市政常见金属结构大气腐蚀防护方法及薄弱环节调查

黄彦良，许勇,4，杨丹，张琦超，王文成，路东柱，杨黎晖，王秀通

（1. 中国科学院海洋研究所 中国科学院海洋坏境腐蚀与生物污损重点实验室，山东 青岛 266071；2. 中国科学院海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071；3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋腐蚀与防护开放工作室，山东 青岛 266237；4. 中国科学院大学，北京 100049）

钢铁材料在大气环境下将遭受腐蚀破坏，影响工程结构的安全[1-6]，同时也使观赏性下降，因此，一般需对其进行保护[4]。据统计，材料腐蚀成本占国民生产总值的3.34%[7]，其中因大气腐蚀造成的经济损失约占总腐蚀损失的1/2以上[8]。正因为如此，大气腐蚀防护就显得十分重要。GB/T 20852—2007《金属和合金的腐蚀大气腐蚀防护方法的选择导则》[9]指出，可通过降低环境的腐蚀性、防腐蚀设计、选择合适的材料和采用合适的防护层覆盖产品对大气腐蚀进行防护。关于大气腐蚀性，美国曾在523个城市进行为期25年的大气腐蚀调查，绘制了大气腐蚀图[10]。英国[11]、澳大利亚[12]、新西兰[13]等国均开展过较大范围的区域性大气腐蚀调查。我国台湾省也开展过较详细的大气腐蚀调查。我国大陆在20世纪80年代后期陆续有以大气腐蚀性为主题的调查工作开展。先后在辽宁、海南、贵州、山东以及其他部分地区开展了大气腐蚀性调查工作[14-19]。由于市政设施所处的环境为自然大气腐蚀环境，是一种自然属性，一般无法或很难通过降低腐蚀性来进行防腐蚀。可选择的防腐蚀措施有防腐蚀设计、选择合适的材料和采用合适的防护层覆盖产品。在设计和材料确定后，一般是通过防护层进行保护，也是一种主要的防护方式。近几年来，关于防护层，在无机富锌涂层[20]、55%Al-Zn-Mg涂层钢[21]、喷涂铝涂层[22]、环氧镀锌双涂层[23]、氧化聚合型覆盖防腐技术[24]、石墨烯重防腐涂层[25]、等离子喷涂FeCr纳米复合涂层[26]、超疏水涂层[27]、新型绿色溶剂环氧涂料[28]、钝化处理[29]等方面开展了较详细的研究。这些防护方法在大气腐蚀防护方面有潜在的应用价值。文中对山东省17个市市政常见的栏杆、指示灯杆、照明灯杆、指示牌、信号塔等的腐蚀情况进行了调查，了解大气腐蚀防护措施的应用情况、与防护方法研究推广的联系、存在的问题，提出了改进建议。

1 材料选择

从调查的山东省17个城市市政设施金属材料的使用来看，主要分为碳钢和不锈钢两类。碳钢一般均经过保护，不锈钢在各地均有使用，一般未进行进一步保护。不锈钢被认为是一种耐蚀材料，但在实际大气环境使用过程中也发现有腐蚀发生。烟台、威海、青岛、日照、淄博的不锈钢结构均有腐蚀现象，出现较严重的腐蚀锈斑，如图 1所示。其他各地不锈钢除局部锈斑外，未见较明显的腐蚀。从公布的各地气温和主要污染物排放情况看[30]，各地气温差别不大，温差在 2.4 ℃以内，温度应不是这些地区腐蚀较重的原因，且平均最高气温并不是这些地区。平均气温最高的为菏泽和济宁，为15.7 ℃。烟台、威海、青岛、日照不锈钢较重的腐蚀与沿海城市钢结构表面较多的氯离子沉积有关。淄博为内陆城市，从污染物的单位面积排放情况来看，淄博的 SO2和NOx的排放量最高，在内陆城市中它的钢结构腐蚀情况也是较重的，较重的腐蚀与较高的 SO2和 NOx的排放量有关。

