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海洋大氣環境下鋼結構的腐蝕與控制

2019-06-04 10:20:27 作者：江水旺，曾登峰，陶乃旺，江學志來源：中國船舶重工集團公司第七二五研究所分享至：

隨著海洋資源的開發，海上平臺數量也在快速增加，由于海上平臺鋼結構要求防腐期效較長，而海上鋼結構直接暴露在海洋鹽霧、雨露、陽光等環境中，腐蝕環境極為苛刻。因此，鋼結構表面腐蝕控制要求涂層體系除應具有良好的附著力和長效的防腐蝕性能外，還應具有良好的耐候性和長效防腐性能。涂層體系應具有良好的耐紫外線老化、低氯離子滲透性、高耐鹽霧性、高耐濕熱型等性能，在局部涂層破損時，還能通過陰極保護等途徑，保護底層金屬底材不受腐蝕。因此，鋼結構表面防腐蝕涂層主要選用由高耐腐蝕底涂層與中間涂層和耐候面漆組成的涂層體系。

（圖片來源于網絡）

通過涂裝高耐腐蝕底涂層可以在鋼結構表面形成一層致密的保護膜，以隔絕大氣中的水汽和氯離子等腐蝕介質，從而減緩或阻止鋼結構受到腐蝕。目前對于海洋大氣環境下鋼結構高耐腐蝕底涂層，主要包括噴涂金屬涂層（鋅、鋁和鋅鋁合金），以及富鋅底漆涂層（環氧富鋅、無機富鋅），兩種防腐蝕技術在防腐性能、施工成本、環境影響和后期維護上各有利弊。

中間涂料主要在面漆和底漆之間承上啟下作用，它增加涂裝層厚度，是防腐蝕涂裝體系中重要部分。中間涂料對底漆進行遮蓋，防止腐蝕介質進入底層內部，加強面漆附著力同時增加了整個涂層體系的厚度，延緩底層其電化學腐蝕發生的時間，使涂層的耐腐蝕壽命獲得提高。采用環氧云鐵中間漆作為中間層，利用涂層中環氧樹脂及云母氧化鐵的片狀結構增強屏蔽效果，延緩腐蝕介質的滲入時間。環氧云鐵中間漆粘度大，一次施工即可獲得較厚的涂層厚度，施工性和涂層的兼容性都較好。應用環氧云鐵中間漆配合環氧富鋅底漆使用，可以大大提高涂層的防腐期效。

（圖片來源于網絡）

面漆對涂裝底層和中間層具有保護作用，延緩底層腐蝕發生時間，面漆涂層應具有優良的耐候性能、抗老化性能、保光保色性能、耐鹽霧性能、耐潮濕性、漆膜堅硬光滑。作為長效高耐久海洋防腐面漆，常用的主要有聚氨酯面漆、氟碳面漆和聚硅氧烷面漆。聚氨酯面漆是一種高性能的長效重防腐蝕涂料，在大部分嚴重腐蝕環境中都得到廣泛的應用，而相較于溶劑型雙組分氟碳面漆和改性聚硅氧烷面漆，其防腐性能不如氟碳面漆和改性聚硅氧烷面漆。改性聚硅氧烷面漆具有優異的保光性，防腐性能也同樣優異，并且VOC較低，在環保方面具有優勢，但改性聚硅氧烷面漆實際使用案例較少，使用性能還需在實際應用中進一步的驗證。氟碳涂料由于氟元素的電負性大，碳氟鍵鍵能較強而不容易在紫外光的照射下斷裂，具有優異的耐老化性。氟碳涂層表面能較低、漆膜堅韌，因此耐沖擊性、耐磨性和抗屈曲性等機械性能較好。另外，氟碳涂料與環氧云鐵中間漆具有良好的配套性，也能確保防腐底漆的防腐蝕作用。

目前，國內外對于海洋大氣環境下鋼結構的防腐涂層要求，主要是根據ISO 12944《色漆和清漆－防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護》和NORSOK standard M-501:2012《表面處理和防護涂層》的標準要求進行防腐性能驗證。本文選擇了金屬防腐涂層、有機防腐涂層和水性重防腐涂層體系3種類型的涂層體系，通過循環老化試驗來驗證涂層體系的防腐性能，從而對各涂層體系進行分析研究。

試驗

試樣制備

選用尺寸為150mm×75mm×3mm的噴砂鋼板作為底材，噴砂鋼板的表面處理等級符合ISO 8501.1-2007規定，表面粗糙度符合ISO8503-1:2012規定。

分別選取金屬涂層配套體系、有機防腐涂層體系和水性重防腐體系，進行循環老化試驗，從而驗證三種類型的涂層體系是否符合試海洋環境下長效防腐性能要求。試樣制備涂層配套信息見表1。

