焦化厂钢结构涂层的失效及重涂

蔡佳兴*，范益，郦锁云，张万灵

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035）

焦化厂钢结构涂层的失效及重涂

蔡佳兴*，范益，郦锁云，张万灵

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035）

为解决某焦化厂钢结构涂层失效的问题，现场调查了环境腐蚀因素、原防护措施及其失效状况。厂区存在硫化物、氮化物、粉尘等污染物，在原防护施工中存在基材表面除锈不彻底、涂料种类搭配不合理、维护周期不合理、涂层厚度不达标等问题。通过制定适合该焦化厂各区域腐蚀环境特点的涂装方案，并在涂装环节严格控制施工质量，可解决原钢结构涂装防护层提前失效的问题。

钢结构；涂层；提前失效；腐蚀防护

Abstract:Aiming to solve the failure of coatings for steel structures in a coking plant, the corrosion environment, existing protection measures and failure conditions were investigated on spot.Sulfide, nitride, dust and other pollutants were found in the atmosphere.There are some problems during the construction of previous corrosion protection measures, such as incomplete surface de-rusting, unreasonable combination of different types of paints, improper maintenance cycle, and insufficient coating thickness.The early failure of coatings can be solved by developing a coating scheme suitable for the corrosion environment of each area in the coking plant, and strictly controlling the construction quality during the coating process.

Keywords:steel structure; coating; early failure; corrosion protection

First-author’s address:Nanjing Iron and Steel Co., Ltd., Nanjing 210035, China

某焦化厂自建厂3年后，平均每年投入约300万元对厂区内户外钢结构涂层进行维护。然而涂层在1年左右就又会发生局部破坏，表面锈迹斑斑，甚至导致钢结构因腐蚀而发生结构断裂失效。鉴于该焦化厂从延长钢结构涂层服役年限及降低成本方面提出新的要求，笔者在对厂区环境和腐蚀状况进行细致调研后，结合厂区自身特点制定了合理的防护方案。本文对此进行了详细介绍，以供同行参考。

1 焦化厂的情况介绍

进厂煤经配煤粉碎后由皮带送至煤塔，再由加煤车送料至焦炉，干馏后产生焦炭和荒煤气，焦炭经熄焦塔由皮带送至用户，荒煤气经提炼加工出焦油、硫和粗苯后形成净煤气供用户使用。厂内煤场皮带支架，翻煤机，焦炉，加煤车，推焦车，拦焦车，熄焦车，熄焦塔，横管冷凝器，电捕焦油器，机械化氨水澄清槽，脱硫塔平台及栏杆，洗苯塔平台及栏杆，煤气管道，管道支架等钢结构设施均暴露于户外，需进行防腐蚀保护。

1.1 腐蚀环境

该焦化厂所处位置为亚热带季风气候区域，年均降雨量约为1100 mm，降雨天数占全年的30%，年平均相对湿度为75%。其周围有钢铁厂、热电厂和石化厂，酸雨发生次数频繁，为典型的工业大气腐蚀环境。该厂区腐蚀污染物主要有硫化物、氮化物、碳化物、粉尘等。硫化物(如SO2、SO3、H2S等)、氮化物(如NH3、NO、NO2)和碳化物(CO2、CO等)来自焦化厂逸散煤气和周围其他厂区排放的废气，粉尘来自焦化厂的煤粉、焦粉、铁矿粉、泥土扬尘和周围厂区烟囱排放的颗粒物，其中含有氯元素。表1为焦化厂不同区域随机采集的大气污染物分析数据统计结果。

表1 焦化厂中大气污染物的浓度Table 1 Concentrations of air pollutants in a coking plant

根据ISO 12944-2:1998 Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems—Part 2: Classification of Environments，该焦化厂的大气腐蚀性等级被判定为C5-I。该焦化厂设备温度基本与气温保持一致，个别区域处于高温或低温区，如焦炉平台、拦焦车、熄焦车和部分煤气管道处于80 °C的高温环境，而部分煤气管道的表面温度在夏季低于环境温度。

