针对沿海特殊气候环境下钢结构设施防腐的研究

摘要：针对沿海钢结构防腐情况及目前常用钢结构防腐涂料的性能，优选了3种重防腐涂料——环氧富锌底漆、环氧玻璃鳞片中间漆、聚氨酯面漆。讨论了环氧树脂、锌粉、玻璃鳞片、聚氨酯改性树脂的选择方法，并提出了适合涂料涂装的表面处理技术和施工工艺。

关键词：防腐,防腐工程,防腐处理,防腐涂料,钢结构防腐,表面防腐

建于沿海地区的大量钢铁设施长期暴露于海洋环境中，受到海水冲蚀及盐雾侵蚀。经调研发现，由于表面防腐涂料的腐蚀，大量设备及管线，包括各类供水、供气及供油管线，风机、空调设备等，其使用寿命大大降低，严重影响了设备的正常运行。海洋环境是苛刻的防腐蚀环境，普通的防腐涂料无法满足海洋设备的防腐要求，要防止设备受到侵蚀，必须开发出相应的重防腐涂料。重防腐涂料是指在苛刻腐蚀环境下使用并能起到长效防护作用的防腐涂料或防腐涂料体系[1—2]。重防腐涂料以它防腐效果好、工程造价低、施工操作简单、适应性强及易于修复和维护等优点，作为重要的防护手段已得到广泛的应用。根据沿海钢结构设施的腐蚀情况以及目前常用防腐涂料的性能，提出了适合高盐雾环境下使用的防腐涂料的合理技术方案及适合防腐涂料涂装的施工工艺。

1 重防腐涂料的选择

环氧富锌底漆、环氧玻璃鳞片中间漆、聚氨酯面漆涂层体系具有非常优异的防腐蚀性能，经过合理的选择，可以在沿海工业区等严重腐蚀环境下的钢结构防腐工程中应用。

1.1 钢结构防腐中的环氧富锌底漆

环氧富锌底漆是以环氧树脂为成膜物质，添加大量锌粉制成的。环氧树脂及锌粉的选择对涂料性能有非常大的影响。

1.1.1 钢结构防腐工程中对环氧树脂的选择

环氧树脂具有优良的耐水性、耐化学品性（耐酸、耐碱和有机溶剂），贮存稳定，附着力特别好，特别适用于沿海、海岛、化学工业区等严重腐蚀环境中钢铁设施的防腐蚀保护。环氧树脂的主要品种是双酚A型环氧树脂，其主链上有刚性的苯环和柔性烃基交替排列，形成的漆膜有良好的耐温性和物理机械性能，具有对基材附着力优良，固化时体积收缩率低的特点。目前，常用的双酚A型环氧树脂主要有2种：E20，E44。与E20相比，E44具有更好的耐水性、耐盐水性、耐酸耐碱性及耐油性。因此，在选择环氧富锌底漆时，应优先考虑以E44环氧树脂作为成膜物质的防腐涂料。

1.1.2 钢结构防腐中锌粉的选择

用于防腐涂料的锌粉主要起以下作用。1）阴极保护作用：在腐蚀的前期，通过锌粉的

溶解牺牲对钢铁起阴极保护作用。2）屏蔽阻挡功能：钢结构防腐涂层的屏蔽作用在于使基体金属与环境隔离，以避免基体腐蚀。对于基体金属，根据电化学原理，涂层下金属发生腐蚀必须有水、氧、离子和离子通过的途径，如要防止金属腐蚀的发生，就要求防腐涂料能够阻挡水、氧和离子透过防腐涂料达到金属表面，所以屏蔽效果取决于涂防腐涂料的抗渗透性。在腐蚀后期，随着锌粉的腐蚀，在锌粉间沉积了许多腐蚀产物，这些致密而微碱性腐蚀产物不导电，填满了颜料层，阻挡屏蔽腐蚀因子的透过，即腐蚀后期是由屏蔽作用来起到防腐蚀效果的。用于防腐涂料的锌粉填料主要有2种：鳞片状锌粉和球形锌粉颗粒。球状锌粉是以锌球间的点接触导通腐蚀电流，而鳞片状锌粉则是以平行搭接式的面接触导通腐蚀电流的。钢结构防腐中鳞片状锌粉能有效地阻止水分子、腐蚀离子及其它气体的侵入，而球形颗粒在这方面的性能较差，如图1所示。从图1中可以看到：同等厚度的涂层，用鳞片状锌粉作填料时，即使片状锌粉的含量比球状锌粉少，也能有效地增加水分子以及其它腐蚀介质的入侵路径，延长耐腐蚀时间，从而提高涂层的防腐性能。同时，由于其用量也比球状锌粉少，可赋予涂层更好的物理机械性能。因此，在选择环氧富锌底漆时，应优先考虑以鳞片状锌粉为填料的防腐涂料。