表1 典型海洋大氣區鋼結構防腐涂層配套信息

試驗程序

試樣前處理

試樣制備完成后，需進行樣品標識、針孔檢測、厚度測試、劃痕制備等前處理。其中，試樣的劃痕制備根據標準ISO12944-9-2018中規定進行，制備劃痕長50mm，寬2mm，劃痕距兩長邊距離為12.5mm，距其中一短邊的距離為25mm。

試驗步驟

根據標準ISO12944中規定的試驗條件，進行4200h的循環老化試驗。循環老化試驗步驟如下：

（1）根據ISO16474-3標準中方法A，將試樣置于紫外老化試驗箱中，以溫度（60 ± 3） ℃，光源UVA-340，福照度0.83W/m2的紫外光照射4 h和溫度為（50 ± 3） ℃ 的冷凝環境下試驗4 h為一個循環，進行72h的紫外老化試驗；（2）紫外老化試驗結束后，取出試樣，置于鹽霧試驗箱中，根據標準ISO9227中規定條件，進行72h的中性鹽霧試驗；（3）將試樣置于高低溫試驗箱中，設定溫度為-20℃，進行24h的低溫試驗。

（4）以步驟（1）-（3）為一個試驗循環，共進行25個循環。

結果與討論

經過4200h的循環老化試驗后，取出試樣，觀察涂層是否出現起泡、生銹、裂紋、剝落等漆膜弊病，并對涂層粉化、腐蝕蔓延及老化后附著力進行檢測。三種類型防腐體系試樣狀態如圖1所示。

試驗前涂層附著力

試驗結束后涂層狀態

剝離后涂層

圖1 三種類型防腐體系試樣狀態

根據試樣試驗狀態表明，金屬防腐涂層、有機防腐涂層和水性重防腐層均未出現起泡、脫落、開裂等漆膜弊病，涂層表面狀態良好。性能測試結果表明，3種典型防腐蝕涂層配套性能均能滿足ISO 12944-9：2018中CX極端環境下高耐久性防腐蝕試驗室測試要求。

從圖1中可以看出，噴涂金屬復合涂層附著力破壞形式為金屬涂層內聚破壞引起，這主要是由于電弧噴鋁涂層本身存在無數微孔隙，且各孔隙間相互連接，導致其結合力較弱，復合涂層一旦受外力碰撞破損后，貫穿孔隙經過裸露鋁涂層直至鋼基材，使得陰極保護電化學反應較快進行，破損處鋁涂層將被很快消耗掉。重防腐涂層體系附著力破壞形式為底漆內聚破壞和面漆內聚破壞。

噴涂金屬復合涂層與富鋅底漆重防腐涂層體系相比，對表面處理的要求高，表面粗糙度、施工工藝的要求更為嚴格，施工成本是三者中最高的。噴涂金屬涂層在施工過程中會產生有毒物質，長期吸入會引起肺部病變，使工人受到“鋁肺”等職業病危害，不符合節能減排的大趨勢。同時，電弧噴鋅、鋁時能耗高、效率低，防腐性能受后續封閉涂層及配套涂層影響大等因素也制約噴涂金屬涂層的應用。

有機防腐涂層體系是當前使用最多的防腐手段，適用于各類腐蝕環境中，并且其防腐性能經過實際應用的驗證。據統計，目前用于海洋大氣環境下鋼結構防護的有機防腐涂層體系，進行循環老化試驗的通過率僅為30%，因此，通過循環老化試驗來驗證有機防腐涂層體系的防腐性能，并以此為依據進行產品篩選，是科學并且嚴格的方法。

水性重防腐涂料體系同樣可以滿足鋼結構長期效防腐蝕要求。與溶劑型涂料相比，水性涂料以水作溶劑，對材質表面適應性好，僅含有少量有機溶劑極大改善了作業環境條件。但是，水性涂料缺點也很明顯，對施工環境條件（溫度、濕度）要求較嚴格，危廢處理成本遠高于溶劑型涂料。目前，水性防腐涂料體系已廣泛應用于集裝箱、工業建筑等鋼結構防護，但在海洋環境下鋼結構中的應用，特別是長期效防腐蝕方面，水性重防腐涂料仍缺少工程應用實例，而且其長期耐水性仍飽受質疑。

結語

海洋大氣環境下鋼結構長期效防腐蝕技術發展至今，形成了兩種主流發展趨勢，第一種是熱噴涂鋅、鋁涂層與防腐涂料形成的復合涂層體系；第二種是以富鋅涂料為底漆的重防腐涂料體系重防腐涂料涂層體系。隨著環保法規要求及高性能涂料研發應用，噴涂金屬涂層復合體系由于高能耗以及職業病危害等因素，在我國應用受到越來越多環保限制；另外，隨著水性重防腐涂料技術水平突破，產品性能也有較大的提高，而大力推廣水性重防腐涂料在高腐蝕環境下的應用，仍需要實際應用案例的支撐。

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