应用在异型钢结构上的氧化聚合型包覆防腐蚀技术

钱洲亥，王静*，侯保荣，宁东涛，张平

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310006；2.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071；3.青岛迪恩特新材料科技有限公司，山东 青岛 266109；4.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315010）

【表面技术】

应用在异型钢结构上的氧化聚合型包覆防腐蚀技术

钱洲亥1，王静2,*，侯保荣2，宁东涛3，张平4

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江 杭州 310006；2.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071；3.青岛迪恩特新材料科技有限公司，山东 青岛 266109；4.国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315010）

提出了一种针对海洋大气区异型钢结构的氧化聚合型包覆防腐蚀技术。通过中性盐雾试验、剥离强度试验以及伸缩性能试验，分别证明了其主要组成部分(防蚀带和防蚀膏)的耐蚀性、剥离强度和伸缩性能，可为异型钢结构提供可靠保障。

氧化聚合型包覆技术；异型钢结构；海洋大气区；耐蚀性；机械性能

First-author’s address:Electric Power Science Research Institute of Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310006, China

海洋大气环境是最为严酷的大气腐蚀环境，相比陆地大气区，湿度更大，空气中存在含盐液滴，对金属材质的腐蚀要严重得多[1]。而且金属表面常会有真菌和霉菌，它们保持了水分，更增强了环境的腐蚀性。另外，距海岸较近的工业大气中常含有二氧化硫等有害气体，这也对金属的腐蚀产生极大的影响[2]。大气腐蚀所造成的损失占全部损失的一半[3]。

作为钢结构主要受力部位的螺栓螺母，由于形状复杂、材质不同，存在较多的缺陷、缝隙、边缘和棱角，且表面凹凸不平，易积存水、潮气、盐分等腐蚀性介质，极易发生应力腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。腐蚀初期，产生的锈迹会影响美观，如果腐蚀进一步加深，以至产生腐蚀疲劳甚至断裂，会影响使用安全，且有可能酿成严重的事故。因此，螺栓虽小，但其腐蚀问题必须引起足够的重视，需采用一种高效、工艺简单且使用寿命长的防腐蚀技术对其进行保护。

防腐蚀涂料是钢结构表面防护最常用的材料，具有成本低，工艺简单，对钢结构无形状要求等优点[4-5]，但目前传统的防腐蚀涂料对施工表面前处理等级及施工环境要求高，很难使螺栓的尖锐以及边缘部位得到足够的保护，并且涂刷时涂料很容易出现流淌(或流挂)、漏涂等现象。如果螺栓已经做过涂层处理，在重新处理时必须去除原来的涂层和锈层，表面处理复杂，后期维护费用高，维护效果也不好。螺栓螺母等异型结构的腐蚀问题引起了桥梁、铁道、石油化工等领域专家的研究兴趣，开发了诸多抑制螺栓腐蚀的技术，如使用FRP螺栓[6]、防锈密封胶或防腐脂[7]或防锈帽[8]，热浸镀Zn–Ni合金[9]，涂覆石墨糊[10]等。然而，各方法均有其局限。例如FRP螺栓虽然具有优异的耐蚀性、耐疲劳性、电气绝缘性、绝热性、非磁性、轻量性及可装饰性，但不同的螺栓成型工艺会造成不同的缺陷：注塑成型法所得螺栓的机械强度较低。模压法的模具设计和制造复杂，脱模困难。再比如铁道系统采用涂抹大黄油、二硫化钼等油性防腐材料保护螺栓，结果发现所用材料常产生油脂流失现象(尤其在夏季高温气候下)，使用一年即无油性粘附，且拆卸困难，致使道钉生锈、断裂，尼龙套管破损等问题频现。王佳夫等[11]考察了螺栓热镀Zn–Ni合金的耐蚀性，发现锌浴加镍后镀层的耐蚀性提高了3 ～ 4倍，但其施工工艺依然存在与热镀锌一样的缺陷，例如表面夹层、空洞、氧化皮等。涂覆石墨糊是利用石墨粉的惰性隔离螺栓与环境，从而实现防锈，但石墨粉的附着力不够，易脱落，效果有限。日本采用由具有耐候性的聚氯乙烯制成的防锈帽，6年曝露试验表明，虽然栓帽表面有黑色附着物，但未见树脂老化，属良好状态，拆下栓帽后内面未见锈蚀。可惜栓帽只是实现了螺帽及螺栓与外部环境一定程度的隔离，对减缓大气腐蚀有良好的效果，并未有效地抑制电偶腐蚀及缝隙腐蚀。综上所述，传统防腐手段很难为螺栓这类异型结构提供足够的保护，急需一种有效、长效的防护技术。

