海洋大气环境下钢结构的腐蚀与控制

2019-05-30 11:19:22 作者：江水旺，曾登峰，陶乃旺，江学志来源：中国船舶重工集团公司第七二五研究所厦门材料研究院分享至：

随着海洋资源的开发，海上平台数量也在快速增加，由于海上平台钢结构要求防腐期效较长，而海上钢结构直接暴露在海洋盐雾、雨露、阳光等环境中，腐蚀环境极为苛刻。因此，钢结构表面腐蚀控制要求涂层体系除应具有良好的附着力和长效的防腐蚀性能外，还应具有良好的耐候性和长效防腐性能。涂层体系应具有良好的耐紫外线老化、低氯离子渗透性、高耐盐雾性、高耐湿热型等性能，在局部涂层破损时，还能通过阴极保护等途径，保护底层金属底材不受腐蚀。因此，钢结构表面防腐蚀涂层主要选用由高耐腐蚀底涂层与中间涂层和耐候面漆组成的涂层体系。

（图片来源于网络）

通过涂装高耐腐蚀底涂层可以在钢结构表面形成一层致密的保护膜，以隔绝大气中的水汽和氯离子等腐蚀介质，从而减缓或阻止钢结构受到腐蚀。目前对于海洋大气环境下钢结构高耐腐蚀底涂层，主要包括喷涂金属涂层（锌、铝和锌铝合金），以及富锌底漆涂层（环氧富锌、无机富锌），两种防腐蚀技术在防腐性能、施工成本、环境影响和后期维护上各有利弊。

中间涂料主要在面漆和底漆之间承上启下作用，它增加涂装层厚度，是防腐蚀涂装体系中重要部分。中间涂料对底漆进行遮盖，防止腐蚀介质进入底层内部，加强面漆附着力同时增加了整个涂层体系的厚度，延缓底层其电化学腐蚀发生的时间，使涂层的耐腐蚀寿命获得提高。采用环氧云铁中间漆作为中间层，利用涂层中环氧树脂及云母氧化铁的片状结构增强屏蔽效果，延缓腐蚀介质的渗入时间。环氧云铁中间漆粘度大，一次施工即可获得较厚的涂层厚度，施工性和涂层的兼容性都较好。应用环氧云铁中间漆配合环氧富锌底漆使用，可以大大提高涂层的防腐期效。

（图片来源于网络）

面漆对涂装底层和中间层具有保护作用，延缓底层腐蚀发生时间，面漆涂层应具有优良的耐候性能、抗老化性能、保光保色性能、耐盐雾性能、耐潮湿性、漆膜坚硬光滑。作为长效高耐久海洋防腐面漆，常用的主要有聚氨酯面漆、氟碳面漆和聚硅氧烷面漆。聚氨酯面漆是一种高性能的长效重防腐蚀涂料，在大部分严重腐蚀环境中都得到广泛的应用，而相较于溶剂型双组分氟碳面漆和改性聚硅氧烷面漆，其防腐性能不如氟碳面漆和改性聚硅氧烷面漆。改性聚硅氧烷面漆具有优异的保光性，防腐性能也同样优异，并且VOC较低，在环保方面具有优势，但改性聚硅氧烷面漆实际使用案例较少，使用性能还需在实际应用中进一步的验证。氟碳涂料由于氟元素的电负性大，碳氟键键能较强而不容易在紫外光的照射下断裂，具有优异的耐老化性。氟碳涂层表面能较低、漆膜坚韧，因此耐冲击性、耐磨性和抗屈曲性等机械性能较好。另外，氟碳涂料与环氧云铁中间漆具有良好的配套性，也能确保防腐底漆的防腐蚀作用。

目前，国内外对于海洋大气环境下钢结构的防腐涂层要求，主要是根据ISO 12944《色漆和清漆－防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》和NORSOK standard M-501:2012《表面处理和防护涂层》的标准要求进行防腐性能验证。本文选择了金属防腐涂层、有机防腐涂层和水性重防腐涂层体系3种类型的涂层体系，通过循环老化试验来验证涂层体系的防腐性能，从而对各涂层体系进行分析研究。

试验

试样制备

选用尺寸为150mm×75mm×3mm的喷砂钢板作为底材，喷砂钢板的表面处理等级符合ISO 8501.1-2007规定，表面粗糙度符合ISO8503-1:2012规定。

分别选取金属涂层配套体系、有机防腐涂层体系和水性重防腐体系，进行循环老化试验，从而验证三种类型的涂层体系是否符合试海洋环境下长效防腐性能要求。试样制备涂层配套信息见表1。

