热喷涂防腐蚀施工工艺的制定

1、热喷涂防腐蚀施工工艺的制定一、热喷涂防腐蚀施工工艺1、涂层设计2、涂层材料选择 在许多腐蚀环境下喷涂阳极性金属涂层可以对钢铁基体给予比传统涂料有更长的保护寿命。合理的涂层设计可以获得最经济而有效的防护效果。合理的涂层设计来源于对预进行保护构件的工作环境、影响因素和设计寿命的仔细分析研究的结果。当然，经济因素也是最重要的考虑内容之一。对于某一具体的工程构件可选择的防腐蚀方案可能有许多种，因此，要求没计者能够对各种方法的优点与局限性有一个广泛的了解。环境保护、施工期限以及日后维修方法都是需要列入考虑的内容。 目前，对大型钢铁结构所施加的热喷涂防腐蚀涂层多为锌、铝或者它们的合金。那么究竟哪一种材料更

2、合适呢?首先，要明确所要保护的构件工作在什么样的条件之下，如果是在大气条件中，它属于哪一种大气条件?是乡村大气、工业大气，还是海洋大气。如果是在工业条件下应用，还要考虑构件的工作温度、pH值变化、接触化学晶的腐蚀性。下面是几种涂层的主要应用范围：(1)铝涂层。主要应用范围是：用在工业大气环境中，特别是在有较高的SO：或其他污染物的环境下对构件、管道或设备的防护；在较高的工作温度(可高于590)的环境中，例如，燃油锅炉炉膛内的迎火面；用于土壤中或地面的管线防护；可用于海洋大气中的钢铁构件、海洋采油平台、海港以及船上构件防护；有泥砂冲蚀的环境中的构件、管道或设备防护。(2)锌涂层。锌比铝有更好的阴

3、极保护作用，有更优异的电化学保护效果，就工艺性而言，热喷涂锌比热喷涂铝更容易。锌涂层的适用范围是：pH值范围612；使用温度不超过60的淡水中；桥梁、输电铁塔、电视塔、地下管线；可与外加电流方法结合联合使用阴极保护。(3)锌铝合金。与纯锌涂层相比，锌铝合金涂层具有同样优异的电化学保护作用，可以用到锌涂层的地方都可以使用锌铝合金涂层。由于锌铝合金涂层的力学性能和耐腐蚀性能优于纯锌涂层，所以在同样使用环境下，使用的涂层厚度可以略低于纯锌涂层。在海洋环境下或在含氯化物溶液条件下，锌铝合金涂层的耐腐蚀性与铝涂层相近。它使用的pH值范围为512，并且在干燥的大气中使用温度可高达200。(4)铝镁合金。与

4、纯铝涂层相比，铝镁合金的电化学保护效果优于纯铝涂层。铝镁合金涂层不推荐用到较高温度的抗氧化防护。它的主要应用是保护在海洋环境下的钢结构设施，典型应用是海上石油钻井平台。(5)稀土铝合金。稀土铝合金涂层的用途与纯铝涂层类似，但其耐蚀性优于后者，所以在相同的使用条件下，町以使用较薄的涂层。(6)锌铝伪合金及复合涂层。锌铝伪合金及复合涂层与锌涂层具有一样优良电化学保护作用，它还兼具有铝涂层样的良好力学性能和耐蚀性能，并且町以在各种大气环境下以及海洋、淡水环境下工作的构件或设备起保护作用。 以上介绍的是在大气、海洋、土壤等缓慢腐蚀环境下常用的涂层，在石油、化工、食品等行业可能还会遇到与较强腐蚀性的介质

5、接触，此时就需要使用不锈钢、锡、镍铬合金以及陶瓷或塑料涂层。关于这些涂层的使用将在后面章节中给予介绍。涂层厚度选择由于锌或铝涂层在保护钢结构过程中都是作为阳极，依靠自身的消耗来提供阴极保护，所以涂层的厚度至关重要。大量的现场暴露试验结果表明：锌、铝或合金涂层的厚度与抗腐蚀时间成正比。为此，世界许多国家都制定了相应的标准，在不同的使用环境和设计年限时建议使用不同涂层厚度。例如，国际标准学会推荐的涂层厚度1在表一中列出。 表（一）环境金 属锌铝AL-Mg5Zn-AL15非涂装涂装非涂装涂装非涂装涂装非涂装涂装盐水 不推荐100200150250200不推荐100淡水2001002001501501

