火力发电厂露天炉架钢结构防腐技术

　【摘要】：炉架钢结构由于自重轻、承载能力高、抗震性能好和施工安装便利等优点在火力发电厂建设中广泛应用，炉架钢结构的腐蚀问题日益突出，国内由于腐蚀造成的国民经济损失占国民经济总产值的5%左右，而全世界每六分钟就有4吨钢铁腐蚀变成红锈。本文对露天钢结构防腐蚀技术进行了综述。  
　【关键词】：露天钢结构腐蚀防护 、炉架防腐、钢结构防腐 
    近年来随着国民经济的大幅增长，火力发电工程的建设步伐加快，钢结构或钢构件在工程中大量的应用，国内的工程建设对钢结构或钢构件的腐蚀防护并不是特别重视，腐蚀成为影响结构安全性的重要因素。由于腐蚀造成的经济损失也是一个惊人的数字，国内通过对5个行业的调查分析得出每年由于腐蚀造成的损失占国民经济的5%-6%。各国腐蚀防护专家普遍认为，合理应用腐蚀防护技术，会降低因腐蚀造成的经济损失25%-30%。本文对火力发电厂的腐蚀环境较恶劣的露天钢结构腐蚀防护进行研究。  
    1．炉架钢结构腐蚀分析  
    由于建筑结构暴露在大气中，其主要的腐蚀为大气腐蚀。金属在大气中的腐蚀主要是金属表面形成的电解质液态膜与空气中去极化因子同时作用的结果。存在电解质液态膜时，阳极氧化反应将金属溶解，而阴极反应通常被认为是氧的还原反应。  
    Fe→Fe2e+2e-O2+2H2O+4e-→4HO-  
    根据碳钢在大气中腐蚀的主要影响因子，得出的腐蚀速率经验计算公式：  
    M=0.484T+0.701W+0.075H+8.202S-0.022Y-52.67  
    式中：M—碳钢在大气中的腐蚀量，mg/(dm2•d)；  
    T—地区气温，℃；  
    W—地区湿度，%；  
    H—海盐粒子量，mg/L；  
    S—SO2量，mg/(dm2•d)；  
    Y—降水量，mm.  
    从以可以看出，对暴露在空气中的钢结构的腐蚀相关因素为气温、湿度、海盐粒子量（主要为氯离子腐蚀）和SO2量。  
    国内一些科研单位对碳钢及耐候钢经8年自然暴晒试验的数据如下（µm/a）  
     城市北京青岛武汉江津广州琼海万宁
腐蚀7-1212-637-1415-5610-2711-11012-216

    由上表可见，海洋大气环境的腐蚀远大于内陆环境，南方潮湿环境大于北方干燥环境。试验验证了大气腐蚀破坏的本质和速率是由表面薄电解质液膜成分和性质决定的，普遍认为大气腐蚀的因素中湿度（湿润时间）、SO2和氯化物污染水平最为关键。按照国际标准化组织的腐蚀分类体系，ISO12944标准将腐蚀类型分为以下几类。
ISO12944标准―腐蚀定义和环境（仅作参考的温性气候下的典型环境）：  
      
腐蚀类型低碳钢外    部内    部
质量损失
g.m－2厚度损失
μm
C1
很低≤10≤1.3加热建筑物内部，空气洁净，如办公室、商店、学校和宾馆等
C2
低10－2001.3－25大气污染较低，大部分是乡村地带未加热的地方（如库房/体育馆）冷凝有可能发生
C3
中200－40025－50城市和工业大气，中等的二氧化硫污染，低盐度沿海区域高湿度和有些污染空气的生产场所，如食品厂、洗衣厂、酒厂牛奶厂等
C4
高400－65050－80高盐度的工业区和沿海区域化工厂、游泳池、海边和船厂等
C5－I
很高（工业）650－150080－200高盐度和恶劣大气的工业区域总是有冷凝和高湿的建筑和地方
C5－II
很高（海洋）650－150080－200高盐度沿海和近岸地带总是处于高温高湿的建筑物或其他地方

