建筑用不锈钢选材指南

2018-12-29 12:41:32 作者：本网整理来源：国际钼协会分享至：

不锈钢是最耐用的建筑材料之一。但是，不锈钢不止一种，不同的不锈钢性能各不相同，特别是耐腐蚀性各不相同。如果不锈钢牌号和表面选择正确，设计合理，维护得当，实际上不锈钢的外观和性能将在建筑物的整个寿命期内始终保持不变，其寿命甚至可超过100年。但如果不锈钢牌号和表面选择不当，可能会有腐蚀的问题。尽管对结构的完整性可能没有太大的影响，但会影响外观，增加维护工作量。本文介绍了如何评估建筑项目的环境腐蚀性，并给出了不锈钢的选用指南。

在建筑应用中，腐蚀性环境被定义为暴露在防冻盐或沿海含盐环境下的地区或存在工业或城市污染的地区。使环境具有腐蚀性的成分包括海水或防冻盐（氯化钠，氯化钾和氯化钙）以及电厂或化工厂和机动车排放的废气所形成的酸雨。

建筑常用的不锈钢

建筑常用不锈钢大致分为奥氏体、铁素体和双相不锈钢。这些不锈钢一般可通过 “冷加工” 而不是热处理硬化。

奥氏体不锈钢如304和316含有铁、铬和镍，它们没有磁性，有非常好的成形性；铁素体不锈钢如430，444含有铁和铬，它们有磁性，成形性有限；双相不锈钢如2205含有铁、铬和中等量的镍，它们比铁素体或奥氏体不锈钢强度高，有磁性，成形性一般。还有专利的“节约型”双相不锈钢，具有316和317L不锈钢的耐腐蚀性和价格以及双相不锈钢的较高强度。

下图比较了不同不锈钢的相对耐点蚀能力，采用耐点蚀当量数（PRE）来评估材料的耐腐蚀性，随着铬、钼和氮含量的增加，不锈钢的耐腐蚀性增加。图1所示的不锈钢中，耐腐蚀性最好的是超级铁素体不锈钢447、超级双相不锈钢2507和6%钼的超级奥氏体不锈钢，当这些牌号的不锈钢浸没在海水中时，能够耐海水的点蚀。除了304不锈钢，都添加了钼来提高耐腐蚀性，特别是耐盐（氯离子）腐蚀。

冷轧、压花和成形操作如弯曲或深冲改变了金属的形状，对其进行了冷加工或强化。所有这三类不锈钢都可以用通常的建筑成形技术来成形，但只有奥氏体不锈钢有时特意采用冷加工来进行强化处理。在可能承受较高载荷或冲击的结构及薄板用途中，冷加工是减轻重量和提高强度的一种经济实用的方法。

建筑和结构常用的不锈钢牌号有430，304/304L和316/316L不锈钢以及2205和444，其中占主导地位的牌号是304和316不锈钢。

不锈钢的选用概述

430不锈钢可用于低腐蚀性的室内、乡村/郊区或城市地区；304不锈钢可用于室内、乡村/郊区、低-中度污染的城市环境以及低湿度和低温度的沿海环境。304适合于绝大多数的内部应用和腐蚀风险较低的外部应用，所需要的维护很少甚至不需要维护。在中等腐蚀性的环境中，如果选用光滑的表面，并且有定期的冲洗，304不锈钢也可采用；316或444不锈钢广泛用于低-中等浓度的海盐或除冰盐条件，以及中等-高度城市污染环境，或低-中等工业污染环境。若表面粗糙度选择得当，316或444不锈钢在大多数腐蚀性环境下几乎不需要人工清洗就能保持良好的外观；对于腐蚀性非常强的环境，包括经常被盐水海水喷溅或在盐水里浸泡的情况；降雨很少的沿海区域和时常有盐雾或有其它盐在材料表面高度浓缩的情况；工业污染、酸雨和沿海或除冰盐三者结合的环境，以及高度工业或城市污染或高盐环境而又不能经常清洁维护（被遮挡的部位）等情况，若采用316或444不锈钢，则需要定期清洗。如果希望免清洗维护，可选用耐蚀性更好的2205、317LMN、904L、447、6%Mo不锈钢等超级不锈钢牌号。

如果设计中涉及厚度大于6毫米（0.25英寸）的焊接型材时，应采用低碳带“L”的不锈钢牌号（如304L和316L）以便保持耐腐蚀性。规定硫含量不超过0.005%，这样可改善耐点蚀性能。