图1 烟台、威海、青岛、日照、淄博不锈钢结构的腐蚀Fig.1 Corrosion of stainless steel structures in Yantai, Weihai, Qingdao, Rizhao and Zibo of Shandong, China

2 碳钢的大气腐蚀防护现状

2.1 锌镀层防腐

在日照万平口海滨见到锌镀层保护的碳钢指示牌柱，如图2所示。可以看到，部分锌镀层已经消耗，主要是朝向大海一侧。锌镀层除起一定的物理隔离作用外，在涂层局部破损后，还对碳钢基体起一定的阴极保护作用。由于单纯的锌镀层一般较薄，保护作用有限，如与其他保护方法（如有机涂层防腐）配合使用，可延长使用寿命。

图2 日照万平口海滨某碳钢指示牌的锌镀层防腐Fig.2 Corrosion appearance of a galvanized steel indicator column on the beach of Wanpingkou, Rizhao: a) facing the land; b) facing the sea

2.2 涂料防腐

在碳钢的大气腐蚀防护中，涂料的使用十分普遍，在调查的17个城市中均大量使用。滨州和泰安银粉漆涂装的碳钢街道照明灯柱如图3所示。泰安和烟台街道上灯柱涂装使用的普通油漆如图4所示。由于涂层老化，基体金属腐蚀等原因，用涂料防腐有涂层脱落现象，如图5所示。

图3 滨州和泰安街道上银粉漆涂装的街道照明灯柱Fig.3 Street lighting lamppost coated with aluminum paint in Binzhou and Tai'an

图4 泰安和烟台街道上普通油漆涂装的街道照明灯柱Fig.4 Street lighting lamppost coated with aluminum paint in Tai'an and Yantai

图5 枣庄滕州和济南街道上碳钢结构涂层破损情况Fig.5 Coating damage of carbon steel structures in streets of Tengzhou of Zaozhuang and Ji'nan

2.3 包覆防腐

有些城市的某些碳钢结构采用包覆防腐。包覆的材料有玻璃钢、混凝土、不锈钢和塑料等。在滨州和东营街道上分别见到碳钢结构的玻璃钢包覆防腐和不锈钢包覆防腐（见图6、图7）。在青岛汇泉广场见到某碳钢结构的混凝土包覆防腐（见图 8）。在青岛黄岛区见到海滨景观碳钢锁链的塑料管包覆防腐（见图 9）。

图6 滨州和东营街道上碳钢结构的玻璃钢包覆防腐Fig.6 FRP coated anticorrosion of carbon steel structure in streets of Binzhou and Dongying

图7 滨州和东营街道上碳钢结构的不锈钢包覆防腐Fig.7 Stainless steel covered anticorrosion of carbon steel structure in streets of Binzhou and Dongying

图8 青岛汇泉广场某碳钢结构的混凝土包覆防腐Fig.8 Anticorrosion of a carbon steel structure by concrete cover in Huiquan Square, Qingdao

2.4 碳钢螺栓的防腐

碳钢螺栓的防腐是一个容易被忽视的部分。在调查的金属结构中，大部分碳钢螺栓没有进行保护或保护不完善。如图10所示，碳钢结构主体进行了涂料保护，但地脚螺栓没有得到保护，腐蚀已经比较严重。在个别地区（如济南和德州）见到地脚螺栓得到较好保护的例子，如图11所示，对螺栓保护的方法和主体结构的保护方法相同，均使用涂料进行保护。这种保护方法在初始阶段对螺栓能够起到一定的保护作用，但随着时间的推移，由于螺栓在涂料施工前，表面处理困难，涂层施工质量可能比平整表面低，导致螺栓腐蚀提早发生。图11a中，部分螺栓已有腐蚀发生的迹象。从图10b来看，螺栓周围尚残存部分涂层，表明在螺栓腐蚀之前，也曾涂刷了涂料进行防腐。图10、图11说明单纯的涂料很难对螺栓进行有效保护。调查中发现，部分结构为避免螺栓的大气腐蚀，将螺栓完全埋入地下。

图9 青岛黄岛区海滨景观碳钢锁链的塑料管包覆防腐Fig.9 Plastic pipe cover anticorrosion for carbon steel chain in Seaside Landscape of Huangdao District, Qingdao