    2．钢结构腐蚀防护  
    2.1钢结构的有机涂层腐蚀防护  
    涂料覆盖层俗称“油漆覆盖层”，它是应用最广泛的一种防腐蚀方法。我国在20世纪五六十年代涂料的产量就达到600万吨，日本的涂料覆盖层在防腐蚀领域占有62%—63%的比例，可见涂料覆盖层在钢结构的腐蚀防护中占有很大的比例。  
    由有机高分子化合物为主体组成覆盖层统称为有机覆盖层。有机涂料覆盖层是通过阻抗抑制、氧缺乏、阻止金属向环境放电和缓蚀技术来达到腐蚀防护的目的。  
    阻抗抑制：涂膜的作用类似于离子过滤器，它保证任何通过涂膜连续区到达金属表面的水分在涂沫-金属界面都要具有足够高的阻抗，从而抑制阳极区和阴极区间的电流迁移。  
    氧缺乏：合适配方的涂膜可以阻止足够的氧达到金属，从而阻碍阴极反应。  
    阻止金属向环境放电：阴极保护在涂膜中通过阻止金属向环境放电来保护金属底漆。为达到这一效果，可以在金属表面应用阳极金属涂膜（通过锌来保护钢结构）。涂料中锌粒的担载量要足够高，从而保证有连续的电流可以穿过涂层。如能确保电流连续的从涂层到环境放电，金属就可以保护。  
    缓蚀技术：缓蚀涂层通过改变界面环境使钢结构构件达到钝化或缓蚀，从而控制腐蚀。  
    有机涂层防腐体系是利用上述的一种或两种技术的组合达到控制金属腐蚀的目的，《钢结构设计手册》（第三版）给出的油漆配套组合红丹系列、氯化橡胶系列、氯磺化聚乙烯系列等多是阻抗抑制、氧缺乏河缓蚀的综合应用。环氧富锌底漆属则是通过油漆中的锌粒的放电来保护金属基层，相对保护效果比较好。
在室外使用的耐候性树脂覆盖层的耐久性按下面的顺序递增：  
    油脂≤酚醛≤醇酸树脂≤氯化橡胶系≤丙烯酸系≤聚氨脂系≤丙烯酸有机硅≤氟树脂类  
    树脂种类醇酸树脂氯化橡胶丙烯酸聚氨脂丙烯酸有机硅氟树脂
耐久年限（年） 2-55-85-107-1210-1520
相对价格比121．64513

    有机涂料覆盖层防腐蚀寿命的决定因素有材料质量、涂层厚度、施工质量和使用环境等，一般影响涂层使用寿命的因数比例如下：
影响因素基体表面处理层数与厚度材料质量环境及其它
影响比例49%19%10%22%
    由此可见基体表面处理对涂层质量影响较大，一般要求：
    （1）基面要干净、无油污、无杂质、无焊药、表面平整、无毛刺等。  
    （2）表面干燥无水分，特别是酸洗、磷化前处理的基面，一定要表面干燥完全之后才可以涂装。  
    （3）不同基体表面的粗糙度要求不同。  
    2.2钢结构的无机非金属涂层腐蚀防护  
    以非金属元素氧化物或金属与非金属元素生成的氧化物为主体构成的覆盖层统称为无机非金属覆盖层。无机非金属覆盖层具有耐热、耐蚀和高绝缘性的优点，但由于其脆性大冲击韧性差在建筑结构的腐蚀防护中应用受限。  
    2.3钢结构金属覆盖层腐蚀防护  
    凡把一种（或多种）金属通过一定的工艺方法牢固地附着在其他基体上，而形成几十微米乃至几个毫米以上的功能覆盖层称为金属覆盖层。  
    钢结构用金属覆盖层大多为锌及其合金，常采用的工艺有电镀、热浸、喷涂、扩散和机械镀等。铝及其合金的应用也在钢结构有应用，其工艺为喷涂、热浸、扩散、包缚和气象沉积等，铝的耐蚀性远高于锌，但其工艺性能不如锌覆盖层，特别是在喷厚之后，其韧性以及其与基体的结合能力较差，在建筑结构中较少应用。  
    火力发电工程中对于金属覆盖层应用最广泛的的一般为输变电的塔架、空冷平台、室外平台格栅板等，近年来由于沿海电厂腐蚀较重，也有工程在室外露天钢结构中采用锌金属覆盖层。我国在19世纪五六十年代就开始锌金属覆盖层的应用，主要为热喷和热浸工艺，近年来随着技术交流和进步，在国外广泛使用的ZD冷喷锌技术开始在国内电力工程建设中应用。
热喷涂工艺：利用不同的热源，将材料溶化、雾化后，高速堆积到基体表面，形成一定厚度的金属附着层。热喷涂的优点是适用范围广，即可大面积附着，又可局部修复，工艺灵活即可工厂施工又可以现场施工，厚度易于控制，便于和其他工艺形成复合功能覆盖层；缺点是和基层结合力受到限制，一般以机械结合为主，小面积喷涂不经济，且喷涂层的孔隙率较高易形成点蚀。  
    热浸工艺：把金属构件表面经过预处理后全浸入某一种熔融金属溶液里，熔融金属与构件表面发成一定的冶金介面扩散而形成的金属覆盖层。热浸镀金属工艺一般分为溶剂法和氧化还原法（“森吉米尔法”），溶剂法又分为“湿法”和“干法”。国内工厂化生产工艺，一般结构构件采用的是溶剂干法，而板材和钢带多采用氧化还原法。溶剂干法的工艺流程：除油-热水洗-酸洗-水洗-溶剂预处理-干燥-热浸镀-冷却或后处理-检验，其特点是金属覆盖层和基层结合好，防腐蚀性能较热喷涂高，缺点是构件经热浸金属覆盖层处理后有变形，表面不均匀，处理处理尺寸受热浸槽影响，环保法规限制较多。  
    热喷涂和热浸镀工艺因都是需要在特定的温度条件下进行，能耗高，对周边环境有影响，工艺成本较高，现场修复条件差。  
    ZD冷喷锌工艺：通过涂装工艺在金属构件表面形成锌金属保护膜，具有阴极保护（阳极牺牲）功能。ZD冷喷锌干膜内含纯锌达96％以上，其腐蚀机理均属于阴极保护电化学理论。ZD冷喷锌涂层，同时自身具有良好屏障保护，形成双重保护作用，使它具备优异的防腐性能。其特点是环境友好，涂层和基层结合力好，便于施工，易于维护，经济性好。  
    碳钢、锌的大气腐蚀速率比较：单位：μm/a 
    材料乡村大气城市或工业大气海洋大气
碳钢4-6523-17526-104
锌0.2-32-160.5-8

