沿海建筑鋼結構防腐技術分析

田宇嘯

（中鐵城建集團第一工程有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

由于沿海地區(qū)周圍環(huán)境中氯離子含量高，沿海建筑中鋼結構受腐蝕介質的影響，會出現不同形式的腐蝕破壞問題。對于采用建筑碳素鋼制造的鋼結構，在氯離子作用下會發(fā)生加速銹蝕現象、最終導致鋼結構的穿孔、開裂等現象[1]。銹蝕對鋼結構的耐久使用造成了極大的影響，縮短了建筑的使用壽命，也存在嚴重的安全隱患[2]。中鐵城建集團在海南三亞承建了國際游艇薈項目，項目位于臨海區(qū)域，其建筑鋼結構防腐問題突出。因此，本文主要討論海南沿海高鹽大氣環(huán)境中建筑鋼結構的腐蝕與防護問題，對于水上建筑鋼結構不在本文討論范圍之內。

建筑鋼結構的大氣腐蝕與環(huán)境密切相關，根據環(huán)境溫度和濕度可確定某地區(qū)所處的氣候帶和氣候區(qū)。我國大氣環(huán)境的氣候帶分為熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶。氣候區(qū)可劃分為濕熱區(qū)、亞濕區(qū)、亞干燥區(qū)和干燥區(qū)等。南海沿海地區(qū)存在高溫、高濕、高鹽霧、強輻射、風力大等特點[3]，屬于典型的熱帶濕熱區(qū)，相對濕度常年在80%以上。研究表明，按照GB/T 19292.1-2018《金屬和合金的腐蝕》的分類，我國三亞沿海地區(qū)的腐蝕級別可達C4（高）～C5（很高）級[4]。同時，高濕、強輻射也加速了腐蝕過程，強風天氣會造成腐蝕鋼結構的斷裂破壞。

在海南沿海氣氛中，鋼結構表面在高熱高濕環(huán)境下受氯離子腐蝕時，帶有銹層的鋼結構將加速其自身的腐蝕。因此，我國南海沿海地區(qū)的建筑鋼結構防腐問題引起了重點關注。國內外的沿海建筑實踐表明，只有從材料組成、結構設計、加工工藝、防腐技術等各環(huán)節(jié)考慮鋼結構的耐久性，才能保證建筑的安全性和降低維護成本[5]。本論文將就相關問題進行詳細分析。

1 沿海建筑鋼結構的腐蝕形式

建筑結構用鋼材基本采用低碳鋼及低合金鋼（Q235、Q345），此類鋼材耐腐蝕性和耐銹蝕性較差，特別是在海南沿海地區(qū)，由于常年受到海風、鹽霧多重侵蝕，建筑物、設備、鋼結構等表面吸附大量鹽分，在冷暖、陰晴交替下，構件腐蝕情況更加嚴重，危及建筑物及設備的安全運行。沿海建筑鋼結構常見的腐蝕形式主要包括：

（1）均勻腐蝕。金屬材料在腐蝕介質作用下，發(fā)生均勻減薄的腐蝕現象，也稱為全面腐蝕，這是沿海建筑鋼結構最常見的一種腐蝕形式?？梢圆捎名}霧試驗、濕熱試驗及其組合試驗對均勻腐蝕性能進行評價。在西沙永興島的戶外暴露試驗表明，其腐蝕速率可以高達0.1264mm/a[6]，其腐蝕速率是其它地區(qū)的數倍；

（2）點蝕。點蝕又稱為孔蝕，是在金屬表面小區(qū)域發(fā)生的選擇性腐蝕，并深入到金屬內部，一般用點蝕系數表示點蝕嚴重程度。點蝕具有特殊的動力學過程，除了碳鋼外，不銹鋼也易于發(fā)生點蝕。由于點蝕只在局部區(qū)域發(fā)生，向縱深處發(fā)展成腐蝕小孔，孔內溶解速度大，表面不易被發(fā)現，沒有明顯的失重現象。同時，點蝕的萌生到擴展之前孕育期長，長達幾個月到多年，往往被忽視。因此，點蝕是一種隱患較大的腐蝕形態(tài)，對沿海建筑鋼結構腐蝕破壞造成較大影響；