1.2 环氧玻璃鳞片防腐中间漆

环氧玻璃鳞片涂料是以环氧树脂为成膜物质，以玻璃鳞片为填料，再加上引发剂、促进剂等组成的重防腐涂料。钢结构防腐中使用的玻璃鳞片很薄，在涂层内部能与涂层相互平行且重叠排列，形成致密的防渗层，能形成防止腐蚀介质扩散的屏障，延长腐蚀介质渗入的路径和渗透扩散到基体的时间，从而提高防腐涂料的抗渗透能力及机械强度，达到延长基体防腐时间的目的。涂层中玻璃鳞片的大量存在，把涂层分割成许多小的空间，不仅减少了涂层与基体之间的热膨胀系数之差，而且还显著降低了涂层的固化收缩率，因此，存在于涂层与基体之间的内应力也随之减少，这不但有利于抑制涂层龟裂、剥落等现象，更可确保涂层发挥其优异的附着力和抗冲击作用。将玻璃鳞片以高浓度分散在环氧树脂中，制成的涂料具有优异的耐化学腐蚀性，抗渗水、水蒸气、腐蚀性离子，耐冷、热等特点，特别适用于腐蚀非常严重的海中、沿海和海浪飞溅区的钢铁设施上。然而，使用玻璃鳞片涂料时也有其要求：防腐涂料用玻璃鳞片填料的厚度应小于2μm，这样易于水平漂浮和多层重叠排列。如果涂层中有垂直或倾斜排列的玻璃鳞片，那么在这些玻璃鳞片与树脂的界面就会形成毛细管，反而加速腐蚀介质的渗入。因此，在选择环氧玻璃鳞片中间漆时，应优先选择鳞片厚度小于2μm的涂料。

1.3 钢结构防腐中使用的聚氨酯面漆

钢结构防腐中使用的聚氨酯面漆是以聚氨酯树脂为成膜物质，添加颜、填料制得的。聚氨酯树脂主要是由多异氰酸酯与多元醇经逐步加成聚合而成的氨基甲酸酯树脂。在聚氨酯大分子中，除了含有大量的氨基甲酸酯键外，还可能含有酯键、醚键、脲基甲酸酯键及不饱和油脂的双键等，在大分子链之间还存在氢键[9]。用这种树脂制备的重防腐涂料不仅耐水、耐盐水、耐油、耐酸、耐碱、耐化学药品，具有优异的防腐蚀性能，而且漆膜坚硬、柔韧、光亮、丰满、耐磨，对基体附着力好，具有很好的物理机械性能]。单一的聚氨酯涂膜在耐候性等方面还不够理想，通常用丙烯酸树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、环氧树脂等对其改性使聚氨酯涂料获得更加优异的综合性能。对于耐户外暴晒的聚氨酯涂料来说，一般选用丙烯酸树脂进行改性。丙烯酸树脂具有优良的耐水性、耐盐水性、耐候性，它与聚氨酯反应制得的丙烯酸聚氨酯涂料，不但具有优良的物理机械性能和耐化学品性，还具有优异的耐候性、耐黄变性，其防腐蚀性尤其是耐盐雾性、耐湿热性远远优于一般面漆。该涂料防腐蚀性和耐侯性均佳，可用于沿海钢结构防腐保护。因此，在选择聚氨酯面漆时，应优先选择丙烯酸聚氨酯涂料。

1.4 环氧富锌底漆、环氧玻璃鳞片中间漆、聚氨酯面漆涂层体系在防腐蚀涂层体系中，一般涂层越厚，防腐蚀性能越好。因此，为了获得较厚的涂层体系，同时避免成本的过多增加，使用2道底漆、3道中间漆、2道面漆以增加总体涂层厚度，增强防腐蚀效果，总体厚度

