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海洋环境螺栓等异形件防腐现状及应对措施
2021年05月13日    阅读量:5279     新闻来源:《涂层与防护》杂志    |  投稿

引 言   

海洋环境是自然界当中最严苛的腐蚀环境之一。金属材料在海洋大气环境或者海水当中极易产生严重的腐蚀现象。很多长期暴露在海洋大气环境下的螺栓等异形件腐蚀情况严重,导致部分螺栓等异形件拆卸困难,结构件之间的连接强度降低,同时给结构件的正常服役和日常的维护保养带来了新的难题涂料在线coatingol.com


异形件的腐蚀是普遍存在的,长期以来并未引起人们的关注。而设计者通常比较关心异形件的应力应变状况、疲劳寿命、冲击负荷以及断裂失效等力学性能的变化,忽视由于异形件腐蚀可能带来的问题。异形件在腐蚀初期阶段,表面会产生锈迹,影响美观,同时,如果腐蚀未得到及时处理,甚至会导致结构件产生腐蚀断裂,不仅会影响结构件的安全使用,还可能引起安全事故。螺栓等异形件在腐蚀很严重的情况下才被发现和重视,某些设备的螺栓腐蚀、失效甚至会影响结构件的功能,可能会导致设备事故及人员伤亡事故,造成不可估量的损失。所以对于螺栓等异形件的腐蚀情况和防腐措施应给予高度的关注。


1、海洋环境下异形件腐蚀现状及原因分析


据统计,我国每年因钢构件腐蚀造成的经济损失高达1 500亿元,约占当年国内生产总值的4%,海洋环境腐蚀损失约占三分之一。提高钢结构在海洋环境中的耐腐蚀性是一个综合性的问题,需要从设计、施工、维护等方面加以考虑。


金属钢构件在海洋环境下的腐蚀主要受大气中的酸性气体、大气相对湿度、大气中的盐分含量等综合影响,耐海洋大气腐蚀性能较差,严重影响结构件的正常使用寿命。相较于陆地大气环境,海洋大气环境水汽含量高,盐分含量大,金属腐蚀情况更为严峻。另外,在海洋大气环境下,金属表面易附着真菌和霉菌,使得金属表面的水汽含量进一步增加,腐蚀加剧。据报道,在自然条件下,50%以上的腐蚀都是由大气腐蚀引起的,由此可见大气环境腐蚀的严重性。


此外,海水也是一种典型的腐蚀电解质溶液,金属在实际的海洋环境中的腐蚀存在3个峰值点,第一个峰值点是浪花飞溅区,通常发生在平均高海潮线以上,是金属构件腐蚀最严重的区域,也是最严苛的海洋腐蚀环境;第二个峰值点发生在平均低海潮线以下0.5~1m左右,在这一区域中溶解氧含量大、流速快、水温高,并且存在大量的海洋生物附着繁殖,容易产生腐蚀;第三个峰值通常发生在海泥与海水的交界处下方,产生腐蚀电池。


螺栓是连接和固定钢结构的重要零件,但是往往也是腐蚀最严重的区域,设计者对螺栓的防腐要求一般仅限于螺栓出厂运输、存储防护,并且在工程应用中,由于间隙较小、结构复杂导致的防护困难,设计通常不会提出具体的防护方案,往往导致其他部位完好,但是螺栓已经开始产生腐蚀。如果不进一步采取措施,腐蚀不断加剧,直接导致钢构件的连接强度减小,存在严重的安全隐患。与此同时,跨海大桥的钢索、钢构件的焊接部分、海上设备的球形节点、法兰以及储罐的边缘板等异形件由于其结构特殊,在腐蚀防护过程中可能存在较多的缺陷、棱角和缝隙,导致结构件的局部不平整,易产生积水,进而发生应力腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和电偶腐蚀行为,异形件的腐蚀问题往往很严重,是海洋环境下钢构件腐蚀防护的短板。


2、螺栓等异形件防腐措施分析


2.1 材料及表面处理工艺

生产螺栓、螺母所用的钢材都是经过轧制或者锻造工艺的,通常为珠光体、铁素体或者奥氏体,此外生产原料当中的硫磷成分含量对产品的防腐性能具有一定的影响。除了硫磷等特殊成分以外,为了适应不同的使用环境,生产原料中还会限定其他成分的含量。螺栓、螺母等结构件的化学成分不是提高防腐性能的主要因素,其主要的防护手段还是通过外涂层防护。


螺栓等异形件的表面处理工艺通常有表面光亮处理、热浸镀、电镀、电镀+特殊防腐层、发蓝处理,此外还有一些特殊的处理工艺,如达克罗工艺、不锈钢处理、特氟龙工艺、合金共渗等。