6、00150100城市地带1005015010015010010050工业地带不推荐100200100200100150200大气海洋地带150100200100250200150100干燥室内505010010010040050503、复合涂层防护体系设计3.1、金属涂层+封闭涂料 对很多热喷涂涂层来说，封闭是一项必要的后处理过程。尤其是当涂层在其环境中面临腐蚀或氧化时，封闭是涂层设计必须要考虑的一项内容。任何一种热喷涂方法得到的涂层都有孔隙存在。其中，以火焰喷涂的涂层孔隙率最多。总体而言，涂层孔隙率范围相当大。火焰喷涂层的孔隙率有时竟高达15以上，而高速氧燃气喷涂(HVOF)层则在1以下。表

7、2是由不同热喷涂涂层的孔隙率。作为热喷涂防腐蚀涂层，使用最多是电弧喷涂和火焰喷涂工艺，由表2中可以看到这两种涂层的孔隙率是比较高的，所以在某些环境下涂层的封闭处理是很必要的。在实际应用中，虽然有时涂层中的孔隙是有利的，然而，在更多的情况下，涂层的孔隙是不希望的。3.2 表面准备 喷涂前工件表面的预处理是关系到喷涂操作成败的关键一环。由于热喷涂涂层与钢铁基体主要以互相嵌镶的机械方式结合，所以热喷涂涂层的结合强度直接取决于工件的表面准备状态。经预处理后的工件表面应该无油、无锈及尤其他污物，并有足够粗糙度。 表面处理的第一步是除去工作油污、涂料、泥土等污物，任何残留的污物都会削弱涂层与工件基体有效结

8、合。对于一些仅做局部喷涂的工件，不但要除净喷涂部位的污物，还要除掉邻近喷涂区域的污物，以免在喷涂过程中污物溅射到喷涂区域，对喷涂表面造成污染。如果，待喷涂的钢铁构件表面有较多和较厚的污染物(如，油脂，涂料、泥土等)，通常先采用机械方法，如铲、刮、钢丝刷或砂轮打磨或结合化学清洗的方法进行预先处理。对于一些曾采用过涂料涂装的旧的钢铁构件，如果要除去残留的涂料层可先用便宜的、不需回收的一次性磨料进行喷砂处理。这一道工序是为关键的喷砂粗化所做的预先准备。表面准备工序做好了，就可以提高喷砂工序的生产效率和节约大量的成本，提高热喷涂涂层的结合强度。 粗化处理的日的是净化工件表面和增加工件表面粗糙度，因此，

9、使工件基体表面洁净，有尽可能大的表面积对于涂层与工件的有效结合极为重要。为使工件获得满意的待喷涂表面。喷砂是经常采川的工件表面粗化方法。在喷砂过程中，磨料在强大的压缩空气气流或离心力的驱动下，以很高的速度喷射出，磨粒具有很大的撞击力及切削作用。在无数磨粒的猛烈撞击下，钢铁基体表面上的污物被清除，暴露出新鲜洁净的，并具有很好粗糙度的表面。工件经喷砂处理后，表面的氧化物、残留污染物被彻底除去，表面呈凸凹状态，表面积增加几倍，为后续的热喷涂提供了良好的沉积表面。热喷涂时，涂层沉积在工件基休表面后的瞬间会发生收缩，如果工件基体表面有足够的粗糙度就可有效地阻止热喷涂层与工件基体间的界面滑移，提高涂层的结

10、合可靠性。 喷砂处理还可以提高工件基体的表面活性度。喷砂表面的活性度是指喷砂表面的洁净度、表面结晶粒子的塑忭变形度以及表面晶格的缺陷程度的综合效应。基体的表面活性度会直接影响热喷涂涂层与工件基体的结合力。此外，喷砂造成的钢铁基体表面晶体的塑性变形和所产生压应力对提高涂层的结合以及减少钢铁构什发生应力腐蚀的危险都有益处。这种清理方法不但能达到热喷涂对表面质量最严格的要求，而a清理效率高，被公认为，是热喷涂前的一种标准表面处理方法。3.3、喷砂处理设备 喷砂是目前最为常用的种除锈方式。喷砂除锈同时也能达到表面粗化、表面活化的目的，具有一种方式多种用途的特点。喷砂是应用最广泛的热喷涂表面预处理方法。