如果不锈钢牌号选用适当，则无需施加保护层。不锈钢有各种机械加工的表面以及各种颜色的表面可供选择，有板材、带材、棒材、管材、铸件和挤压型材等各种产品形式。

场所和设计评估系统

在建筑应用中，美学要求和性能要求必须与预算方面的考虑（希望采用具有成本效益的材料）相平衡。确定一种符合美学标准又具有成本效益的不锈钢，需要对现场环境、天气、不锈钢的表面处理、设计和维护计划进行评估。初步评估腐蚀对建筑项目的影响，可利用IMOA的“场所和设计评估系统”，使设计师了解哪些因素影响不锈钢的选择。这里假定不锈钢的腐蚀锈斑即使不会引起结构上的损坏，在美学上也是不可接受的。

使用之前最好对附近的不锈钢结构和维护状况进行考察，因为有些变化因素难以预料，建议样品模拟设计方案并暴露4-6个月，在腐蚀较严重的海洋和工业环境下暴露时间也可缩短至6周。

“场所和设计评估系统”是根据实际经验和大气暴露试验结果开发出来的。对一个场所及应用进行评估是复杂的，由于局部条件和微观气候的不同，相邻的场所也可能有不同的要求。这里的分值应被看作是进行初步评估的原则，不是精确的科学定义。

评估系统有5部分，根据这5个方面的具体情况确定每部分的分值，然后加起来算出总分，根据总分选择不锈钢。如果不同建筑部件的设计特性、维护计划或暴露情况有明显的不同，则每个建筑部件都应有一个分值。

如果仅靠现场考察不能确定腐蚀性污染物或盐类（氯化物）是否存在，可在实验室对未冲洗过的现场样品表面进行试验。样品必须经过长期暴露且未清洗过，收集和处理样品时注意不要去掉表面的沉积物。

评估系统

潜在的高腐蚀区域，请不锈钢腐蚀专家评估该场所

这个范围指该氯化物浓度所在之处与乡村小路和大交通流量道路之间的距离。测试的是表面的氯化物含量

如果还有盐或污染物，请不锈钢腐蚀专家评估该场所

特别的腐蚀条件包括：

偶尔或经常性的海水或防冻盐飞溅、浸泡或盐雾

工业或城市污染程度高

既在海边又有防冻盐

含盐或污染的湿热环境，降雨量非常低或无降雨

总分为5分或以上的场所和设计如果遇到特别的腐蚀条件，可咨询专家意见。

对评估系统相关部分的说明

第一部分：环境

如果对一个地区的污染程度不了解，一般可从互联网上获取有关数据，或向当地或国家政府部门咨询。污染指标包括大气中二氧化硫和悬浮颗粒物含量。

农村：人口密度低、具有非污染轻工业的农村或郊区包含在此类。从该区域的上风向迁移来的空气污染（工业所致）会改变这一分类。

城市地区：城市地区包括居住、商业和轻工业区域，空气污染（车辆交通所致）为低至中度。未进行空气污染控制或局部条件使污染加剧的区域一般属于高度城市污染区。

工业区工业区：通常会有燃煤所致二氧化硫和氮氧化物排放，还有化工和加工工业设备的气体排放。空气中的颗粒物如燃料未充分燃烧所致的烟灰或氧化铁增加了区域的腐蚀性。未进行空气污染控制或局部条件使污染加剧的区域通常属于高度工业污染区域。

第二部分：沿海或防冻盐环境

盐会使建筑金属包括某些不锈钢发生腐蚀。如果湿度和温度足够高或经常有小雨或雾气，表面上沉积的盐会吸收潮湿气形成高浓缩的腐蚀性盐溶液。

如果建筑结构部件偶尔或经常受到海水或防冻盐飞溅、盐雾或浸没的影响，应当向不锈钢腐蚀专家咨询。如果一个地区受到海盐和防冻盐的双重影响，也应向腐蚀专家咨询，因为海盐和除冰盐的双重影响使得该区域的腐蚀性比仅有一种盐时更强。

沿海和海水环境：当地的气流模式决定了海盐被带往内陆的距离。一般认为距离海水8-16公里的区域为沿海地区。海风有时将盐吹到内陆的距离较短，有时可能会远远超过16公里。可以对现场样品进行含盐量测试。浸没到海水中或经常受到海水飞溅的结构需要采用超级双相不锈钢、超级铁素体不锈钢或含6%钼的超级奥氏体不锈钢。