2.2 涂层防护

涂层防护是海洋大气环境下最常用的防腐措施,其主要优点是成本低、工艺简单,但是对于基材表面的处理要求很高,而螺栓等异形件因其形状不规则,表面处理很难达到要求。此外,防腐涂料在施工操作过程中易产生流挂、漏涂等现象,导致在异形件的局部区域或者边缘区域很难达到所要求的膜厚。因此,在这些区域表面的涂层易产生鼓泡、剥离现象,并且由于保护时间短,在后期的养护施工时,表面涂层和锈层难以清除,维护成本高。目前,通常考虑选择厚浆型可覆涂涂料,如环氧类、聚氨酯类、橡胶类等。


2.2.1 橡胶涂层

橡胶涂层防腐性能优越,适用于螺栓等异形件的腐蚀防护。该产品是一种双组份常温硫化型橡胶类黏稠液体,硫化后呈中硬弹性体,其主要利用液态橡胶的常温快速硫化技术及适用于大多数常见固体表面的粘接技术,并能和非橡胶物质形成牢固的结合。目前已经在异形件防腐(阀门井、法兰、阀门)、混凝土基座、管道支架、发汗管道、锈蚀的螺栓螺母,海洋钢桩等部件上获得应用,但是考虑到经济性问题,尚未在异形件防护领域得到大规模应用。


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图1 万粘胶现场使用效果图


2.2.2 厚浆型聚氨酯涂料

在海洋环境下,异形件重防腐配套体系为环氧富锌-环氧中间层-聚氨酯面层,传统的聚氨脂涂料通常是低固体含量、高光泽度、高压无空气喷涂,一次成膜厚度只能达到30μm,否则可能会产生流挂现象,不能满足海洋环境重防腐要求。宜采用厚浆型聚氨酯涂料,厚浆型聚氨酯涂料以含羟基树脂配合聚苯胺纳米复合材料、钛白粉、云母粉、磷钛粉、催干剂、防锈颜料等组成A组份,B组份为HDI三聚体。厚浆型聚氨酯具有黏度低、固体分高、理论涂布率高,一次成膜湿膜能达200~250μm,外观平整光滑,无气泡,很好的附着力,耐磨性、耐化学介质等性能。广泛适用于钢结构设施、集气站、化工设施、各种储存罐贮槽,桥梁、电机、火车、汽车、海洋石油服务平台及构造件防腐等。


2.2.3 可剥离涂层

目前主要研究的可剥离涂层分为热熔型和溶剂型,热熔型涂料主要是以乙酸丁酸纤维、乙基纤维素为主要成膜物质,通过加热将树脂材料和其他辅助材料混合溶解。热熔型在常温下为坚韧的塑料,需要加热到140~180℃后才能涂覆,施工操作较为复杂,成本较高,并且对施工尺寸也有限制;溶剂型涂料以过氯乙烯树脂、低相对分子质量的聚苯乙烯、尼龙共聚物、聚乙烯醇、聚丙烯酸树脂、SBS共聚物等为成膜物质,将这些成膜物质溶于有机溶剂中,并加入部分辅助材料而成。溶剂型可剥离涂层使用方便,可在室温下浸涂,因此得到了广泛的应用。相对于其他涂层,可剥离涂层由于其可剥离性,适用于需要经常拆卸的螺栓等异形件的防护。


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图2 可剥离涂层现场应用


2.3 涂油防护

涂油防腐主要是在螺栓等异形件的表面涂覆一层特质油脂(碳钢螺栓通常采用黄油、不锈钢螺栓采用石墨锂基润滑脂),通过隔绝空气达到防腐效果。涂油防护施工方便、快捷,无需特殊设备。但是也存在一定的局限性。针对异形件防护时,局部位置不能完全覆盖,并且防锈油脂长时间与水接触会产生乳化反应,在干燥环境中也容易干结。


因此,采用涂油防护时,通常需要采取定期检查和养护的措施,防止由于防锈油的干燥、乳化、挥发等原因引起的防护措施失效。防锈油也会在空气当中发生氧化反应,生成酸性的物质,一方面会加速金属构件的腐蚀,同时也会破坏防护油脂的结构,使得滴点下降、基础油黏度增加、流动性变差,另外使用环境中的水分、尘埃以及有害气体等也会导致防锈油的劣化。


目前部分跨海大桥螺栓等异形件的防护采用涂油防护,螺栓、螺母表面涂抹黄油,外部添加PVC(聚氯乙烯)防护罩,阻止外界水分及空气与构件的直接接触,达到防护作用。但是海洋腐蚀环境恶劣,防护罩容易出现劣化脱落,黄油液化流失,后期导致钢构件产生严重腐蚀,严重影响安全服役。


2.4 包覆材料防腐

包覆材料防腐技术采用了3层相连的保护层,从内到外分别是防腐膏、防蚀带和外部保护剂。此外,异形件防护还采用防蚀胶泥填充局部空隙。防腐膏是包覆材料防腐中最重要的一部分,防腐膏直接与金属表面接触,其含有的锈转化成分可将表面锈蚀的部分转化为黑色保护膜,保护性密封层的形成可以防止钢基体的进一步氧化腐蚀,起到除锈和防锈的双重作用。防蚀带是纤维无纺布在防蚀溶液中浸泡而成,较为柔软,在各种复杂的架构表面均可粘贴。