（3）縫隙腐蝕。當金屬部件之間或者金屬與非金屬之間存在特別小的縫隙時，腐蝕介質將滲透并滯留在縫隙中，形成對內金屬的加速腐蝕過程，稱之為縫隙腐蝕，是一種嚴重的局部腐蝕形式。在含氯的介質中會發(fā)生明顯縫隙腐蝕，當氯離子含量大于0.1%時就會引起縫隙腐蝕。如： 國際游艇薈項目屋頂鋼結構的緊固件縫隙中，由于腐蝕液體沉積，造成金屬離子和腐蝕介質在縫隙內外液體中濃度不均勻，存在電位差并產生電化學腐蝕，會形成加速腐蝕過程；

（4）應力腐蝕。應力腐蝕是一種在殘余應力或者工作應力作用下，特定腐蝕介質與應力共同作用形成的一種加速腐蝕過程。金屬應力腐蝕速度與合金的成分、組織、應力狀態(tài)等因素相關。因此，材料敏感性、特定腐蝕介質、應力被稱為應力腐蝕的三要素，存在應力門檻值。應力腐蝕是一種加速腐蝕過程，其裂紋從萌生到擴展的速度較快，裂紋擴展速度可達10-6～10-3mm/min，是均勻腐蝕的100萬倍；其造成的破壞非常大，是一種“災難性腐蝕”；

（5）腐蝕疲勞。如果作用于鋼結構上的應力為交變載荷，在腐蝕介質的作用下會引起抗疲勞性能的降低，這種在交變應力與腐蝕介質共同作用下的腐蝕過程稱為腐蝕疲勞。腐蝕疲勞也需要應力與腐蝕介質的協(xié)同作用才能發(fā)生，這一點與應力腐蝕相同。但對應力腐蝕敏感或不敏感的材料都可能發(fā)生腐蝕疲勞，腐蝕疲勞最后斷裂階段是純機械性的，與介質無關。

從腐蝕機理上分析，沿海建筑鋼結構腐蝕主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕。上述腐蝕形式既可能是化學腐蝕，也可能由電化學腐蝕產生?；瘜W腐蝕是金屬與腐蝕性介質發(fā)生化學反應所引起的腐蝕。電化學腐蝕是在電解介質溶液中發(fā)生的腐蝕，在腐蝕過程中有電流生產，沿海建筑鋼結構的電化學腐蝕破壞較嚴重。

2 沿海建筑鋼結構的設計與選材

2.1 沿海建筑鋼結構的設計

針對沿海建筑鋼結構的加速腐蝕特點，結合國際游艇薈項目屋頂鋼結構的設計要求，既要滿足基本的腐蝕設計規(guī)程，又要針對其特點進行結構設計，主要包括以下方面：

（1）合理選擇腐蝕裕量

按照《建筑鋼結構防腐蝕技術規(guī)程》的要求[7]，需要根據環(huán)境腐蝕等級進行必要的腐蝕裕量計算，考慮服役期內可能產生的腐蝕損耗，適當增加鋼結構的厚度。對于環(huán)境腐蝕性等級大于Ⅳ級且使用期間不能重新涂裝的鋼結構，其結構設計應留有適當的腐蝕裕量。但在鋼結構構件預留腐蝕裕量時要慎重，要從使用環(huán)境、服役年限、涂裝條件等各方面綜合考慮；預留腐蝕余量不僅增加鋼結構的生產和制造成本，而且鋼結構加厚會帶來應力集中、焊接缺陷等問題。因此，本項目不額外預留腐蝕裕量；

（2）改善結構設計、防止腐蝕液體聚集

沿海地區(qū)多雨潮濕，如果建筑鋼結構設計不合理，會造成高鹽腐蝕液體的局部聚集，加速各種腐蝕過程。例如：為了防止縫隙腐蝕，在結構設計中應避免產生縫隙而形成液體表面沉積條件。因此，國際游艇薈項目在鋼結構時要考慮以下因素：（a）建筑鋼結構應采用實腹式、端部封閉的閉口截面，防止雨水聚集；（b）網架結構宜采用管形桿件、球形節(jié)點，避免采用角鋼桿件、鋼板節(jié)點；（c）設計排水孔防止腐蝕液體局部聚集；（d）工程中鋼結構的結合處預留小坡度，避免腐蝕液體聚集或滲入對鋼材進一步腐蝕；（e）焊接比鉚接或螺栓連接要好，可有效減少縫隙腐蝕；（f）鋼構件焊縫的焊趾和焊根處要保證平滑過渡，既減少應力又防止焊縫處吸潮和聚集雨水；