11、按照加速磨料的动力形式不同，喷砂设备分为使用压缩空气为动力的喷嘴喷砂设备和利用机械离心力的轮式离心喷砂设备两种。 喷嘴喷砂是利用压缩空气流将硬质磨料高速喷射到工件基体表面，通过磨料对表面的机械冲刷作用而使表面毛化、活化、强化和净化。按照磨料的喷射的原理不同，喷嘴喷砂又被分为射吸式、压人式和射吸加速式三种。其中前两种是常规技术已得到广泛应用，后一种是最近才开发成功的新型喷砂技术。 喷砂机是喷砂处理时必不可少的设备。在以下的篇幅中分别对喷砂机的4种形式加以介绍。3.4、压力式喷砂机 压力式(又称压入式)喷砂是利用压缩空气的压力和磨料的自重，将密闭压力罐内的磨料压入喷砂管。砂粒群在喷砂管中与压缩气掺

12、混形成悬浮状态砂气混合流，在流经缩径喷砂嘴时，高压势能转变为动能，悬浮流被加速后高速喷出。压力式喷砂形成的磨料射流速度快、喷射量大。因而，压力式喷砂具有很高的生产效率。 压力式喷砂机适用于需要高生产速度的大工件，它的生产效率很高，是目前国内最普遍使用的一种喷砂装置。压力式喷砂机利用一种“喷砂罐”的发生器。它主要由封闭的磨料贮存罐，送砂管道和喷砂嘴所组成。喷砂罐与压缩空气管路连接，充以压力，磨料通过送砂管和喷嘴高速喷射到工件。喷砂罐的容量有限，不能连续作业，当罐内磨料用尽后，需关闭压缩空气供应，及时地补充磨料。这种喷砂机的典型结构如图所示。 压力式喷砂时，由于磨料颗粒在喷砂软管中加速时间长，若配

13、用莎具珂文丘里型喷嘴，磨料颗粒可获得高达200ms以上的出口速度，具有很大的动能，因此，可以达到相二、热喷涂设备及喷涂工艺2.1 火焰喷涂2.1.1 火焰喷涂装置 用于热喷涂防腐蚀施工的火焰喷涂装置主要是线材火焰喷涂枪。这类装置使用氧气和乙炔为燃料，依靠燃烧的火焰熔化金属丝。国产的线材火焰喷涂枪有多种型号，常用的是SQP1型与zQP1型。线材火焰喷涂枪分高速枪和中速枪两种：喷涂材料熔点在750C以上的选用巾速枪，熔点在750C以下的选用高速枪。对于喷涂锌或铝涂层的大面积防腐蚀施工来说，应该使用高速枪。线材火焰喷涂枪必须使用瓶装乙炔。表8-1是SQP-1型线材火焰喷涂枪与ZQP1型线材火焰喷涂枪

14、的一些性能及技术数据。2.1.2 喷涂工艺 现以SQP，l型线材火焰喷涂装置为例，介绍采川火焰喷涂进行防腐蚀施上的I：艺过程。图8-1是SQPl型线材火焰喷涂装罟的外部形状及组成。 火焰喷涂装置与空压机、氧气瓶、乙炔瓶以及其他辅助装置的连接，如图82所示。有时在实际施工时，许多施工企业会将下图中的一些辅助装置，如，气体流量计，空气流量计、空气干燥器等省略。 按照要求连接好所有必需的装置后，就要做喷涂前的准备工作，然后进行喷涂操作。以下介绍的是使用SQP1型线材火焰喷涂装置的具体操作步骤。 (1)准备工作。金属丝成卷地放在金属丝架上。拉出一个头，并校直段，以锉刀修整丝的尖端，锉掉棱角和毛头。然后