图10 潍坊和日照街道地脚螺栓腐蚀Fig.10 Corrosion of anchor bolts in streets of Weifang (a) and Rizhao (b)

图11 济南和德州街道地脚螺栓的涂料防腐Fig.11 Corrosion prevention of anchor bolts by painting in streets of Ji'nan (a) and Dezhou (b)

在德州和枣庄滕州发现有专门对螺栓进行特殊保护的情况。如图12所示，德州街道部分地脚螺栓采用塑料套管灌入混凝土的方法进行保护，表明已经注意到螺栓采用通常的涂料较难进行有效防护。枣庄滕州某信号塔底座地脚螺栓腐蚀的防护情况如图 13所示，螺栓上部已用塑料袋包裹油脂进行防腐。在下部混凝土底座和金属结构之间缝隙内的螺栓连接部分并未进行防腐，腐蚀已比较严重，有一定风险。

图12 采用塑料套管灌入混凝土的方法防腐Fig.12 Corrosion prevention by plastic tubes filled with concrete

3 大气腐蚀防护中存在的问题

使用耐蚀材料（如不锈钢）是防止大气腐蚀的措施之一。但在沿海或大气污染物排放量大的大气腐蚀性较强区域，普通不锈钢仍有较重的腐蚀发生，建议进行适当的防护或选用更耐蚀的不锈钢（如 316L）等。在选用不锈钢进行包覆防腐时，建议应包覆完整，同时使用相同的材料。如图 7a所示，下部没有包覆完整，不仅下部未包覆部分发生了腐蚀，水汽还可以通过下部的缝隙进入上部，内部仍然可能发生腐蚀。从图7b可以看出，整体施行了包覆不锈钢的防腐，但上面安装的合页及螺钉仍然使用碳钢，其中螺钉已经腐蚀。碳钢和不锈钢在腐蚀介质中具有不同的电位，易发生电偶腐蚀，使碳钢腐蚀加速。同样，在选择不锈钢作为金属结构材料时，螺栓也应选择不锈钢，否则碳钢螺栓因电偶腐蚀将加速破坏，起不到应有的效果。如图14所示，临沂沂水街道的一不锈钢结构倒伏，其中不锈钢部分光亮如新，但由于螺栓为碳钢，因碳钢螺栓完全腐蚀而发生整体结构失效。包覆防腐需要注意端部的封堵，如不封堵将引起端部金属裸露部分的腐蚀（见图 9）。不锈钢在焊接或表面有擦伤时，在焊缝擦伤处易引起腐蚀，如图15所示。因此，不锈钢在焊接后应进行适当的处理并避免表面擦伤。

图14 临沂沂水街道的一不锈钢结构因碳钢螺栓完全腐蚀而倒伏Fig.14 A lodged stainless steel structure in streetof Yishui, Linyi due to fully corrosion of carbon steel bolts

图15 不锈钢在焊接或表面擦伤处发生腐蚀Fig.15 Corrosion of stainless steel at welding points or surface scratches

如2.4小节所述，碳钢螺栓的腐蚀防护是一个薄弱环节，防腐施工要到位，不仅要注意表面（如图13所示），也要注意视线不易到达的部位，做到全面保护。否则，即使其他部位防腐做得很好，结构或设施也会因薄弱处首先失效而造成整体失效。

4 结语

通过大气腐蚀防护方法调查发现，人们已经掌握了一些基本的大气腐蚀防护方法，如选择耐蚀材料、涂料防腐、包覆防腐等。一些地区对螺栓防腐这一薄弱环节也有一定程度的重视，但还不够理想。一些腐蚀防护中的专业问题没能注意到，如异种金属接触的电偶腐蚀，在腐蚀防护中还较欠缺系统的防护设计。新近研发的防腐技术还没能很好地推广应用，研究与应用的联系需加强。这可能与新技术工艺复杂、不利于施工有关，也可能在新技术推广方面需要加强。不过，研发新型低成本施工工艺简单的防护技术应是大气腐蚀防护技术研发的方向。