表1 典型海洋大气区钢结构防腐涂层配套信息

试验程序

试样前处理

试样制备完成后，需进行样品标识、针孔检测、厚度测试、划痕制备等前处理。其中，试样的划痕制备根据标准ISO12944-9-2018中规定进行，制备划痕长50mm，宽2mm，划痕距两长边距离为12.5mm，距其中一短边的距离为25mm。

试验步骤

根据标准ISO12944中规定的试验条件，进行4200h的循环老化试验。循环老化试验步骤如下：

（1）根据ISO16474-3标准中方法A，将试样置于紫外老化试验箱中，以温度（60 ± 3） ℃，光源UVA-340，福照度0.83W/m2的紫外光照射4 h和温度为（50 ± 3） ℃ 的冷凝环境下试验4 h为一个循环，进行72h的紫外老化试验；（2）紫外老化试验结束后，取出试样，置于盐雾试验箱中，根据标准ISO9227中规定条件，进行72h的中性盐雾试验；（3）将试样置于高低温试验箱中，设定温度为-20℃，进行24h的低温试验。

（4）以步骤（1）-（3）为一个试验循环，共进行25个循环。

结果与讨论

经过4200h的循环老化试验后，取出试样，观察涂层是否出现起泡、生锈、裂纹、剥落等漆膜弊病，并对涂层粉化、腐蚀蔓延及老化后附着力进行检测。三种类型防腐体系试样状态如图1所示。

试验前涂层附着力

试验结束后涂层状态

剥离后涂层

图1 三种类型防腐体系试样状态

根据试样试验状态表明，金属防腐涂层、有机防腐涂层和水性重防腐层均未出现起泡、脱落、开裂等漆膜弊病，涂层表面状态良好。性能测试结果表明，3种典型防腐蚀涂层配套性能均能满足ISO 12944-9：2018中CX极端环境下高耐久性防腐蚀试验室测试要求。

从图1中可以看出，喷涂金属复合涂层附着力破坏形式为金属涂层内聚破坏引起，这主要是由于电弧喷铝涂层本身存在无数微孔隙，且各孔隙间相互连接，导致其结合力较弱，复合涂层一旦受外力碰撞破损后，贯穿孔隙经过裸露铝涂层直至钢基材，使得阴极保护电化学反应较快进行，破损处铝涂层将被很快消耗掉。重防腐涂层体系附着力破坏形式为底漆内聚破坏和面漆内聚破坏。

喷涂金属复合涂层与富锌底漆重防腐涂层体系相比，对表面处理的要求高，表面粗糙度、施工工艺的要求更为严格，施工成本是三者中最高的。喷涂金属涂层在施工过程中会产生有毒物质，长期吸入会引起肺部病变，使工人受到“铝肺”等职业病危害，不符合节能减排的大趋势。同时，电弧喷锌、铝时能耗高、效率低，防腐性能受后续封闭涂层及配套涂层影响大等因素也制约喷涂金属涂层的应用。

有机防腐涂层体系是当前使用最多的防腐手段，适用于各类腐蚀环境中，并且其防腐性能经过实际应用的验证。据统计，目前用于海洋大气环境下钢结构防护的有机防腐涂层体系，进行循环老化试验的通过率仅为30%，因此，通过循环老化试验来验证有机防腐涂层体系的防腐性能，并以此为依据进行产品筛选，是科学并且严格的方法。

水性重防腐涂料体系同样可以满足钢结构长期效防腐蚀要求。与溶剂型涂料相比，水性涂料以水作溶剂，对材质表面适应性好，仅含有少量有机溶剂极大改善了作业环境条件。但是，水性涂料缺点也很明显，对施工环境条件（温度、湿度）要求较严格，危废处理成本远高于溶剂型涂料。目前，水性防腐涂料体系已广泛应用于集装箱、工业建筑等钢结构防护，但在海洋环境下钢结构中的应用，特别是长期效防腐蚀方面，水性重防腐涂料仍缺少工程应用实例，而且其长期耐水性仍饱受质疑。

结语

海洋大气环境下钢结构长期效防腐蚀技术发展至今，形成了两种主流发展趋势，第一种是热喷涂锌、铝涂层与防腐涂料形成的复合涂层体系；第二种是以富锌涂料为底漆的重防腐涂料体系重防腐涂料涂层体系。随着环保法规要求及高性能涂料研发应用，喷涂金属涂层复合体系由于高能耗以及职业病危害等因素，在我国应用受到越来越多环保限制；另外，随着水性重防腐涂料技术水平突破，产品性能也有较大的提高，而大力推广水性重防腐涂料在高腐蚀环境下的应用，仍需要实际应用案例的支撑。

注：文章、作品、图片版权归作者享有，如有作者来源标记有误或涉及侵权，请原创作者联系小编删除。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。