15、，打开喷枪压盖，从后导管将金属丝塞进，经过后导管及喷嘴，伸出空气帽外约lOmm。合上压紧，并旋紧制紧钮。此时喷枪的准备：作已基本完成。 开动空压机，空运行几分钟后，放掉油水分离器和存气筒底部的油水残液，使空气压力保持在06MPa。按照乙炔发生器的指定方法，准情好乙炔和氧气，将喷枪上的阀杆顺转180，调整乙炔和氧气的压力分别为005一006MPa和04MPa，然后将阀杆回到0。(2)校枪和喷射。在喷涂以前，喷枪应试运转一次。当开启总阀时，空气涡轮应该没有任何阻碍地飞转起来，“调节部分”也应能随意调节快慢。单阀扳动时也应感到轻重适中。经过这样的试运转以后，就可进行喷涂了。(3)点火前的准备。参见图

16、x 1，将支撑(序号1)顺转，使一对送丝滚轮(序号2)分开。所用线材(例如，锌丝、铝丝等)从后导管(序号3)塞入，通过喷嘴伸出68mm。逆转支撑重螺钉，使一对送丝滚轮(序号2)夹紧线材。(4)点火。将阀杆手柄(序号4)顺时针旋转90(此时，感觉到个钢珠落入凹槽)，用打火枪或其他火种在喷枪前面点火，点着后立即将阀杆手柄(序号4)旋到180位置，见图8-3，这时，就在喷枪前出现火花(有些材料，如铝、锌等不会出现明显火花)。三、热喷涂防腐蚀技术的应用领域3.1 抗大气腐蚀3.1.1 钢铁材料在大气中的腐蚀(1)腐蚀特点。对在大气条件卜工作的钢结构件进行防护是热喷涂防腐蚀技术最典型、最普遍的应用。金属

17、材料或构筑物在大气条件下发生化学或电化学反应引起材料的破损称为大气腐蚀。大气腐蚀是常见的一种腐蚀现象。在大气环境下的钢结构受阳光、风沙、雨雪、霜露及一年凹季的温度和湿度变化作用，尤其是大气中的氧和水分是造成户外钢结构腐蚀的主要因素。全世界在大气十使用的钢材数量一般超过其生产总量的60。例如，钢梁、钢轨、各种机械设备、车辆等都是在大气环境下使用。据统计，由于大气腐蚀所造成金属损火量约占总的腐蚀量的50IgY_，因此解和研究大气腐蚀的机理、影响因素及防止方法是非常必要的。 钢铁材料在大气中的腐蚀过程，首先是铁的氧化过程。铁是一种热力学性质不太稳定的金属，它的标准电极电势为一0440V(Fe=Fe2

18、+十2e)。铁在不同介质中的稳定性一般用腐蚀电势来衡量。例如，在3NaCl溶液中铁的腐蚀电势为一o，46V。铁在大多数弱酸性、中性和碱性介质中腐蚀时，形成的是不溶性腐蚀产物，通常称为铁锈。铁锈的组成由于腐蚀条件不同是不一样的，一般可川下面通式表示： mFe2O3+nFeO+pH2O 在大气腐蚀过程中，所形成的铁锈符合这一通式。但往往由于腐蚀条件和生成时间有所差异，形成铁锈的程度也不同。例如，时间越久，氧就越易进入铁锈内部，其Fe20：含量就越高。由于铁锈的组织疏松多孔，其保护性能很差。在大气腐蚀的条件不同时，锈层的成分和结构往往是很复杂的。一般认为，锈层对于锈层下基休铁的离子化将起到强氧化剂的

19、作用。 在潮湿大气腐蚀条件下，由于表面存在较厚的水膜，在大气中水膜总是含有溶解的盐或酸，所以这类腐蚀的特点与金属全浸于电解质溶液中的电化学腐蚀相类似。但是，由于电解液层薄，随着电解液膜的减薄而有所变化。 在潮湿大气腐蚀中，由于水膜较薄，空气中的氧通过水膜比较容易，一般这类腐蚀属于氧去极化腐蚀。尽管有时在工业大气中，水膜呈酸性，可能产生氢去极化腐蚀，但由于氧极易到达阴极，所以氧的去极化作用仍然是主要的。例如，纯铁在浓度为05molL的硫酸溶液的薄膜下，氧去极化作用比氢去极化作用大100倍。而当铁全浸在同样浓度的硫酸溶液中时，氢去极化作用却比氧去极化作用大许多倍。 钢铁材料在城市污染的大气所形成的