防蚀带在施工后,外表面会发生氧化聚合反应变得干燥,内表面与钢基体紧密接触,以保持柔软状态并达到最佳的防腐性能。同时,浸渍有特殊调制的防腐材料的防蚀带具有良好的密封性能,可以将基体表面与水、盐、空气等腐蚀介质隔离开,从而达到最佳的防护性能。此外,防蚀带还具有良好的阻燃性和耐候性。最外层的保护剂是可固化的表面保护材料,可以直接涂刷在防腐蚀带的表面。外表面防护剂可以在空气中短时间氧化形成耐候性能优异、密封性好、坚韧完整的保护膜,有效防止腐蚀介质的侵入和自然老化 。


包覆材料防腐具有长久性,防护效果好,通常可以防护15~20a。但是,目前包覆材料防腐成本较高,还不具备大规模应用的条件,另外,针对经常发生内漏的法兰也不适合采用包覆材料防腐技术。


2.5 防护套防护

根据螺栓等异形件的形状和规格,加工标准的防护套,在防护套中添加密封胶,能有效隔绝空气和水分侵入基体表面。防护套的拆卸十分简单,并且不影响设备的检修和拆卸,是一种行之有效的防护方法,适用于大批量标准化施工,以增加美观性。但是螺栓保护套不适合用于介质浸泡或有水流动的环境中。


2.5.1 聚硫+防护套

聚硫密封胶作为高档密封材料,其主要成分为液体聚硫橡胶图片辅以补强剂、硫化剂、增塑剂等构成。因液体聚硫橡胶的主链上存在“S”原子,固化后形成了饱和的-S-S-、-C-S化学链段结构,故聚硫密封胶具有优异的耐油、耐老化、耐溶剂、耐酸碱的特性,并且耐水性和耐热性好、透气率低,具有一定的弹性,与金属和非金属的结合力好。通常双组分的聚硫密封胶,在使用时需要将A、B组分按照一定比例均匀混合,才能固化起到良好的密封效果;单组分聚硫是一种无溶剂的室温固化密封胶,其主要是利用密封胶与空气中含有的微量水分产生固化反应,与基体表面活性基团反应形成粘接作用。聚硫密封胶粘接密封性能好、使用寿命长,因其价格便宜,优先推荐使用。


2.5.2 环氧煤沥青+防护套

20世纪60年代,环氧煤沥青已成为一种广泛应用的高性能防腐涂料。环氧煤沥青常用在埋地和地下水的钢制管道、油轮压载舱、钢构件及混凝土结构上的防腐。目前国内在石油化工和城建部门的热力、煤气、输气、输油、自来水等系统的埋地钢质管道和钢制储罐的防腐蚀工程中广泛使用环氧煤沥青涂料。


环氧煤沥青具有耐盐水性、抗化学性、耐水性、耐油性,耐微生物腐蚀性能优异,并且漆膜具有优异的耐冲击性、耐磨性、附着力等物理性能,适用于海洋环境下异形件的防护。


2.5.3 紫外光固化涂料+防护套

紫外光固化涂料是指在紫外光照射下能够交联固化的一类涂料,因其高效涂装固化和环境友好特性,已经广泛应用于金属、塑料、玻璃、陶瓷等多种基材的防护。紫外光固化涂料品种繁多,性能优异,其成分主要包括反应性低聚物(预聚物)、活性稀释剂(单体)、光引发剂、以及各种填料与助剂。


光固化涂料是一种无缝密封防火防腐绝缘密封材料,其具有优异的耐温性能、耐化学腐蚀性能及高使用寿命,对一般的酸、碱、盐、多种有机溶剂和油类、海水以及土壤都具有一定的抵抗作用,可以完全阻碍内外层介质或者空气的渗透,从而保证基材的长期保护,提供长效的防腐增强作用,适用于重盐雾、重酸雾等重腐蚀环境下的各种螺栓等异形件的防腐、防锈及防渗。


结 语

(1)随着海洋强国战略的实施,我国对海洋环境下的腐蚀问题越来越重视。螺栓等异形件虽然只是工程项目上的小部件,但大都裸露在表面,如果出现腐蚀等问题,轻则影响美观,重则影响整体构件的强度。螺栓等异形件的防护措施很多,通常单一的防腐蚀措施很难满足长效防护的要求,必须采取多种方案有效结合,同时开发新方法、新技术,才能不断提高异形件的长效防护能力;


(2)针对异形件防护,可根据使用条件,从服役时间、防护特点、成本等诸多方面综合分析,可先采取小规模试点,并逐步形成标准化的施工方案;


(3)研究异形件在含水、含锈等条件下的防护材料及施工技术,同时开发适合异形件、耐高温、便于清理和养护的长效防护材料,是目前异形件防护领域急需解决的问题。


参考文献(略)


作者 | 史慧彬,官华,刘舟峰,等 

(浙江舟山跨海大桥有限公司;中海油常州涂料化工研究院有限公司)


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