    热镀锌不同厚度的耐大气腐蚀寿命：                         单位：a
厚度（μm）乡村大气城市或工业大气海洋大气
7-134-102.5-52-4
50-705027-3813-29
3．火力发电厂露天钢结构腐蚀防护方案选择  
    3.1腐蚀防护方案选择原则  
    随着国民经济水平的不断提高，火力发电厂露天钢结构腐蚀防护方案的选择，应满足使用功能和寿命要求，本着安全可靠，便于施工、维护，环境友好，经济合理的原则。  
    按照一般经验，各种防腐蚀方法单位面积的费用按下列顺序递增：  
    缓蚀剂<有机涂层<无几涂层<有机层加阴极保护<金属层<金属（或转化膜）层加有机层<包裹层<复合材料<耐蚀材料<高耐蚀材料  
    一般按照电厂所处地区的环境条件的不同按以上顺序选择合理的涂装材料。笔者认为内陆地区可选用环氧富锌底漆配套环氧云铁中间漆和氯化橡胶面漆；在沿海地区由于环境湿度大，空气中含盐粒子量大，一般采用环氧富锌类油漆3-7年就需要维护性涂装，且可维护性较差，可采用全寿命周期内经济性较好的ZD冷喷锌复合涂层方案。  
    3.2沿海大气环境两种腐蚀防护涂装方案的经济比较
     方           案ZD冷喷锌+有机涂层复合体系环氧富锌涂层体系
初始投入首次防腐理论涂料费用48元/m240元/m2
理论涂料费用960元/吨800元/吨
首次防腐总费用（前处理＋实际涂料费用＋涂装费用）4＋(48×1.2)＋10＝71.6元/m24＋(40×1.2)+12=64元/m2
单位防腐总费用1432元/吨1280元/吨
首次防腐投入比1．11：1
维护投入重涂年限及方式15年免维护5～7年左右必须彻底重涂，15年使用周期中重涂1～2次
重涂费用元/m20按至少一次重涂计算（彻底前处理15元+重涂涂料费用40元+人工15元）×20m2/吨=1400元/吨
停工损失0较大，无法量化
使用成本比0：1400
单位钢材15年防腐总费用1432元/吨2680元/吨
总体防腐费用比1：1.87

    注：1以上表中防腐总费用为估算价格，参考的是华中地区防腐平均施工费用，地区不同，各厂设备条件不同费用会有差异，仅供参考。  
    2表中涂料价格仅供参考，施工损耗系数按照20％计算，实际施工时根据施工厂家技术条件不同，会有差异。
4．小结  
    电力工程建设中露天钢结构防腐蚀涂层的维护已成为一种常态，耗费了大量的人力和物力，一些较先进的防护方案却由于初始投资稍高，没能在重要工程中应用，希望本文能够给大家一些启示。通过合理的技术经济分析，特定的环境选择适当防护材料，使材料和费用达到较好的结合点，实现寿命期效益最大化。