1 氧化聚合型包覆防腐蚀技术

氧化聚合型包覆防腐蚀技术是中国科学院海洋研究所国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心根据多年的研究经验和技术创新开发出的针对大气环境下异型钢结构的防腐蚀技术。该体系一般由三层紧密相连的保护层组成，即氧化聚合型防蚀膏、氧化聚合型防蚀带和外防护剂，如图1所示。

图1 氧化聚合型包覆防腐蚀体系Figure 1 Oxidative polymerization-type covering anticorrosion system

氧化聚合型防蚀膏是最核心的材料，也是最内层的部分，直接与被保护的金属紧密接触。防蚀膏中包含的复合防锈剂能将钢结构表面未处理尽的铁锈转化成黑色的氧化亚铁膜，形成保护性封闭层，起到转锈、防锈双重作用。

氧化聚合型防蚀带是浸渍在与防蚀膏相类似的化合物中制得的带状防蚀材料。其表面通过氧化聚合作用形成坚韧的皮膜，而紧贴钢结构的一侧始终保持非固化状态，从而达到最佳的防腐性能。防蚀带具有良好的密封性，可以将金属表面与水分、盐分、空气等腐蚀性因子隔离，此外还具有良好的阻燃性和耐候性。防蚀膏和防蚀带具有类似的成分，可以紧密复合在一起，因此联合起来使用，防腐效果更佳。

外防护剂涂刷在防蚀带表面，用来加速防蚀带表层干燥、固化。而且其中含有珠光体成分，可折射紫外线，具有较好的耐紫外老化性能。

氧化聚合型包覆防腐材料还有同系列配套的防蚀胶泥，用于填充防蚀膏难以涂刷的部位，例如法兰夹缝、钢板缝隙等，或用于异型部位塑型，以便防蚀带包覆得更加平整。

2 氧化聚合型包覆防腐蚀涂层体系的特点

2. 1 耐蚀性

2. 1. 1 防蚀膏的耐蚀性

参照GB/T 10125–2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》测试了防蚀膏的耐蚀性。采用140 mm × 65 mm × 2 mm的A3碳钢试片为基材，用400号砂纸打磨光滑。参照GB/T 32120–2015《钢结构氧化聚合型包覆防腐蚀技术》在钢板表面刷涂上防蚀膏(厚度达250 ～ 300 μm)。经过168 h中性盐雾试验，涂抹防蚀膏的钢板未发生锈蚀。

2. 1. 2 防蚀带的耐蚀性

在钢管表面缠绕2层防蚀带，在中性盐雾环境中试验2 000 h，取出后去掉防蚀带，见图2。由图2可见在防蚀带的保护下，钢管表面色泽未发生变化，依旧光亮如新，与未缠绕防蚀带的部分形成鲜明的对比。

图2 试样进行2 000 h盐雾试验后的照片Figure 2 Photos showing the samples after 2 000 h salt spray test

2. 2 防蚀带的剥离强度

附着力是保障耐蚀性的基础，而要粘附到各种形状复杂的结构上，也需要良好的附着力。按GB/T 32120–2015测试了防蚀带的剥离强度。将防蚀带放置在温度(23 ± 2) °C、相对湿度50% ± 5%的环境中24 h，裁取25 mm × 150 mm的试样后立即贴在干净的钢板一端，接触面大约为25 mm × 50 mm(如图3所示)。再在试样上放上厚25 μm、大小为150 mm × 50 mm的聚酯膜，然后用2 kg重的辊压装置在其上往返滚压1次，使试样紧密粘贴在钢板上。放置30 min后，将贴着聚酯膜的试样用拉伸试验机的上部夹具夹住，试验钢板用下部的夹具夹住，随后以(300 ± 30) mm/min的速率拉伸，试样刚刚开始脱离钢板时的力F即为防蚀带的附着力，则剥离强度σ = F / b(其中b为试样宽度，单位m)。进行了4次测试，附着力分别为12.0、11.8、13.2和12.6 N，相应的剥离强度为480、472、528和504 N/m，均大于400 N/m，符合标准要求，这说明防蚀带在常温环境下与金属有着优良的粘结性，能形成很好的贴合。防蚀膏是黏着性很强的膏体，涂抹防蚀膏后再缠绕防蚀带，比起直接将防蚀带贴在金属上，整个体系的附着力会更强。

图3 剥离强度测定装置示意图Figure 3 Schematic diagram of device for peel strength test

2. 3 防蚀带的伸缩性能

螺栓等异型结构的规格大小不一，形状各异，需要防腐体系具有一定的伸缩性来贴合基材的形状结构。另外在自然环境下，随温度变化或遇到震动，钢结构也会有变形。防蚀膏作为一种膏体，对基材形状的适应性很好。针对防蚀带进行了如图4所示的试验，以测试其伸缩性。用400号砂纸打磨厚度为1 mm的钢板，用螺钉固定，再包裹上防蚀带，放置在户外两周，表面皮膜硬化后在弯曲疲劳试验机中实验，伸缩距离分别为1 mm和2 mm，伸缩频率为5次/min，共1 000次。在分别伸缩1 mm和2 mm后，防蚀带表面没有刮伤、断裂或者掀起，说明其贴合在金属表面后有着良好的伸缩性，能够抵抗钢结构一定程度的震动。