控制在300μm左右。在这个体系中，丙烯酸聚氨酯面漆具有优良的耐盐雾、耐湿热、耐候性能，作为体系的第1道“屏障”，可以有效地阻止腐蚀因素和太阳紫外线的破坏作用；环氧玻璃鳞片中间漆中的玻璃鳞片和环氧富锌底漆中的锌粉具有“屏蔽作用”，大大降低了腐蚀因素向金属表面渗透的机会。同时，锌粉的阴极保护作用又以电化学方式对基体提供保护，所以整体涂层体系以多重保护来实现钢结构防腐蚀的目的。

表1 涂装程序参照表

2 表面处理技术和涂装工艺研究

2.1 钢结构防腐中的表面处理技术

基体表面条件对腐蚀有较大的影响，可以从以下几个方面来看。

1）钢结构防腐中的粗糙度问题，粗糙表面的基体比光滑表面的基体腐蚀得快。

2）钢结构防腐中的钝化度问题，没有经过钝化处理的基体比经过钝化处理的易受腐蚀。

3）钢结构防腐中的清洁度问题，清洁度差的基体比表面清洁的基体腐蚀速度快。

4）钢结构防腐中的吸附层问题，有吸附层的基体比没有吸附层的基体腐蚀速度快。因此，在防腐涂料涂装前，必须对基体进行表面处理。它可以除去基体表面附着物或生成的异物，提高基体表面与涂层的附着力，赋予基体表面一定的耐蚀性能。表面处理技术有很多种，如化学除锈、人工除锈、砂轮除锈、喷射（砂）除锈等。强腐蚀环境中的设备防腐蚀，一般采用喷砂除锈。这种方法可除去设备表面的污垢、锈层，清洁表面，并赋予表面一定的粗糙度，可以增加防腐层与基体的附着力，同时也减少了防腐工程施工带来的缺陷，延长了设备的寿命。因此，在对锈蚀金属表面（尤其是腐蚀严重的沿海地区）进行预处理时，推荐采用喷砂处理，按照标准的喷砂工艺，喷射角75°，喷距120mm，喷射压力以0.63~0.77MPa为好，并且要控制施工达到Sa2.5级的标准，以达到长期防腐的要求。同时磨料的大小、搭配，也会影响喷射效率，一般以喷嘴直径为磨料大小的3~4倍为宜。

2.2 防腐涂装工艺路线

钢结构防腐涂料施工工艺对涂料性能的发挥有重要的影响。先进的涂装方法和设备对提高涂层质量，涂料利用率和涂装施工效率以及改善涂装施工环境至关重要。常见的涂装方法有刷涂、喷涂2种。刷涂可容易地将涂料渗透到金属表面的细孔，增强涂料对金属表面的附着力。但刷涂生产效率低，劳动强度大，漆膜表面平整性差。喷涂是工业化涂装普遍采用的一种方法，其特点是涂层质量均匀，生产效率高。喷涂主要可分两类：压缩空气喷涂法和高压无气喷涂法。压缩空气喷涂法是利用压缩空气将防腐涂料雾化，喷射在被涂表面的施工方法。它的特点是涂层质量均匀，生产效率高，缺点是涂料浪费大，涂料对被涂表面的渗透性不如刷涂，因此附着力较差，对环境污染也较大。钢结构防腐中的高压无气喷涂是利用压缩空气为动力驱动高压泵，使涂料增压至10~25MPa，通过高压软管，从极精细的喷孔中喷出并雾化成微细粒，喷射到被涂表面上，形成均匀的涂膜。它的最大优点是效率高，特别适合大面积涂装施工，而且涂层均匀平滑且附着力好。根据各种方法综合比较，推荐采用高压无气喷涂法，设备可以选用便携式高压无气喷涂机。钢结构防腐工程中，具体喷涂时，先将包装好的涂料及固化剂于常温下混合，搅拌均匀，静置5~10min。重新搅拌均匀，即可加入喷涂设备中进行喷涂。具体喷涂程序见表1。

3 结论

1）选择了3种重防腐涂料用于沿海钢结构设施的腐蚀防护：环氧富锌底漆、环氧玻璃鳞片中间漆、丙烯酸聚氨酯面漆。该涂层体系具有非常优异的防腐蚀性能，可以在沿海工业区等严重腐蚀环境中应用。

2）对强腐蚀环境中的金属表面处理技术和钢结构防腐中的涂料涂装工艺进行了研究。推荐采用喷砂除锈和高压无气喷涂。

关键字：丙烯酸,聚氨酯,防腐,防腐工程,防腐处理,防腐涂料,钢结构防腐,表面防腐