摘 要 采用热喷涂方法喷涂锌或铝涂层可以保护钢铁结构件长期、安全地在海水、淡水、土壤、大气等腐蚀环境下服役,实现了数十年少维修的长效防腐蚀.经过半个多世纪的试验研究和现场应用证明:热喷涂防腐技术是迄今为止钢铁结构件长效防腐的最好方法.简要介绍了热喷涂防腐技术的特点和该技术在国内、外的研究应用状况.
关键词 热喷涂 防腐蚀 锌涂层 铝涂层
金属材料的腐蚀问题遍及国民经济及人民生活的各个领域.它给人类带来了巨大的经济损失和危害.据统计,全世界每年因腐蚀而损耗的金属达2.3亿吨,约占当年钢产量的30%左右,因腐蚀造成的损失达数干亿美元.我国的金属腐蚀问题也相当严重,例如,1993年我国因腐蚀造成的直接经济损失就达1000亿元,由腐蚀带来的间接损失更是难以估算[1].与腐蚀做斗争是一个长期、复杂的系统工程,长期以来,人们一直在寻求各种方法减低腐蚀的危害.最常用的防腐方法有涂料、金属镀层、热浸锌或铝涂层以及使用耐腐蚀的金属和非金属材料等,然而要对钢铁构件进行长期保护(几十年甚至上百年),特别是对那些要求在服役期内不维护或少维护的大型、重要的钢铁构件,传统的防腐方法则存在许多局限性.
本世纪三十年代,热喷涂技术在防腐方面的成功应用带来了一线曙光.从那时起,美国、欧洲等西方发达国家开始逐步地对钢铁结构件采用热喷涂技术进行防腐处理,并且不断地扩大它的应用范围.目前,美国、西欧、日本、加拿大等国对新建的大型钢结构件,如桥梁、井架、发射塔、舰船、港口、水利及工业设施等都施行了热喷涂锌、铝或这些金属合金涂层.经过几十年的考核证明,热喷涂技术是钢铁结构件长效防腐的最好方法.这个结论已得到世界许多国家的政府和工业界所认可[2].
1热喷涂锌、铝涂层的防护机理
热喷涂是借助某种热源(火焰或电能)将欲喷涂的金属材料(丝材或粉末)熔化,利用压缩空气将金属熔滴雾化,高速喷射到经粗化处理的工件基体表面,熔滴在撞击到工件表面的瞬间冷凝而形成金属涂层.涂层的组织结构是由互相镶嵌、重叠的无数变形微粒机械地结合在一起,并含有相当数量孔隙的结构.涂层的孔隙率与喷涂工艺有关,通常为5%~15%.涂层的结合强度约为10~30 MPa.
按照使用热源的不同,热喷涂可分为:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂.根据使用材料的形态不同又可分为:线材喷涂和粉末喷涂.用于防腐目的的热喷涂方法主要是,线材电弧喷涂和线材火焰喷涂.二者各有长处.前者喷涂生产率和能源利用率高、涂层结合强度大、操作简便,适用于大的平面构件施工.后者操作灵活,便于对边角或几何形状复杂的构件喷涂.
用于防腐目的的热喷涂涂层主要是锌涂层、铝涂层、锌合金及铝合金涂层.它们对钢铁材料的保护机理主要有二个:一是具有与涂料涂装防腐机理类似的阻挡腐蚀介质的隔离作用,二是具有通过涂层材料自我牺牲实现的阴极保护作用.根据电化学理论,锌、铝及其合金涂层的电极电位较钢铁材料低,在有电解液存在的条件下,这些涂层为阳极性材料,钢铁为阴极性材料,它们间形成腐蚀原电池.在腐蚀过程中,阳极材料(涂层)通过自身的牺牲实现对阴极材料(钢铁)的保护.由于锌或铅涂层的腐蚀产物能有效地减缓腐蚀速度,所以涂层的消耗也是很缓慢的,可以较长时间的保护钢铁基体.锌、铝及其合金涂层在许多环境下对钢铁材料都有很好的保护作用.相对来说,由于铝涂层内部微粒表面覆盖有坚韧的氧化膜,铝涂层的寿命更长.与锌相比铝涂层的缺点是对钢铁材料的动态电化学保护效果远不如前者.涂层选择的基本原则是:锌涂层在pH=6-12的环境介质中具有很好的耐腐蚀性能,铝涂层在pH=4-9的环境介质中的耐腐蚀性能表现良好.铝涂层适用于弱酸条件、升温条件(温度高于66℃)及海洋环境下工作的钢铁结构件.锌涂层适用于矿井、淡水、大气及土壤中钢铁构件的保护[3].
