鋼鐵金屬熱噴涂防腐施工技術(shù)小結(jié)

鋼鐵是世界上應(yīng)用最廣，數(shù)量最多的金屬材料，也是腐蝕危害最嚴(yán)重的金屬。全世界每年生產(chǎn)的鋼鐵大約有1/10變?yōu)殍F銹，30%的鋼鐵設(shè)備因腐蝕而損壞。國(guó)際公認(rèn)各國(guó)腐蝕損失占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的3%-5%，腐蝕總成本估算2016年國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)公布為2.5萬(wàn)億美元。

我們國(guó)家2016年中國(guó)工程院公布2014年腐蝕總成本估算超過(guò)2.1億元人民幣，相當(dāng)于每個(gè)中國(guó)人承擔(dān)1500多元，如此驚人的腐蝕成本只是經(jīng)濟(jì)上面的損失，如果從腐蝕造成的災(zāi)難性事故付出的代價(jià)就更加無(wú)法估量，如：切爾諾貝利核電站核泄漏事故，日本福島核電站爆炸事故，青島輸油管線(xiàn)泄漏引發(fā)爆炸事故等等。

面對(duì)鋼鐵腐蝕造成的資源浪費(fèi)和災(zāi)難性事故的發(fā)生，防護(hù)是最經(jīng)濟(jì)，有效的節(jié)約措施和安全保證。

鋼鐵防護(hù)主要方式有以下幾種：

• 1.涂膜隔離保護(hù)（涂料，塑料）

• 2.陰極保護(hù)

• 3.電鍍

• 4.表面化學(xué)處理

• 5.物理氣相沉積，如真空鍍膜，離子鍍

• 6.熱噴涂等。

其中3,4,5顯然不適用于大型構(gòu)件和現(xiàn)場(chǎng)施工，而1涂膜隔離保護(hù)雖然操作方便，但是容易剝離，不環(huán)保，易燃不安全，耐腐蝕時(shí)間不長(zhǎng)，短的只有3-5年，長(zhǎng)效重防腐也只有10-15年，塑料在戶(hù)外迅速老化，成本高，2陰極保護(hù)需要配備專(zhuān)用電源和輔材，還必須和其它的防護(hù)措施進(jìn)行有效結(jié)合才能夠發(fā)揮最大的效果，如陰極保護(hù)基體涂覆涂料等。

采用金屬熱噴涂技術(shù)是當(dāng)今乃至今后對(duì)鋼鐵構(gòu)件、鋼鐵設(shè)備或者儲(chǔ)罐及其它鋼鐵附件進(jìn)行表面防護(hù)較理想的工藝之一。熱噴涂表面所用金屬材料也是利用陰極保護(hù)的原理，主要有鋅、鋁、鋅鋁合金或者偽鋅鋁合金、不銹鋼等。通過(guò)在鋼鐵表面熱噴涂金屬鋅、鋁、鋅鋁合金或者不銹鋼等外加封孔劑處理，就可以達(dá)到長(zhǎng)效防腐的復(fù)合涂層。有效防腐年限達(dá)到20-30年，最長(zhǎng)的國(guó)外已有60-70年之久的記錄。

現(xiàn)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)或者箱梁熱噴涂加涂膜防腐蝕年限要求提高到了100年。熱噴涂使用的金屬材料很多，本文針對(duì)最普遍的鋅，鋁，鋅鋁合金或者不銹鋼作為代表進(jìn)行技術(shù)小結(jié)，暫時(shí)涉及鋅和鋁兩種，因?yàn)檫@兩種是應(yīng)用最普遍最成熟的，其它的今后再加以討論。

國(guó)外應(yīng)用鋅、鋁涂層比較早，1910年瑞士肖普博士就提出了熱噴涂鋅、鋁的建議。1922年法國(guó)巴黎的St.Denis運(yùn)河上的水閘門(mén)就采用了鋅涂層，以后陸續(xù)在各種水閘門(mén)、攔污柵、排泄閥、門(mén)窗、船體及橋梁和液化石油氣上熱噴涂鋅。我們國(guó)家也在上個(gè)世紀(jì)60年代將熱噴鋅應(yīng)用到高壓輸電塔桿、廣播電視發(fā)射塔、鍋爐零件、化肥廠(chǎng)碳化塔、水下閘門(mén)等等，取得了良好的使用效果（大部分使用年限都在20年以上）。

隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，我們國(guó)家已經(jīng)將熱噴鋅、熱噴鋁、或者其它合金熱噴涂大量應(yīng)用到航天、水工、橋梁以及所有長(zhǎng)效防腐蝕鋼結(jié)構(gòu)中，比較有名的就是三峽大壩閘門(mén)，長(zhǎng)江、黃河及所有跨江跨海大橋鋼鐵結(jié)構(gòu)。

鋅、鋁涂層的優(yōu)點(diǎn)如下：

• 1.防護(hù)年限長(zhǎng)基本達(dá)到20年以上；

• 2.與鋼鐵基體結(jié)合力比有機(jī)涂層高；

• 3.耐高溫，鋅涂層可以耐到450℃，鋁涂層可以耐到900℃；

• 4.沒(méi)有老化任何問(wèn)題；

• 5.耐磨、耐沖蝕、耐擦傷性能好、可焊接性能好；

• 6.施工周期短，應(yīng)用范圍廣，成本低，經(jīng)濟(jì)效益高。

鋅和鋁的涂層具有相似的防腐蝕作用，但是也有不同的地方，鋅的自閉性和對(duì)鋼鐵的陰極保護(hù)作用性能優(yōu)于鋁。鋁在腐蝕介質(zhì)中化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于鋅，因此在腐蝕介質(zhì)中鋼鐵長(zhǎng)效防腐熱噴鋁比較適宜。

鋅鋁涂層或者鋅鋁偽合金涂層都是陰極保護(hù)的作用，但是鋅涂層的腐蝕速率比鋁涂層快。而防腐年限與涂層厚度成正比，要達(dá)到同樣的防護(hù)效果，鋅涂層應(yīng)該比鋁厚一些，鋅的沉積率在70%左右，鋁的沉積率在50%左右。

施工時(shí)ZnO粉塵有害人體健康，鋅鋁腐蝕產(chǎn)物不一樣，鋅腐蝕物為ZnO容易溶于雨水或者天然水中，而鋁腐蝕物Al2O3則在任何條件下都不溶解，所以鋅涂層有效防護(hù)期完全依賴(lài)于涂層厚度，而鋁涂層則依靠表面致密的氧化膜，化學(xué)性能特別穩(wěn)定，也是封閉涂料的惰性基體，而鋅涂層封閉涂料如果選擇不當(dāng)，則可能引起比如皂化反應(yīng)，造成涂料脫落氣泡等缺陷。

在海洋，海水，工業(yè)大氣環(huán)境中，鋁涂層效果比較好，在弱堿性環(huán)境介質(zhì)中，鋅涂層防護(hù)更佳。為了使得鋅鋁金屬優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成鋅鋁合金或者鋅鋁偽合金，可以彌補(bǔ)上述缺陷，如果按照合金絲熱噴涂（電弧噴）鋅鋁比例就是85/15，如果是偽合金就是鋅鋁單獨(dú)送絲，體積比為1:1重量大約為7:3了。

了解清楚鋼鐵熱噴涂，特別是鋅、鋁或者鋅鋁合金（含偽合金）的熱噴涂意義，除了熱噴涂金屬材料本身外，施工工藝對(duì)于鋼鐵的保護(hù)非常重要。在熱噴涂施工工藝中，通常有火焰噴、電弧噴、等離子噴乃至超音速等噴涂，具體流程是對(duì)鋼鐵進(jìn)行表面處理------金屬熱噴涂------封孔處理。鋼鐵表面處理是金屬熱噴涂最關(guān)鍵的一步，處理到位與否與金屬熱噴涂層附著力有決定性關(guān)系。

