物質(zhì)對(duì)鋼的滲入，提高了其抵抗大氣腐蝕的能力，因此耐候鋼又被稱為耐大氣腐蝕鋼。在工程結(jié)構(gòu)中，耐候鋼還具有高耐火性、減薄降耗、節(jié)能省工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到橋梁、海港建筑、鐵道車(chē)輛、石油井架等長(zhǎng)時(shí)間處于大氣環(huán)境下的建筑。但是，耐候鋼往往需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能形成穩(wěn)定的保護(hù)層，在此期間會(huì)出現(xiàn)銹液流掛等現(xiàn)象，造成環(huán)境污染。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)研究，提出了以水為溶劑、可溶性鹽為溶質(zhì)的環(huán)保型耐候鋼表面銹層穩(wěn)定化處理技術(shù)，并探討了表面處理溶液對(duì)耐候鋼銹層穩(wěn)定化進(jìn)程的作用機(jī)理[8]。

2.2 熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅是指將鋼結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在600℃左右的鋅液中，使鋼結(jié)構(gòu)表面形成熱浸鋅保護(hù)層。熱浸鍍鋅層厚度是評(píng)價(jià)熱鍍鋅產(chǎn)品防腐性能的重要指標(biāo)[9]。一般環(huán)境中，熱浸鍍鋅的保護(hù)期在25年到50年之間，當(dāng)鍍鋅量為600g/㎡時(shí)，防腐期限可以超過(guò)50年，目前已知的熱浸鍍鋅體系最長(zhǎng)保護(hù)期限為110年[10]。熱浸鍍鋅不僅防腐期限長(zhǎng)，而且工業(yè)化程度高，綠色無(wú)害，常用于維護(hù)相對(duì)困難的鋼結(jié)構(gòu)工程中。所以，該防腐措施被廣泛運(yùn)用于通訊塔，輸電塔等領(lǐng)域。但是，熱浸鍍鋅處理也有明顯的缺點(diǎn)，即受鍍鋅槽的限制，導(dǎo)致只有尺寸規(guī)格較小的鋼構(gòu)件才可以鍍鋅作業(yè)，而且當(dāng)鍍層被碰掉后，無(wú)法自行修復(fù)。熱浸鍍鋅防腐工藝一般適用于小型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防腐。

2.3 熱噴鋁復(fù)合涂層

熱噴鋁復(fù)合涂層具有很好的防腐效果，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間作用。通過(guò)將鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴砂除銹、打毛霧化、噴涂鋁液等處理，使其表面形成復(fù)合涂層，進(jìn)而讓基體與腐蝕性介質(zhì)隔離，從而增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力。熱噴鋁復(fù)合涂層不受鋼結(jié)構(gòu)尺寸的影響，幾乎可以對(duì)任何形狀的尺寸的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理。但是，噴涂施工只能由人工處理，所以工作程度較重，嚴(yán)重制約了加工工期，而且防腐效果也會(huì)受?chē)婁X質(zhì)量的直接影響。為了提高整體熱噴鋁質(zhì)量，徐軍等從工人、設(shè)備等方面提出了相應(yīng)的解決措施，使熱噴鋁防腐技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展[11]。

2.4 噴油漆防腐

由于油漆防腐具有原料價(jià)格低廉、外表美觀，工藝簡(jiǎn)單，具有良好防腐效果等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。噴油漆防腐技術(shù)首先在噴涂之前進(jìn)行除銹處理，對(duì)于一些防腐要求較高的鋼結(jié)構(gòu)要處理到表面露出金屬光澤為止，然后根據(jù)工程環(huán)境和工程要求選擇噴涂的底漆、中間漆和面漆，最后均勻地將油漆噴涂到鋼結(jié)構(gòu)的表面，防止因油漆噴涂不均勻而造成鋼結(jié)構(gòu)局部的腐蝕[12]。但是油漆長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境中，其對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)作用也會(huì)逐漸減弱。因此，對(duì)于油漆防腐需要根據(jù)實(shí)際情況，定期檢查與維護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，隨鋼結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，做好防腐方面的工作不僅可以使鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命增加，還可以提高工程的整體安全性。通過(guò)使用耐候鋼、熱浸鍍鋅、熱噴鋁復(fù)合涂層等工藝，可以對(duì)常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕起到良好的防腐效果。隨著鋼結(jié)構(gòu)使用環(huán)境越來(lái)越趨于復(fù)雜化，目前防腐技術(shù)仍存在著許多的不足，仍需加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防腐方面的研究，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展。