图4 测试防蚀带伸缩性能的示意图Figure 4 Schematic diagram showing how to test flexibility of the anticorrosive tape

2. 4 防蚀带的耐老化性

参照GB/T 1865–2009《色漆和清漆 人工气候老化和人工辐射曝露 滤过的氙弧辐射》进行了老化试验，并按GB/T 3923.1–2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》测试了防蚀带的拉伸强度以表征防蚀带的耐老化性。老化1 000 h后，3个防蚀带试样的拉伸强度保持率分别为65%、67%和65%，均大于50%，符合GB/T 32120–2015的要求。

2. 5 外防护剂的着火点

为了保证氧化聚合型包覆防腐技术能够应用于石油、化工等防火等级要求高的领域，要求最外层的外防护剂具有较高的着火点。参照GB/T 3536–2008《石油产品闪点和燃点的测定 克利夫兰开口杯法》测试了外防护剂的着火点，3个试样的测试结果分别为220、227和225 °C，均符合GB/T 32120–2015中≥210 °C的要求。

3 氧化聚合型包覆防腐蚀涂层的应用实例

中海油某码头距离海边不足200 m，管廊地脚螺栓受海洋大气腐蚀严重(见图5a)。采用氧化聚合型包覆防腐技术对其进行了处理，施工一年后表面层仍良好，未有破损、锈蚀现象(见图5b)。

图5 氧化聚合型包覆防腐蚀技术应用在码头螺栓上的效果Figure 5 Photos showing the application of oxidative polymerization-type covering anticorrosion technology to the bolts at a wharf

4 结论

氧化聚合型包覆防腐蚀技术表面处理要求低，柔软、易贴合，能够适应于任何形状的结构表面，施工工艺简单，节省施工时间，并且有效防护寿命长，综合防腐蚀费用低。

防蚀膏、防蚀带能够有效隔绝腐蚀介质的渗透和侵蚀，防止金属发生锈蚀；防蚀带和外防护剂具有较好的抗老化性能。

2 000 h盐雾试验和实际环境12个月的测试证明氧化聚合型包覆防腐蚀涂层体系具有优良的耐腐蚀性能，有效年限可达25年以上。目前此项技术已应用于国内多个码头、跨海(江)大桥、化工厂和电厂，防腐蚀效果良好。

[1] 侯保荣. 海洋腐蚀环境理论及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 1999: 4-5.

[2] 陈卓元. 铜的大气腐蚀及其研究方法[M]. 北京: 科学出版社, 2011: 1.

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[4] 马永新. 钢结构防腐蚀涂料施工技术[J]. 上海涂料, 2010, 48 (7): 51-53.

[5] 王军, 付强, 闫雪峰. 我国跨海大桥钢结构防腐保护与涂装[J]. 现代涂料与涂装, 2008, 11 (10): 37-41.

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[7] 冯胜利. 电动机生锈螺栓探讨与分析[J]. 科技创新与应用, 2013 (23): 93.

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[11] 王佳夫, 石路, 韩文鹏, 等. 螺栓热浸镀Zn–Ni合金工艺[J]. 黄金学报, 2000, 2 (2): 137-139.

[ 编辑：杜娟娟 ]

Oxidative polymerization-type covering anticorrosion technology for irregularly-shaped steel structure

// QIAN Zhou-hai, WANG Jing*, HOU Bao-rong, NING Dong-tao, ZHANG Ping

An oxidative polymerization-type covering anticorrosion technology for irregularly-shaped steel structures in marine atmospheric zone was proposed. The corrosion resistance, peel strength and flexibility of its major ingredient, including anticorrosive grease and anticorrosive tape were proved by neutral salt spray test, peel strength test and flexibility test respectively, being able to provide a reliable protection for irregularly-shaped steel structures.

oxidative polymerization coated anti-corrosion technology; irregularly-shaped steel structure; marine atmospheric zone; corrosion resistance; mechanical property

10.19289/j.1004-227x.2017.02.010

TG178

A

1004 – 227X (2017) 02 – 0110 – 04

2016–04–26

2016–08–15

国家电网公司总部科技项目：海上风电设备基础和塔筒防腐技术研究与示范应用（5211DS150016）。

钱洲亥（1970–），男，浙江海宁人，高级工程师，研究方向为输变电设备腐蚀与防护。

王静，副研究员，(E-mail) jwang0501@126.com。