防冻盐环境：氯化钠、氯化钙和氯化镁用于除冰防冻。除冰盐聚积使路边和人行道附近环境具有腐蚀性。车辆、风速和交通流量是决定道路盐雾能够漂移多远的最重要因素。通常与防冻盐施放处距离较近的地方盐浓度较高，但盐污染物并不局限于道路旁边。如果交通流量大，风力大，则道路上的盐雾可向上飘移59层楼，或从繁忙的高速公路横向漂移1公里。如果临近的道路交通流量低或风往相反的方向吹，则盐沉积物一般就在道路旁边。较大的城市街道和高速公路通常施放的除冰盐较多，产生的盐雾和干燥盐尘的浓度较高。评估系统显示了小路到繁忙高速路上存在不同含量除冰盐的距离范围。随着冬季气候严酷程度的不同，盐含量有很大的不同。如果盐含量不确定，可取样测定表面的氯化物含量。

第三部分：当地气候状况

当地典型的温度、湿度、降雪和降雨量和雾天的天数等信息一般可从网上或政府部门获取，再补充当地的气象观测结果。雾中的潮气、带薄雾的小雨或高湿度可与表面的腐蚀性物质共同作用使腐蚀发生。较高的温度将增加腐蚀速度。腐蚀性最强的环境是雨水稀少或无雨，温度高，存在盐（氯化物）或腐蚀性污染物，湿度为中等至高或经常有雾的区域。既要了解年降雨量也要考察降雨的类型，小雨不能冲掉表面污染物，暴风雨或雷阵雨可冲刷掉表面的腐蚀性物质，降低发生腐蚀的风险。如北美东部和北欧经常有大雨，最大程度地减少了表面沉积物，该项分值可选 -1。

第四部分：设计上的考虑

表面粗糙度

如果腐蚀性物质不附着在表面，则腐蚀不会发生。光滑的表面使污染物难以附着，而且使人工清洗或雨水的冲刷更有效。而粗糙的表面容易积存更多的污染物且不容易清洗。因此，光滑的表面减少了锈蚀的风险，而粗糙的表面促使锈蚀的产生。如果表面粗糙度为Ra 0.5微米或更小，则认为该表面是光滑的。对于同一种表面，各个供应商的表面粗糙度数据是不同的，因此索要样品时请供应商提供表面粗糙度数据，并在项目的设计说明书中提出表面粗糙度的要求。

上图显示了腐蚀率和表面粗糙度的关系。直线代表表面粗糙度为Ra 0.5微米。如果表面粗糙度大于这个值，则腐蚀速率明显增大。

下面的照片显示了暴露在海边的不锈钢外壳，同为316不锈钢，由于粗糙度不同所表现出的耐腐蚀性差异：

表面纹理方向

如果表面有明显的纹理线（如4号表面、压花和类似的表面），则表面纹理的方向是重要的。垂直方向的纹理便于雨水冲刷表面和污染物的去除。水平方向的纹理易积存表面污染物。通过使纹理方向垂直获得较好的耐腐蚀性。

被遮蔽和水平表面

在被遮挡或水平的表面上，灰尘和污染物积存较多，因为雨水可能无法冲掉污染物。腐蚀性污染物长期停留在不锈钢表面会导致锈蚀的产生。除非有雨水冲刷或人工清洗，否则应避免水平的或被遮挡的表面，或者选用耐蚀性更好的不锈钢。

缝隙

当水和腐蚀性污染物滞留在狭窄的空隙，并且环境中存在盐类（氯化物）时，会发生缝隙腐蚀（A）。避免的方法：消除缝隙或将它们焊接或密封起来（B）；或选择不易发生缝隙腐蚀的高合金化不锈钢。例如：编织的不锈钢在钢丝重叠的地方有细小的缝隙，如果暴露在盐（氯化物）中，缝隙处可能发生腐蚀。焊接丝网是一个好的选择，因为它没有缝隙。

第五部分：维护计划

不锈钢若要发生腐蚀，盐类（氯化物）或污染物必须在不锈钢的表面停留足够的时间，而且有足够的浓度才能引发腐蚀。经常的雨水或人工冲洗防止了腐蚀性物质的积存和腐蚀。清洗频率取决于现场环境、表面类型、设计、不锈钢牌号、雨水冲刷的可能性。如果不锈钢没有足够的腐蚀性或表面粗糙、有被遮蔽或水平的表面或缝隙，则需要更经常地清洗。如果304不锈钢用于腐蚀性较强的环境，为了保持漂亮的外观，可能需要每年清洗4次或以上。

小结