2与传统防腐方法比较
目前国内外使用最多的钢铁结构件防腐方法是有机涂料涂装,涂装防腐主要基于隔离原理.显然只有当涂层将钢铁基体与腐蚀环境完全隔离时,涂层才能有效地保护钢铁材料免于腐蚀.但是几乎所有的有机涂料涂层都存在许多微小的/针孔.当外界的腐蚀介质,如水分子,通过这些孔隙渗透达钢铁基体的表面时,腐蚀就在涂层与钢铁基体的界面处开始发生.钢铁腐蚀产生的腐蚀产物体积将膨胀20倍,其结果是在涂层中出现蚀痕、鼓泡和剥脱,最终导致腐蚀防护体系的失效[3].为了维持涂层对钢铁基体的保护作用,通常每隔几年就要对钢铁构件重新涂装一遍,在腐蚀严重的环境下甚至每年都要涂装一遍.涂装方法的另一个缺点是污染环境.目前,西方国家对使用有机涂料的限制越来越严格.相对来说,与涂料涂装相比热喷涂防腐技术有许多优越之处.它们在众多的服役环境中都可以对钢铁基体进行有效地保护,可以实现在20年内的免维护和40年内的少维护.热喷涂锌或铝涂层的寿命与涂层的厚度成正比.通过控制涂层的厚度,可预测涂层的保护年限.此外,它们对环境的污染远小于涂装方法.虽然热喷涂方法的第一次施工成本高于涂装,但是折算到构件全部使用期内的年平均维护成本则远小于有机涂料涂装方法.许多国家按照国际通用的计算方法已经证实了这一点.与有机涂料施工工艺相比,热喷涂防腐施工要复杂一些.首先,它要求一些专用的喷涂设备及辅助装置,而且对施工操作人员的技能要求更高些.
电镀锌、铝及热浸铝也是很好的防腐方法,它们也是通过自身牺牲对钢铁基体施加阴极保护.由于电镀槽、热浸锅的容积限制,这些工艺只适用于较小体积工件的批量生产.此外,对于自我消耗的阳极涂层来说,涂层的厚度直接关系到防腐体系的使用寿命.由于电镀锌的沉积速度很慢,镀层较薄,其镀层厚度通常仅有几微米到几十微米.在许多腐蚀环境中,镀层的维持时间相对较短.热浸锌或铝的镀层比电镀锌厚,但由于在加工过程中会有部分铁溶入锌液或铝液,使得热浸锌镀层或热浸铝镀层中铁含量增加,降低了镀层的防护效果.与上述方法比较,热喷涂防腐涂层既可到现场施工,又可在工厂车间内生产,设备简单,移动方便.热喷涂操作与喷漆类似,生产效率高,操作容易、灵活.涂层的厚度容易控制,可根据需要设计涂层厚度.此外,热喷涂得到的锌或铝涂层中杂质含量低,耐蚀性好,保护周期长.
许多场合下,热喷涂涂层与涂料涂装联合应用可得到更好的防护效果.原因是喷涂层的表面凸凹不平,且有很多孔隙,涂料涂装在喷涂层表面将渗入孔隙,使涂层与基体牢固结合.这样,既可起到封闭热喷涂涂层孔隙的作用,又可增加涂料的结合强度.热喷涂方法与传统的涂料涂装、电镀锌、热浸锌或铝互相补充,并在某些领域逐渐地替代了它们,成为很有前途的防腐方法.综上所述,热喷涂防腐技术的优点可以概括如下:
1)操作灵活、不受工件尺寸的限制,对桥梁、铁塔、水闸门等大型构件可进行现场施工.
2)可得到较厚的涂层,是电镀银层厚度的几倍或几十倍、提供更长时间的使用寿命.
3)热喷涂的锌涂层和铝涂层铁含量低,防腐性能好.
4)操作成本低,可实现防腐施工的工厂化、机械化.
5)与其它方法相比对环境污染小.
