热喷涂技术在防腐中的应用

[摘要] 针对应用越来越多的钢结构桥梁的腐蚀问题，介绍了热喷涂长效防腐涂层的防腐机理及国内外在钢桥防腐中的应用情况，从不同方面与其他防腐方法进行了比较，说明热喷涂防腐具有一定的优越性。经国内外多年在钢结构上的应用证明，对钢铁结构件采用热喷涂技术进行防腐处理是目前钢桥长效防腐的最经济有效的方法。<BR>[关键词] 热喷涂 钢桥 长效防腐 结构件</P>
<P>引言<BR>金属材料的腐蚀是金属构件最常见的一种破坏形式，它遍及国民经济及人民生活的各个领域，给人类带来了巨大的经济损失和危害。据统计，全世界每年因腐蚀所消耗的钢材约占年产量的30％左右，因腐蚀造成的损失达数千亿美元。因此，采用科学有效方法进行防腐，保证钢铁结构件的安全运营就成为当今社会经济发展的重要方面。多年来，人类一直在寻求各种方法来减少腐蚀所带来的危害，最常见的方法有各种涂料、浸镀或电镀。但是要对钢铁结构件进行长期有效的保护，传统的防腐方法由于受其本身防腐机理的限制，存在很多局限性，防腐寿命很难有比较大的提高。<BR>利用热喷涂技术对钢铁结构件进行喷锌、喷铝防护，在20世纪30年代就开始应用。从那时起国外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。并不断地扩大它的应用范围。至今仍是普遍采用的一种很有效的防腐方法。目前西方发达国家对新建的大型钢铁结构件，如桥梁、高压输电铁塔、发射塔、煤矿、油田及工业设施中的构件都进行了热喷涂处理，经过数十年的使用，证明热喷涂技术是钢铁结构件长效防腐的最好方法。<BR>我国大型钢结构铁路桥梁的建设推动了桥梁防腐蚀技术的发展，从武汉长江大桥、南京长江大桥，到后来的九江大桥、芜湖大桥等均采用了热喷涂技术进行了表面防护，由于技术的不断发展和进步，使得钢桥的防腐寿命也随之不断延长。</P>
<P>一 喷涂技术及锌、铝涂层防腐机理<BR>热喷涂技术是将被喷涂的金属或其它材料，利用热源使其熔化，用压缩气体把已熔化的金属雾化呈微熔滴，并使其加速，以很高的速度沉积到基体表面形成涂层的方法。根据使用热源的不同，分为等离子喷涂、氧乙炔火焰喷涂、电弧喷涂等，根据喷涂材料的形状又可分为线材喷涂和粉末喷涂。由于电弧线材喷涂生产效率高、成本较低、操作简便易掌握，所以常用于大面积防腐。<BR>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。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除上述的涂层材料自我牺牲实现的阴极保护作用外，还具有与涂料防腐机理类似的阻挡腐蚀介质的隔离作用。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。</P>
<P>二 热喷涂防腐的优越性<BR>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，通过这些孔隙渗透到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。 <BR>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的保护，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。<BR>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。另外，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。</P>
<P>三 国外热喷涂技术在桥梁上的应用<BR>20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5～19a的挂片试验，并得出了基本一致的试验结果。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19a内不腐蚀。<BR>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。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0.125mm，油漆封孔15a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。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。<BR>位于苏格兰的Qucesferry公路桥处于多风的海洋环境。桥长3.6km，建于1960年。该桥采用的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13a后仅对部分油漆脱落处进行少量的维修。而且，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。如果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2.4km，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。1994年英国全国的桥梁喷铝防腐处理的面积达100万m2，喷锌处理的钢桥面积更是达到了250万m2。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50t锌丝，喷涂了将近10000m2混凝土表面。<BR>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。<BR>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均采用了这种方法。<BR>世界各国也相应地制定了相关的行业标准，美国焊接学会标准AWS C2.2规定，含盐、高湿度海洋大气、乡村大气和海水环境采用喷涂防腐。此标准是世界最早和最有权威的热喷涂防腐标准，世界各国桥梁热喷涂防腐设计、施工和其他相应标准制定都参照了此标准。<BR>英国国家标准BS 5493将腐蚀环境分为17大类，它全部覆盖了桥梁所处的所有环境，特别指出热喷涂防腐能提供海水全浸、飞溅、海洋大气等腐蚀严重的钢结构件20a以上防腐。国际/欧共体标准ISO/DIS 14713将腐蚀环境按钢铁腐蚀速率不同分为5大类，特别规定C5类海洋环境，热喷涂防腐方法可以满足钢铁20a以上使用寿命。日本工业标准JISH 8300/JIS H8301比较明确地列出钢桥所处腐蚀环境、涂层种类、涂层厚度和耐蚀年限之间关系。中国国家标准GB/9793-1997对热喷涂防腐涂层及其测试方法进行规定。国内有关行业为适应防腐技术发展需要制订了行业标准，如JTJ041-89《公路桥涵施工技术规范》明确制订桥梁喷铝工艺要求；TB/T1527-1995《铁路钢桥保护涂装》明确规定热喷涂为钢梁有效防腐方法。热喷涂技术对钢铁结构件进行长效防腐是目前最好的方法，这一结论也得到各国政府和业界的公认。</P>
<P>四 我国热喷涂技术现状及在桥梁建设的应用<BR>我国对热喷涂防腐技术的系统研究与试验起步较晚，从20世纪50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。1952年当时的上海喷涂机械厂以安徽省作钢铁长效防腐示范。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 45km区域内的264座高压输电铁塔的上半部进行保护经过26a后，在1978年对铁塔腐蚀状况进行检查，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。我国较大规模地运用热喷涂防腐技术从20世纪80年代开始。“六五”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电视发射塔钢结构件必须采用热喷作防腐处理。<BR>我国将热喷涂技术用于桥梁防腐始于1957年的武汉长江大桥，1968年对南京长江大桥下层铁路枕木下面的“上盖板”作了喷锌防腐处理这也是我国第一次尝试对大型桥梁的部分构件作热喷涂防腐处理。大面积进行桥梁方面的应用，是随着我国桥梁建设的发展而逐步应用起来的。2000年武汉军山桥可以说是我国进行大型桥梁热喷涂防腐的典范，它的喷涂面积达到了45662m2,在随后2001年的徐州邳州大桥，2002年海南琼州大桥、粤海通道栈桥、舟山桃夭门大桥，2005年的江苏润扬大桥都采用这项防腐技术。但都是局部进行热喷涂防腐处理，我国钢桥梁目前仍大量采用重防腐油漆防腐。油漆维修期将面对庞大的维护费用，造成钢桥的设计寿命与防腐寿命存在较大差距。在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。现存，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，尤其是在钢结构桥梁上的推广应用，在未来的几十年将为国家节约大量的桥梁维护费用，减少环境污染，延长钢桥使用寿命。