20、酸性水膜时，这些金属的腐蚀主要是氧去极化腐蚀。在薄的液膜条件下，大气腐蚀的阳极过程受到较大阻滞，因为氧更容易到达金属表面，生成氧化膜或氧的吸附膜，使阳极处于钝态。阳极钝化及金属离子化过程困难是造成阳极极化的主要原因。当液膜增厚，相当于湿的大气腐蚀时，氧到达金属表面有一个扩散过程，因此腐蚀过程受氧扩散过程控制。因此，潮的大气腐蚀主要受阳极过程控制，而湿大气腐蚀主要受阴极过程控制。(2)影响因素。大气中的相对湿度对金属的腐蚀速率有很大影响，经验证明，在一定的湿度下，大气的相对湿度如能保持在60以下，铁在大气中的腐蚀是很轻微的，但当湿度增加到某一数值时，大气腐蚀速度即开始突然加快，这一湿度就称为临界

21、湿度。金属在临界湿度下，腐蚀是非常轻微的，这个临界湿度对于钢、铜、镍和锌来说，一般在5070之间。当湿度超过临界值时，由于水膜的形成，使原来无水膜条件下的金属发生的化学腐蚀机理转化为电化学腐蚀机理，从而，使腐蚀速度加快。 落在金属表面上灰尘具有毛细管凝聚作用，特别容易结露水。这就构成了进行电化学腐蚀条件，使金属容易受腐蚀。大气中灰尘的含量和种类在不同地区差别很大。一般城市大气中含尘埃2mgm3，但在工业区的大气中可达1000mgm3。据估计，在某些工业区域一平方千米内每月可有约40t的灰尘降落。工业区大气中常有碳、碳化物、金属氧化物、H2S04、NaCl及其他盐类的微粒。在海洋区的大气中，则含

22、有NaCl微粒。由于多数尘埃本身具有腐蚀性，如铵盐颗粒能溶入金属表面的水膜，提高电寻或酸度而促进了腐蚀速度。有些尘埃本身虽尤腐蚀作用，但能吸附腐蚀物质，如碳粒能吸附SOz和水气生成腐蚀性的酸性溶液。尘埃沉积在金属表面形成缝隙而凝聚水分，形成氧浓差而导致发生缝隙腐蚀。这些尘埃微粒能够吸潮，有的可溶于水膜生成电解质溶液。因此，丁业区的金属结构遭受大气腐蚀要比乡村严重得多。 在工业区大气中的C()c、SO,、H2S、NOg和C1：等气体的含量较高，在这些气体中，特别有害的是S02，它可被氧化为S03，然后与水发生化学反应形成H2SO4。因此，不少工业区降雨呈酸性，称为酸雨现象。目前，出现酸雨的地区范

23、围逐渐扩大，酸性范围不断增加，造成树木、农作物枯萎，海洋、湖泊生物死亡，金属构件遭受严重腐蚀。3.1.2 大气腐蚀的分类 从全球范围来看，大气的主要成分几乎是不变的，只有其中的水分含量将随地域、季节、时间等条什而变化。主要参与大气腐蚀过程的是氧和水蒸气，其次是二氧化碳。因此，可根据金属表面的潮湿程度的不同，把大气腐蚀分为三类。(1)干大气腐蚀。干大气腐蚀是在金属表面不存在液膜层时的腐蚀。其特点是在金属表面形成不可见的保护忭氧化膜(110nm)和某些金属失泽现象。如铜、银等在被硫化物污染的串气中所形成的一层膜。(2)潮大气腐蚀。潮大气腐蚀是指金属在相对湿度小于100的大气中，表面存在肉眼看不见的

24、薄的液膜层(10nm1um)发生的腐蚀。例如，铁即使没受雨淋也会生锈。(3)湿大气腐蚀。湿大气腐蚀指金属在相对湿度大于100大气中，如水分以雨、雾、水等形式直接溅落在金属表面上，表面存在肉眼可见的水膜(1tmlmm)发十的腐蚀。 大气腐蚀速度与金属表面水膜厚度的关系，如图91所示。 由图可见，腐蚀速度与水膜厚度的规律大致可划分四个区域。 区域I。金属表面只有约几个水分子厚(110nm)水膜，还没有形成连续的电解质四、钢结构热喷涂防护技术应用实例4.1 美国亚利桑那州MORMONFLAT水库闸门 热喷涂防腐蚀应用的最成功例子是美国亚利桑那州盐河上的Mormon Flal水库”。位于美国亚利桑那州