1.2 钢结构原防护措施

该焦化厂在建厂初期基于美观的目的对钢结构进行了涂装，采用铁红防锈底漆和醇酸面漆，涂层总厚度40 ～ 80 μm。在涂层出现大面积失效后对其进行后期维护：先对破损区进行机械打磨，未破损区则仅用碎布擦干净；然后涂刷2道氯磺化聚乙烯底漆和2道氯磺化聚乙烯面漆，设计干膜厚度为60 ～ 80 μm，但未检测实际厚度。由涂层破坏程度和财务拨款时间决定维护周期，只有在涂层大面积失效，钢结构表面出现大量腐蚀产物，同时当年财务款项富足的时候才进行涂层维护。

1.3 钢结构的腐蚀现状

对该焦化厂主要钢结构设施进行实地勘察，其腐蚀情况列于表 2。不同钢结构涂层的服役年限和失效形式不尽相同，图1显示了典型的涂层失效形貌。钢结构涂层服役年限与涂层失效机制有很大关系。

表2 不同钢结构设施上涂层的失效情况Table 2 Failure situations of the coatings on different steel structure facilities

图1 失效涂层的外观照片Figure 1 Photos showing the appearances of failed coatings

2 钢结构涂层失效原因分析

影响钢结构涂层失效的因素主要包括环境和涂层。从环境因素分析，涂层失效破坏不仅与硫化物、氮化物和碳化物的浓度有关，而且与空气潮湿程度，粉尘颗粒的数量及化学性质等有关。从涂层因素分析，涂层失效破坏与涂层本身的保护性能，涂装的施工质量，涂层失效后的维护方式等因素有很大关系。

在潮湿环境或雨水天气，大气中 H2S、SO2、SO3、NOx、CO2和粉尘中的氯化物溶于水中会形成含有氯离子的酸性电解质环境，在基体上发生电化学反应，电化学阴极反应产生的氢气进入基材内部，进一步引发应力腐蚀。大颗粒粉尘附着在钢材表面，与其形成微小缝隙，在潮湿的环境中容易形成缝隙腐蚀。此外，氮化物形成的 HNO3具有氧化性，可与硫化物、碳化物和粉尘中的活性物质发生化学反应，使腐蚀行为更加复杂。因此一旦涂层有微小缺陷或破坏源，钢基体就会被腐蚀，而形成的腐蚀产物又会使涂层加速失效。

该焦化厂钢结构涂层的失效形式主要有鼓包、剥落、开裂、起皮、变色、粉化等。将鼓包、剥落和开裂的涂层刮开后，钢表面有大量腐蚀产物，X射线衍射仪分析其成分为Fe2O3、FeOOH等物质。调查该涂层涂装情况，发现涂装前期除锈不彻底，涂料固化后雨水会通过涂层的微孔或缺陷渗透进入，导致钢腐蚀而产生腐蚀产物。因等质量腐蚀产物体积比钢铁体积大很多，造成腐蚀产物以上的涂层与基体剥离。若涂层韧性较好、较薄，表现为起泡；涂层韧性较差、较厚时，则表现为开裂。起皮发生在早期涂层与后期维护时涂装的涂层之间。调查发现该厂在做防腐维护时仅对锈蚀严重的局部区域进行除锈，且除锈等级不及P St2，未锈蚀区域也未能彻底清理原涂层表面的灰尘和油污，致使新涂层与原涂层的结合力不强。此外，所用涂料由外包的防腐施工队购买，未能保障涂料质量；新老涂层匹配不合理，界面兼容性差也是导致起皮的原因之一。涂层的变色和粉化多是涂料种类选取不当或涂料质量较差所致。耐候性能不佳的醇酸类涂料或劣质的氯磺化聚乙烯涂料在焦化厂严酷的环境中都有可能提前变色和粉化。另外，该焦化厂往往在涂层大面积失效，钢结构腐蚀很严重的情况下才开始维护涂层，不仅钢结构力学稳定性得不到保障，而且年均防护费用也会大幅增加。

综上所述，该焦化厂涂层提前失效的原因主要有：环境腐蚀性强；钢结构表面除油、除锈不彻底；涂料本身质量得不到保障；涂料种类搭配不合理；涂层干膜厚度不够；施工未能按照涂料说明书要求严格执行；后期维护周期不合理。