（3）減少結構應力

建筑鋼結構的應力腐蝕破壞是一種加速破壞形式，在沿海建筑鋼結構設計中要給予重視。有效減少鋼結構的應力可大幅減少應力腐蝕的破壞速度。結合國際游艇薈項目屋頂鋼結構，其應力有工作應力和附加應力（殘余應力）兩種。

（a）由于結構自重、承載引起的應力

減少承載應力需要在結構設計上進行優(yōu)化。如：屋頂結構采用BIM技術提供鋼結構受力分析的計算模型，對整體鋼結構以及節(jié)點、承載單元進行有限元模擬，分析工作應力分布情況；對鋼結構受力危險點進行校核，并通過結構優(yōu)化減少工作應力和應力集中系數，提高鋼結構承載能力；

（b）由裝配、焊接帶來的附加應力

建筑鋼結構大量采用裝配和焊接工藝，產生變形和尺寸偏差，在裝配過程中引起較大的附加應力。因此，要通過提高裝配精度、優(yōu)化焊接工藝來控制附加應力。采用的工藝措施主要包括：①嚴格控制工藝，保證組裝部件的精度，如：網架結構焊接時要防止焊接變形超差；②不得采用強行裝配形式組裝構件；③不得隨意增大構件和焊縫的厚度，焊縫數量要少且不宜集中，避免交叉焊縫；

（4）焊接結構的優(yōu)化

屋頂鋼結構焊縫連接處往往會先于母材發(fā)生腐蝕，這與焊縫的熱過程有關，焊縫組織、成形質量、缺陷都會對腐蝕破壞造成較大影響。目前，我國主要針對鋼結構在均勻腐蝕情況下的設計給出了相應標準，而對于焊縫結構的優(yōu)化未做明確規(guī)定。本項目采取的主要措施包括但不局限于：（a）合理選擇焊接參數，不使用過大焊接線能量；（b）優(yōu)化焊接接頭形式，減少應力集中；（c）提高焊接質量，防止缺陷產生。

2.2 沿海建筑鋼結構的選材

（1）鋼結構材料的選擇

為了進一步提高沿海建筑鋼結構的防腐性能，需要選擇抗腐蝕性較強的鋼材，其中耐候鋼是最為常見的抗腐蝕鋼材[8]。耐候鋼通過添加合金元素（P，Cu，Ni，Cr 等）在鋼材表層形成保護膜，有效減少鋼材與外部介質反應，阻絕外界空氣、水分對鋼材的侵蝕。國際上采用耐大氣腐蝕性指標（I）來衡量其耐蝕能力，主要與合金元素含量有關。

我國的耐候鋼有高耐候鋼和焊接耐候鋼兩大類。耐候鋼在使用周期內免涂裝，只有發(fā)生嚴重腐蝕產生剝離時才需維護，適合沿海鋼結構的制造。實驗表明，在腐蝕環(huán)境較惡劣的海南萬寧站，耐候鋼 09CuPCrNi預測在50年后的腐蝕深度僅為0.3mm。一些不銹鋼材料也被用于沿海建筑鋼結構的制造，來提高防腐性能，但其防腐性能與介質有較大關系，而且使用成本較高。

除此之外，建筑鋼結構在制造、裝配中使用的焊條、螺栓、墊圈、節(jié)點板等連接部件和材料，也要具有良好的耐蝕性能，一般情況下不應低于鋼結構主體材料的耐蝕性能。

在上述鋼結構材料的選擇中，一定要綜合防腐材料實效性及經濟性。在保證材料自身防腐性能的基礎上，選擇價格較低的防腐材料。一般情況下，在建筑的局部重要結構和重腐蝕條件下，可以選擇具有良好耐腐蝕性能的鋼結構材料，注重長效成本，保證建筑工程的經濟效益及安全效益最優(yōu)化；

（2）鋼結構防腐材料的選擇

鋼結構防腐材料的選擇也是非常重要的。國際上通常采用ISO12944《防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護》[1]，從腐蝕環(huán)境分類、設計、金屬表面處理、油漆分類、試驗性能、涂裝等方面為防腐材料的選擇和施工提出指導意見。國內也建立了對應的標準體系，如： GB 50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》、JGJ/T 251-2011《建筑鋼結構防腐蝕技術規(guī)程》等。由于不同防腐涂料的大氣耐候性存在差別，所以沿海鋼結構防腐涂裝材料的選擇至關重要。通過在涂料里添加鋅粉、鋁粉并增加膜厚，或者采用氟碳漆等新材料，可以明顯提高沿海鋼結構的壽命。

