热喷涂锌、铝长效防腐蚀涂层及其在钢铁构件上的应用
闵小兵,欧阳晟,吴和元
湖 南 冶 金
腐蚀是自然界中最常见的一种对金属构件的破坏形式。这种渐进的,表及里的,由量变到质变的冶金过程的逆过程,是金属构件,特别是钢铁构件的最普遍、最严重的毁损失效方式。有资料表明:世界钢铁年产量的近10%,就消耗于各种各样的腐蚀、磨损之中。因此,采用科学有效的方法抵御腐蚀,就成了现代社会经济发展进程中保护钢铁构件的使用安全的一个十分重要方面。本文秉承这一宗旨,介绍了热喷涂锌、铝长效防腐涂层,以期从科学合理和经济适用二个侧面向社会推荐这一重要技术。
摘 要:介绍了热喷涂锌、铝长效防腐蚀涂层的防蚀机理和应用实例,及以不同防蚀方案的长期经济效益比较。指出:热喷涂锌、铝长效涂层是目前保护钢铁构件使用安全的最为科学、经济的方法。
关键词:热喷涂;锌、铝长效涂层;防蚀
1 热喷涂锌、铝长效防护涂层的国内外应用实例
采用热喷涂锌、铝涂层对钢铁件进行长效防护,早在上世纪30年代就开始应用,至今仍是普遍采用的防护措施,并在继续发展。下述的应用实例表明,对钢铁构件,这是最有效和最经济的防护方法。
(1)法国1922年对巴黎附近的圣尼船闸的钢闸进行了喷锌防护。1952年检查,仅个别部位涂层失效,经修复后继续使用到80年代。
(2)美国在1936年对KAW大桥钢结构件热喷涂0.25 mm厚的锌涂层,于1975年检查,涂层完好,继续使用。
(3)美国格兰维奇市天然气化工厂的一座钢结构净化装置,在表面热喷涂0.13 mm厚的铝涂层,投入使用30年完好无损。
(4)美国的Fochpazd公路桥,全长2.41km,耗钢材2万余吨,采用热喷涂锌防护,耗锌500余吨。
(5)加拿大比尔.拉普特大桥,全长1 040.6m,钢结构件表面积16万余平方米,采用热喷涂锌防护。
(6)捷克的多脑河铁路公路大桥,钢结构件表面积30万m2,采用热喷涂锌防护,耗锌300多吨。
(7)国内1952年对淮南电厂从田家庵到蚌埠的264座35 kV输电铁塔进行喷涂防护,涂层至今完好。
(8) 1993年上海市重大建设项目——东方明珠的顶部钢结构及三套平台(高度从350 m到410 m )的内外表面进行了喷铝防护。
(9) 1993年上海市重大建设项目——杨浦大桥采用喷锌防护。
(10) 1997年广西南宁到北海高速公路三岸桥的钢结构件1万余平方米采用喷锌防护。
(11) 1998年广西南宁到柳州高速公路的天景桥钢结构件8 000余平方米采用喷锌防护。
(12)我国原煤炭部井筒装备调查组经调研发现,井筒钢结构件原采用油漆防护,防护期限3～5年,造成井筒装备的频繁更换,因此而造成损失达每年10亿元以上,而采用喷锌层代替油漆防护,使涂层的防护期与井筒装备的设计服役年限( 50～100年)基本同步,从而可使每年10亿元的腐蚀损失降低90%以上。因此,煤矿矿井的井筒装备现已普遍采用喷锌防护。
2 国外对热喷涂锌、铝涂层所做的耐蚀试验
本世纪50年代和60年代,美国焊接协会、美国海军土木工程实验室、英国钢铁公司、法国地下铁道公司及前苏联均对热喷涂锌、铝涂层在各种大气条件下的耐蚀性做了长达5～19年的挂片试验,并得出了基本一致的试验结果。他们的试验结论归纳如下:
(1)喷铝涂层厚度为80～150μm,不论涂层封闭与否,在海水、海洋大气、工业大气中,均能保证钢铁构件在19年内不腐蚀。
(2)喷锌涂层对钢铁构件的保护期限依涂层厚度和封闭处理有关,见表1。
(3)在海水、海洋大气、工业大气中,喷铝涂层比喷锌涂层的耐蚀性要好。
(4)喷铝涂层的耐蚀性比较:薄涂层比厚涂层好。
3 锌、铝涂层长效防护的原理
关于锌、铝涂层对钢铁构件的防护作用,科学工作者经过长期反复研究,其机理方面比较一致的看法是阴极保护和锌、铝耐蚀性能优异。
3.1 涂层的阴极保护原理
当钢、铁处于潮湿的大气或浸渍在水中时,相当于处于电解质中,将产生电化学腐蚀,即钢铁中的杂质成为阴极,铁成为阳极,铁释放电子,以水化离子( Fe2+·nH2O )的形式溶解于水中,因而铁很快被腐蚀。若钢铁表面覆盖有锌层,因锌层相对钢铁电位更负,在构成腐蚀电池时成为阳极,而钢铁成为阴极。这样,在阳极区(锌或铝)释放电子而溶于水,产生腐蚀,而阴极区(钢铁)则在表面吸收电子,与氧发生还原反应,受到保护。这就是锌(或铝)涂层的电化学阴极保护作用原理。
锌、铝涂层的这种自耗性阴极保护作用可持续到将自己消耗殆尽为止,且与涂层中有无孔隙无关。
3.2 锌、铝涂层自身的耐蚀性优于钢铁