3国外对热喷涂的研究和应用
热喷涂技术问世已有一百年的历史.热喷涂防腐工艺的实际应用开始于二十世纪三十年代.欧洲人首先尝试了这种方法,获得成功后,逐渐地推向了世界.为了探索热喷涂技术的防腐机理和论证它的防腐效果,许多国家都对其进行了大量的试验研究.几十年的不断研究和试验已使这项技术日趋成熟,应用领域不断扩大,成为当今大型钢铁结构件长效防腐的首选方法.早在1950年美国焊接学会热喷涂委员会就开始着手制定在多种环境下热喷涂防腐涂层的大规模挂片试验计划.1953年1月,目的在于考察热喷涂锌涂层及铝涂层在工业大气、海洋大气、海水浸泡、海潮冲蚀等环境下耐腐蚀性能的挂片试验同时在美国六个州的八个试验场开始.试验的内容包括:考察不同磨料喷砂处理对涂层耐蚀性能的影响,锌涂层与铝涂层的防腐效果比较,不同封孔涂料的影响.经过19年的现场挂片,于1972年试验结束.1974年,美国焊接学会公布了这个腐蚀试验报告(AWSpublicationsC2.14-74)[4].报告的主要结论如下:
1)厚度0.08~0.15 mm的铝涂层,不论是否封孔都能保证钢铁基体在海水、严酷的工业大气及海洋大气中19年不腐蚀.
2)要保证钢铁基体19年不腐蚀,在严酷的工业大气和海洋大气中不经封孔处理的喷锌涂层厚度至少为0.23 mm,在海水中锌涂层厚度至少0.3 mm;经过封孔处理锌涂层的厚度减至0.08~0.15 mm,也可达到上述防腐效果.
3)在严酷的海洋大气中的锌或铝涂层,如果涂刷一层底漆加一或二道铝粉乙烯漆能显著延长涂层寿命.
4)铝涂层不宜太厚,因为厚的铝涂层容易出现坑蚀和起泡现象,降低涂层的保护效果.
类似的挂片试验在英国、法国、日本等许多国家都进行过.试验结果有力地证明了在多数环境下热喷涂锌或铝涂层对钢铁材料的可靠保护作用.因此,英国标准学会(BSl)在1977年制定的钢铁结构件防腐蚀技术标准中指出:只有热喷涂的锌或铝涂层才能保证钢铁结构件在工业及海洋大气中20年不需维护[5]加拿大标准协会确认,热喷涂锌或铝涂层方法可以给予钢铁构件预期40年的保护寿命[5].
现在,世界上许多国家都已采用热喷涂层对钢结构的桥梁、铁塔、舰船、井架、水力及工业等设施进行长期保护.据不完全统计,到目前,英国采用这种方法保护的大型钢结构桥梁至少有11座,美国有11座,法国10座,日本6座,挪威4座.其它国家如加拿大、澳大利亚、新西兰、瑞典、荷兰、丹麦等国也有不少的桥梁、铁塔、工业及水利设施的防腐采用了这种方法.
英国是应用热喷涂防腐技术最早的国家之一.在1939年首次采用热喷涂锌涂层方法保护新建的威尔士Menai海峡大桥的钢链和部分钢结构.喷涂的锌涂层厚度为0.125 mm,油漆封孔.15年后检查锌涂层基本完好,钢铁基体被很好地保护,无需任何维修.1989年英国人J.C.Bailey等在第12届国际热喷涂会议上提交的论文[6]中提到,经过50年的使用,该大桥的钢铁基体仍然被很好地保护着.1956年后英国开始对新建的大桥整体实施热喷涂锌涂层防腐处理.位于苏格兰的Qucesferry公路桥处于多风的海洋环境.桥长3.6 km,建于1960年.该桥采用防腐工艺是热喷涂锌涂层+磷化底漆+云母氧化铁面漆.大桥使用13年后仅对部分油漆脱落处进行少量的维修.对喷锌表面进行维护比传统涂装方法容易得多,它不需要像后者那样花很多时间除锈、暴露干净的金属表面.管理大桥的负责人说:/采用热喷涂锌涂层的防腐方法是非常必要的,因为锌涂层能有效地防止与沥青路面接触的钢铁构件生锈、腐蚀,降低桥梁发生断裂破坏的危险.当大桥建成后再对其进行现场喷涂存在生产效率较低,劳动强度大、不利环保、施工费用高等缺点.因此,许多国家都尽量把喷涂工序安排在工厂内进行.在工厂的车间内采用机械化、自动化喷涂生产,然后运到现场焊接、组装.留给现场的工作只是对焊缝区补充少量的喷涂.例如,全长2.4 km,跨越英国福斯港湾的第四公路大桥,使用钢材约2万吨,大部分喷涂加工是在工厂内进行的.