3 沿海建筑鋼結構的腐蝕防護技術

沿海建筑鋼結構的使用環(huán)境對腐蝕防護技術提出了較高要求，目前主要的防腐技術包括：防腐涂裝工藝、陰極保護法、熱噴涂鋁復合涂層、金屬熱擴滲等。

3.1 防腐涂裝工藝

防腐涂裝工藝主要通過在鋼結構表面涂裝物理隔離層，防止腐蝕介質與鋼結構金屬發(fā)生接觸，起到腐蝕防護作用，涂裝前鋼結構的表面質量會影響防腐涂層的使用壽命，可通過手工除銹、動力工具除銹、噴射除銹和化學除銹等方法提高表面質量。目前主要的防腐涂裝材料和工藝包括：

（1）環(huán)氧類防腐涂料。以環(huán)氧樹脂為基，加入各種填充涂料、添加劑、助劑和改性劑等，改良環(huán)氧涂料的性質，提高附著力、耐蝕性、耐滲透性，滿足海洋建筑的防腐要求；

（2）石墨烯防腐涂料。主要采用復合石墨烯涂料，改良純石墨烯的防腐特性，能較好適應目前海洋鋼結構防腐蝕環(huán)境；

（3）玻璃鱗片涂料。以樹脂為成膜材料填充玻璃鱗片，耐蝕性、耐候性、抗?jié)B性好；

（4）富鋅防腐蝕涂料。以環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂為基添加鋅粉作為填充物，耐蝕性、附著力優(yōu)異，廣泛應用在橋梁、船舶以及大型的沿海鋼結構設備上。

建筑鋼結構防腐蝕涂裝層的厚度應根據防護層使用年限、構件所處環(huán)境的腐蝕性等級確定。顯而易見，需要的防護年限越長，防護層就要越厚；所處環(huán)境腐蝕性等級越高，防腐層也要加厚。

3.2 陰極保護法

陰極保護法通過保護陽極材料的優(yōu)先腐蝕，從而有效地防止沿海建筑鋼結構本體的腐蝕，是一種有效的防腐措施。目前，陰極保護技術主要用于海水全浸區(qū)鋼結構的防腐，包括鎂陽極、鋅陽極和鋁陽極等，所以本文不重點介紹。

3.3 熱噴涂鋁復合涂層

熱噴涂技術是較成熟的表面防腐技術。主要通過超音速火焰、電弧、等離子體等熱源將防護金屬（如鋁）融化成細小的液態(tài)顆粒，高速沉積到鋼結構表面上，形成防腐涂層。鋁基涂層具有良好的耐海水腐蝕性能，被廣泛應用于沿海建筑鋼結構的防腐。為了進一步提高防腐涂層的致密性，有機介質封孔技術被聯合使用來進一步提高涂層的防腐性能。熱噴涂的后期維護主要為定期檢查，通過外觀檢查鋼結構表面的剝落、開裂、裂縫等，如有問題可進行適當維護。使用表明，熱噴涂防腐年限可達30 年以上無需較多保養(yǎng)。

3.4 金屬熱擴滲防腐技術

針對沿海地區(qū)高腐蝕環(huán)境，對鋼結構件進行金屬熱擴滲處理，可以起到長效防腐。研究表明，熱擴滲方式制備的鋅鎳滲層不僅有優(yōu)良的防腐性能，還不降低材料力學性能，具有良好的抗沖擊性能，保證與混凝土結合的握裹強度。與傳統(tǒng)的熱浸鋅技術相比，多元金屬熱擴滲技術在沿海地區(qū)實際服役效果表明，多元金屬熱擴滲-鋅鎳滲層有優(yōu)于其他表面防護技術的防腐性能[9]。

4 結語

綜上所述，針對海南高濕高熱環(huán)境下沿海建筑鋼結構的腐蝕防護問題，本文結合三亞國際游艇薈項目屋頂鋼結構施工，分析了沿海建筑鋼結構的腐蝕形式和腐蝕機理，從沿海建筑鋼結構的設計與選材上給出了參考依據和措施，并進一步對比沿海建筑鋼結構的腐蝕防護技術的優(yōu)劣。相關內容對于技術人員從事沿海建筑鋼結構設計提供了技術參考；通過優(yōu)化結構設計、合理選擇材料、有效使用防護技術，能顯著提升沿海建筑鋼結構防腐能力。