3 钢结构腐蚀控制对策

3.1 涂层防护方案设计

目前市场上涂料种类多样，合理的涂层防护方案需要根据钢结构所处环境腐蚀等级而定，选择合适的涂料种类，对底漆、中间漆和面漆进行合理的搭配，并确定涂层的干膜厚度。

根据厂区腐蚀环境情况，按ISO 12944-5:1998 Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems—Part 5: Protective Paint Systems设计了如表3所示的涂料体系，目标服役年限为5年以上。采用高压淡水喷射除锈(针对原涂层老化严重及人工除锈不便的部位，压力70 ～100 MPa)以及人工和动力工具除锈相结合的方式，除锈至GB/T 8923.2–2008《涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的目视评定 第2部分：已涂覆过的钢材表面局部清除原有涂层后的处理等级》规定的P Sa2、P St2级。为降低总成本，选择对除锈等级要求较低的功能型低表面环氧类底漆。它与基底黏附性能好，渗透性优异，并可将未去除干净的锈层中的活性铁氧化物转化为钝态，从而降低除锈等级，减少经济投入。为更好地配套底漆，采用环氧云铁中间漆，通过增加漆层厚度来提高涂层的抗渗透能力。采用脂肪族聚氨酯面漆，以增加涂层的抗老化性能和满足设备表面的色彩要求。为适应部分设备的高温工况，采用无机硅酸锌底漆和丙烯酸有机硅面漆的涂层体系。对于非重要的零星钢结构，因易于拆除和更换，所以采用环氧类底漆、中间漆和氯化橡胶面漆，以便后期维护和节省成本。

根据冶金工业建设工程预算定额[1]计算所需费用。先测量厂区各个钢结构设施的尺寸，计算出涂覆面积、高空作业量等参数，再确定涂层防护方案中除锈方式、涂料种类、涂刷道次、干膜厚度等参数，然后输入专业的工程预算定额计算软件──南京同安电子科技有限公司的“同安冶金预决算软件”(版本号4.0.10.18)，分别按原涂层防护方案和表3的设计方案计算总的工程费用，最后将总数平均分摊到服役期年限中，比较年均投入费用。相比原涂层方案(服役年限以2年计算)，表3所列设计方案(服役年限以5年计算)的工程总费用仅增加了10%左右，年均费用投入可节省约150万元。

表3 不同钢结构设施上涂层体系的设计方案Table 3 Design of coating systems for different steel structure facilities

3.2 施工质量控制

除设计有效的防腐涂装方案外，施工质量直接决定了防腐涂装项目的成败。

招标前期，确认施工队伍必须有防腐蚀施工资质，并由防腐涂装设计人员进行针对性培训。

在施工过程中，建立“工序检验与签字确认制度”，严格进行施工监管。除有第三方监理外，必须有防腐蚀涂装方案设计人员现场督导。严格执行施工工艺，执行工序间验收制度，上道工序不到位，没通过验收的，决不能进行下道工序，整个过程由专人负责记录。

施工质量控制的主要注意事项如下：除锈等级必须达到设计要求；涂料品牌需选择名誉较好、市场占有率较高的生产厂家；涂料种类按照设计方案要求搭配，双组分涂料严格按说明书搭配比例调配；涂装的温度、湿度等气候环境条件符合涂料说明书要求，雨天不施工；每道次干膜厚度都必须达到设计厚度方可进行下一道涂刷工序，总干膜厚度必须达到设计要求范围，不低不超。

施工项目总体验收由所有参与防腐项目的人员共同完成，包括业主单位、施工方、涂装方案设计方、监理等，并共同审核施工工程记录，随后存档，以便涂层出现提前失效问题时进行质量追踪，建立质量责任追查制度。

4 应用效果

该厂部分煤气管道和管廊支架按照上述设计方案进行涂装和施工，目前已有2年，现场跟踪记录涂装效果，尚未发现钢材基体锈蚀及涂层老化现象。

[1]冶金工业建设工程定额总站.冶金工业建设工程预算定额: 第八册──刷油、防腐、保温工程[M].2012年版.北京: 冶金工业出版社, 2013: 87-150.

[ 编辑：杜娟娟 ]

Analysis on failure of the coatings for steel structures in a coking plant and re-coating design

CAI Jia-xing*,FAN Yi, LI Suo-yun, ZHANG Wan-ling

TQ639; TG174.4

B

1004 – 227X (2017) 18 – 0988 – 04

2016–11–23

2017–05–25

蔡佳兴（1986–），男，河南夏邑人，硕士，工程师，研究方向为腐蚀与防护。

作者联系方式：(E-mail) caijx200@qq.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.007