过去认为混凝土内的钢筋有混凝土的保护不会被腐蚀.最近人们发现,在海洋环境下或是在北方冬季路面使用食盐做除雪剂都会对混凝土内的钢筋造成破坏.当氯化物渗透入混凝土中到达钢筋表面,钢筋表面的钝化膜将遭到破坏,钢铁基体开始被腐蚀.腐蚀产物-铁锈的体积将膨胀20倍,从而导致附近的混凝土开裂、脱层使腐蚀不断加剧[7].此外,水和氧分子的渗入都会加速钢筋的腐蚀.现在,预应力混凝土技术的应用逐渐扩大,其所带来的负面效果是钢筋外面的混凝土厚度减薄,钢筋的腐蚀倾向增加.为解决钢筋腐蚀问题,人们想出许多办法.例如,英国在1986年制定了奥氏体不锈钢钢筋的相关标准。但是奥氏体不锈钢钢筋的价格是普通碳钢钢筋的6倍,这样会给工程造价增加许多.法国人采用钢筋表面热喷涂锌涂层的方法来防止腐蚀.无疑,这些措施对新建工程都是可行.但如何对众多旧建筑内的钢筋进行有效地保护,延长这些建筑的使用寿命的确是一个值得研究的课题.近年来美国人在这方面投入较多,并取得了很大进展.他们采用的方法是在混凝土结构件的外面热喷涂锌涂层.此法不但可以保护新建的预应力混凝土结构件,又可挽救早期的混凝土设施.虽然这种方法无法恢复混凝土的强度,但能有效地阻止氯化物、水和氧分子的渗入,防止钢筋进一步腐蚀.在1959年,美国加里福尼亚洲运输部就提出了公路桥梁混凝土中钢筋腐蚀问题,并在1983年开始在实验室和现场使用热喷涂锌涂层方法保护混凝土中的钢筋.第一座全部采用热喷涂技术保护的混凝土大桥是俄勒冈洲的CapeCreek桥.在该桥的施工中使用了50吨锌丝,喷涂了将近10000平方米混凝土表面,目前在美国已至少有3个洲的公路管理部门采用了这种防腐措施保护高速公路大桥[8].
热喷涂技术对解决水利设施钢铁结构件的腐蚀问题也非常有效.经过几十年的使用考核证明,热喷涂锌涂层是解决该问题的最佳方案.例如,位于美国亚利桑那洲盐河上的Mormon Flat水库建于1926年.在1937年安装了2个15 m宽*15 m高的溢洪道闸门.随着水库水位的变化,闸门有时泡在水中,有时暴露在烈日之下.定期地涂刷油漆是这对这两个水闸门防腐的唯一措施.1970年水库新装了两台发电机组,并增加了回抽能力,使水库成为抽水蓄能电站.白天机组发电,夜里水泵再将水回抽,向水库蓄水.水位每天仅有0.6 m变化,通常闸门总是完全浸在水中.这意味着不允许再像以前一样经常地对闸门进行检查和维修了.从经济利益考虑,必须采取有效的防腐措施,保证尽可能长的不维护周期成为水库管理者思考的主要问题.经过反复论证,最后他们决定采用热喷涂锌涂层的方案.为保证40年的涂层寿命,他们初步预计锌涂层的厚度应至少0.175 mm.考虑到水面上经常有漂浮物的碰撞会损坏闸门上凸起的铆钉及焊缝区域的锌涂层,为了充分发挥锌涂层的阻极保护作用,使得涂层能在某些区域出现局部破损的情况下,对这些破损区仍有保护作用,决定在锌涂层表面不涂刷任何涂料。施工后对喷涂层测量,涂层厚度基本在0.175 mm~0.25 mm之间.