锌、铝涂层对钢铁的防护不仅是阴极保护作用,涂层本身也具有良好的抗腐蚀性能。尤其是涂层中金属锌、铝的表面一层致密的氧化膜起到了很好的防腐蚀作用。在不同的大气腐蚀环境里,钢铁及锌铝的腐蚀速率见表2。从表2可见,锌、铝本身在各种大气条件下的耐蚀性能比钢铁要好得多。
4 钢铁构件几种防护方案的特点及投资、效益分析
目前,我国钢铁构件的防护方案基本上只有三种,即油漆防护(目前为止仍是最广泛使用的方案),热浸镀锌防护和热喷涂锌、铝防护。
4.1 三种实用防护方案的特点
三种实用户外钢铁构件防护工艺的特点如表3所示。
4.2 三种方案的经济效益分析
以一座钢铁构件重1万t的大桥为例,按一般规律,大桥钢结构的表面积/重量设为50 m2/t,大桥的设计使用年限为100年,在100年内,三种防护方案的单位造价按油漆防护30元/m2,热浸镀锌防护80元/m2,热喷涂锌加封闭处理防护100元/m2计,三种防护费每吨造价分别为1 500,4 000,5 000元,若三种防护涂层的防护年限分别取为5、15和50年,则在100年内三种防护方案所发生的总防护费用为:
(1)油漆防护方案:1 500元×10 000 t×100年5年=3亿元
(2)热浸镀锌防护方案:4 000元×10 000 t×100年15年≈2.667亿元
(3)热喷涂锌加封闭处理防护方案:5 000元×10 000 t×100年50年=1亿元由上可看出,热喷涂锌加封闭处理防护方案尽管一次投资比油漆防护和热浸镀锌的均高出许多,但其总的防护费用却只有油漆防护方案的1/3 ,热浸镀锌的3/8。
5 湖南省冶金材料研究所在热喷涂
锌、铝长效防护涂层技术方面的历史、现状湖南省冶金材料研究所作为国内最早成立的少数几个表面涂层技术研究开发单位之一,从70年代初,就一直在密切关注着热喷涂锌、铝长效防护涂层技术的国内外发展、应用状况和动态,并一直在对此项技术做着深入、全面的研究、竭尽全力的宣传和推广,为国内此项技术的发展和推广应用做出了自己应有的贡献。80年代末,该所为国家重点工程——贵州东风电站的地下厂房钢结构件设计并喷涂设计防护年限为50年的热喷涂锌长效防护涂层。湖南省冶金材料研究所为长沙湘江北大桥斜拉索的50年防护要求提出自己的竞选方案,是长沙市各高校、研究院所所提众多方案中的最佳方案,最终为北大桥所采用。
1998年,由北京清华同方股份有限公司承担的国家重点项目——大型集装箱检查系统传送装置要求金属构件耐海滨大气腐蚀,本所承担了这一长效防护涂层的设计、施工任务。目前已有两套传送装置应用于天津海关和大连海关。湖南省冶金材料研究所还先后承接长沙市路灯灯杆、临澧电厂灯塔钢柱、衡阳湘江大桥栏杆、岳阳化工总厂聚合釜等多项热喷涂锌、铝长效防护涂层的设计和施工,均圆满完成任务,受到用户高度赞扬。
该所现拥有一支高素质、高水平的热喷涂技术队伍,拥有电弧丝喷,氧乙炔火焰丝喷和氧乙炔火焰粉喷多套施工装备。能承担各种条件下钢铁构件热喷涂锌、铝长效防护涂层的设计、咨询、施工,竭诚为各新老客户服务,为湖南和全国经济建设服务。
6 建议和结论
(1)有关部门和企业对基本建设和技改项目,特别是户外钢铁构件量大的项目的投入政策应加以调整,即加大第一次投入比例,减少投产后维修投资,以鼓励在建设初期便采用热喷涂锌、铝长效防腐涂层,抑制短期行为,避免日后防护周期短、维修频繁,反而造成国民经济更大浪费和负担。
(2)立项和设计部门应熟悉各种防护方案的利弊,从经济建设的长远效益出发,坚定地采用先进技术。
(3)国家经委曾连续在“六五”、“七五”、“八五”三个五年计划期间将热喷涂技术列为在全国重点推广的65项新技术之一,我国许多政府部门因此采取了许多积极行为,如广电部曾在1985年发布的(85)广技科字42号文件“关于广播电视铁塔防腐蚀”中规定;凡新建广播电视发射塔必须采用热喷涂锌长效防护方案进行防腐,凡在建广播电视发射塔原设计采用油漆防护方案的必须改用热喷涂锌防护方案。这一积极的政府行为使我国的广播电视发射塔普遍采用先进的热喷涂技术,十多年,已逐渐显示出其巨大经济效益,在以后的数十年间定将为国家获得更为巨大的经济效益。因此,建议有关政府部门,就一些确能为经济发展带来巨大效益的先进技术在其适用的那些领域的采纳,如热喷涂锌、铝长效防护技术在室外钢铁构件防护上被采用,采取必要的政府行为,推行必要的强制政策,以利于经济的发展和繁荣。
图略
参考文献略
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