25、菲尼克斯市附近的盐河水利枢纽上程有近一百年的历史，是集发电、灌溉为一体大型水利枢纽工程。它的灌溉区域有338万平方千米。在这个水利枢纽系统中有一个大水库，名为，MormonFlat水库。该水库位于菲尼克斯市东北方向82km。水库69m高的钢筋混凝土大坝建于1926年。1937年水库安装了两个15mXl5m的溢洪道闸门。这两个水闸门是铆钉连接结构，被垂直安装在溢洪道门室上。在最初的30年中，闸门的暴露条件变化很大，随着水库水位的变化，闸门有时泡在水中，有时暴露在烈日下。当枯水期到来时，可以定期地对这两个水闸门涂刷涂料进行防腐蚀。 1970年，MormonFlat水库修建了梯级电站，新装了两台发电

26、机组，并增加了回抽能力，使水库成为抽水蓄能电站。白天，水轮机组发电；夜里，水库再回抽蓄水。只有水库的水位尽可能地保持一个高位置，电站才有最大的发电能力。此时，每天水库的水位在距闸门顶部3m线附近涨落，涨落幅度大约o6m，通常闸门的大部分是完全浸在水中。即使在以往的枯水期，闸门也不再处于十燥状态。这就意味着不允许再像以前一样方便地对闸门进行定期的检查和维修了。从经济利益考虑，必须采取有效防腐蚀措施，保证尽町能长的不维护周期成为水库管理者思考的主要问题。他们比较了各种防腐蚀体系，分析了施工成本和维修可能造成的电力损失，权衡利弊。由于他们曾在水库的其他构件上使用过热喷涂锌涂层，这些涂层不经任何封闭处

27、理已保护钢铁基体多年，他们认为，热喷涂锌涂层应该是首选的防腐蚀方法之一。经过反复论证，最后决定采用热喷涂钎涂层的长效防腐蚀技术方案。他们初步预计涂层的厚度至少应为o1mm。考虑到水面上经常有漂浮物的碰撞会损坏闸门卜门起的铆钉及焊缝区域的锌涂层，为了充分发挥锌涂层的阴极保护作用，使得涂层在某区域出现局部破损的情况下，对这些破损区仍有保护作用，他们决定在锌涂层表面不涂刷任何涂料。不加任何封闭处理的锌涂层具布很好的刚极保护效果，由于锌的腐蚀产物可自行封闭孔隙，所以锌涂层在淡水和空气十消耗速度很低。不封闭的锌涂层不会在烈日暴晒下老化、失效，长时间暴露在空气中也不会有任何损坏。为保证30一40年的使用寿

28、命，考虑到闸门服役期间锌涂层将会部分消耗，最后水库管理者和有关专家研究决定再提高喷涂锌涂层的厚度，将锌涂层厚度控制在0175一025mm之间。 闸门的主体和附属部件的喷涂都是在工厂的车间内完成。构件经仔细喷砂处理后，喷涂厂一层锌涂层。喷涂施工后，对喷涂层做厚度测量，确保闸门的每一部分都有0175025mm厚度的锌涂层覆盖。 1992年3月这两个闸门已使用22年，它们状况如何?水库的管理者决定对其进行仔细地检查。当时水库的水位已低于以往最低水位线1m，可以很好地检查闸门水位线附近干湿交替区域的锌涂层状况。检查发现，在闸门表面没有任何锈迹，锌涂层表面状况良好，无白锈(锌的腐蚀产物)，无明显的锌涂层不均匀腐蚀现象；虽然铆钉头、焊接等突起部位经水面漂浮物的刮碰，表面锌涂层已破损，钢铁基体暴露出来，但是钢铁基体没有任何可见的腐蚀迹象。检查人员使用涂层测厚仪器检测了多处涂层厚度。测量结果显示，除极少数区域的涂层厚度约01mm外，大部分区域的厚度值均在015o275mm范围，与22年前原始喷涂的厚度相比，似乎没有明显的或大的锌涂层厚度变化。考虑到当初喷涂时没有精确地记录下测量点的位置，很难和后期数据进行定点比较，所以不能认为经过22年的时间的锌涂层没有任何消耗，但是可以肯定地说，锌涂层的年腐蚀消耗量很少。有关专家分析了检查结果认为，经过2