1992年3月,这两个闸门已经过22年的使用,它们状况如何?水库的管理者决定对它们进行仔细地检查.此时水库的水位已低于以往最低水位线1米,可以很好地检查闸门水位线附近区域的涂层状况.检查者看到在闸门表面没有任何锈迹,锌涂层表面状况良好,无白锈(锌的腐蚀产物),无明显的锌涂层不均匀腐蚀现象;虽然铆钉头、焊缝等凸起部位经水面漂浮物的刮碰,表面锌涂层已破损,钢铁基体暴露出,但是钢铁基体没有任何可见的腐蚀迹象.检查人员使用涂层测厚仪检测了多处涂层厚度.测量结果显示,除极少数点的涂层厚度是0.1 mm外,其余点的厚度值都在0.175 mm~0.25 mm范围,与22年前原始喷涂的厚度相比,似乎没有大的变化。考虑到喷涂当初没有精确地记录下测量点的位置,很难和后期数据进行定点比较,所以不能认为经过22年的时间锌涂层没有任何消耗,但是可以肯定地说,锌涂层的腐蚀消耗量很少.
4国内对热喷涂的研究和应用
我国从五十年代开始采用热喷涂技术对钢铁结构件进行保护.最早应用该技术的工程是安徽省淮南电厂至蚌埠的3.5万伏高压输电铁塔[9].1952年当时的上海瑞法喷涂机械厂(现为上海喷涂机械厂)在安徽省做钢铁长效防腐示范.他们首次在国内采用热喷涂锌涂层的防腐方法,对淮南电厂至蚌埠45公里区域内的264座高压输电铁塔的上半部进行保护.经过26年后,在1978年对铁塔腐蚀状况进行检查,看到喷涂层状态良好,无任何腐蚀迹象.有资料表明这些涂层保护的铁塔至今仍在服役[10].江苏省三河闸水库管理处从1966年开始将热喷涂技术用于水利设施防腐,到1978年他们先后对水库的63个水闸门做了喷锌防腐处理[11].此外,上海喷涂机械厂还对南京长江大桥下层铁路枕木下面的/上盖板0做了喷锌防腐处理[9].这也是我国第一次尝试对大型桥梁的部分构件做热喷涂防腐处理.但遗憾的是至今国内还没有一座大型桥梁全部采用这项防腐技术.
我国较大规模地运用热喷涂防腐技术从二十世纪八十年代开始./六五0以来国家把热喷涂技术作为重点推广的新技术之一.国家广播电视部制定文件要求对新建彩电发射塔的钢结构件必须采用热喷涂防腐技术.国家煤炭工业部、国家水力电力部也分别要求对煤矿井架和水利设施等钢铁结构件进行热喷涂防腐处理.
目前,我国现有热喷涂专业队伍上百家,每年防腐施工面积几百万平方米.有许多重要工程的钢铁设施采用了这项防腐技术[12].例如,长江葛洲坝水电站的大型船闸和水闸门、黄河龙羊峡水电站的水闸门、山东威海成品油码头的22个大型贮油罐以及数十座煤矿竖井井桶、数十座电视发射塔等单项工程的喷涂面积上万平方米的大型钢铁构件[1,10,12].
人民解放军海军的一些研究部门在九十年代初开始着手运用热喷涂技术解决海洋舰船的腐蚀问题,他们先后在几条驱逐舰、远洋测量船和潜艇的局部做了试验应用,期望该技术能对舰船有更长久的保护.已经开始施工的长江三峡工程已决定采用热喷涂技术保护浸泡在水中的全部钢结构件,它将是造福子孙后代的一项伟大工程.
我国对热喷涂防腐技术的系统研究与试验起步较晚.1983年开始由机械工业部武汉材料保护研究所负责开展了热喷涂锌、铝及其合金涂层的电化学测试,在全国8个典型地区的大气暴露试验,在不同海域的海水腐蚀试验,长江三峡水域的淡水腐蚀试验.通过对试验结果的分析,为热喷涂防腐技术在我国的大规模推广应用提供了可靠依据[10].
为了使热喷涂防腐技术的应用更加规范,参考国际标准以及一些西方国家的热喷涂标准,从1988年起我国先后制定了相关热喷涂标准十余个.应当看到,我国热喷涂防腐技术的应用还落后于西方发达国家,其原因是多方面的:目前仍有许多工程设计人员和专业防腐人员对热喷涂防腐技术还不够了解;过去人们多注重短期经济行为,忽视长远的经济效应;强调一次性投资,很少考虑日后的维护费用,这些都是很重要的制约因素.现在,人们的环保意识逐渐增强,对大型、重要钢铁结构件长效防腐意义的新认识,对工程投资效益计算的新概念都有助于热喷涂防腐技术的推广、应用.可以说这项技术在我国的普及应用,定会造福国人.
参考文献略
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