筆者建議金屬熱噴涂必須選擇干噴砂進(jìn)行表面處理，磨料粒徑最好選擇0.5-2㎜冷激鋼砂。粒度配合是0.5-1㎜約占30%，1-2㎜約占40%-50%，粗磨料約占10%-15%之間。噴槍嘴徑大約在8-12㎜，除銹等級(jí)符合GB8923標(biāo)準(zhǔn)中的Sa2.5級(jí)，表面粗糙度RZ（50-80）μm。根據(jù)干噴砂對(duì)于鋼鐵表面活化能及防止二次返銹，干噴砂后按照國(guó)標(biāo)4h、ISO 8h內(nèi)必須進(jìn)行金屬熱噴涂。

在晴朗天氣或者恒溫恒濕的情況下，基體表面沒(méi)有浮銹狀態(tài)下可適當(dāng)延長(zhǎng)，否則需要重新噴砂。熱噴涂材料金屬鋅，鋁，鋅鋁合金絲直徑1.6-3㎜。按照 GB/T12608—2003 熱噴涂 火焰和電弧噴涂用線(xiàn)材、棒材和芯材分類(lèi)和供貨技術(shù)條件要求鋅含量99.99%及以上，鋁含量99.5%及以上并且無(wú)油污，鋅鋁合金推薦Zn85Al。

 火焰噴就是利用乙炔和氧氣進(jìn)行燃燒融化金屬絲并且利用空氣作為動(dòng)力吹覆到鋼鐵表面的原理?；鹧鎳姌屝吞?hào)通常使用的就是QX-1和SAP-1型?？諝鈮毫?.5Mpa以上，最佳參數(shù)0.6Mpa，氧氣壓力1.2Kg/c㎡，乙炔壓力調(diào)節(jié)為1.5Kg/c㎡，施工溫度必須15℃以上，濕度小于80%以下。送絲速度120-150㎝/min，噴涂角度80度噴距100-120㎜，走槍熟練勻速。大面積噴涂時(shí)，每一區(qū)域噴涂完畢后應(yīng)保持清潔，不允許手等觸及噴涂表面，每一層噴涂完成時(shí)在10-15分鐘后方可進(jìn)行下一次噴涂，對(duì)于大范圍噴涂把工作區(qū)域分成若干個(gè)小區(qū)域，噴距火花束角度小于40度，束寬4-5㎝，噴涂時(shí)噴束重疊1/3。

 電弧噴就是利用金屬絲電源正負(fù)極端部產(chǎn)生電弧而融化，通過(guò)位于兩個(gè)線(xiàn)材噴嘴中間的空氣嘴噴出壓縮空氣，使得融化的線(xiàn)材霧化而噴射到鋼鐵表面。從安全和噴涂效率及涂層致密性考慮，恒定電壓和直流電源使用的比較廣。

因?yàn)殡娀囟容^高，所以熱噴涂速度快，是火焰線(xiàn)材噴槍的4-5倍，當(dāng)噴涂電流180A左右時(shí)可每小時(shí)噴鋅可達(dá)30Kg。電弧噴涂是各種金屬熱噴涂方法中能量利用最為經(jīng)濟(jì)的一種，因此成本較低。由于溫度較高，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，具有冶金結(jié)合的功能。

一般電弧噴涂設(shè)備有推絲式和拉絲式兩種，如QD7-250是拉絲式的，而CMD-AS6000就是推絲式的。這些設(shè)備最適合野外施工，直流電壓22-40V，電流300-600A，正負(fù)極導(dǎo)電嘴夾角在30-60°之間，噴距和噴角和火焰熱噴涂基本相近，缺陷就是電弧噴涂噪音大，噴槍較重，沒(méi)有火焰噴槍輕便，相信隨著金屬熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，輕便型高效型智能化的電弧噴槍會(huì)層出不窮。

有關(guān)電弧熱噴涂參數(shù)表如下供施工方參考：

等離子和超音速等離子金屬熱噴涂就是一種所謂的壓縮電等離子和超音速等離子金屬熱噴涂就是一種所謂的壓縮電弧，它的溫度可達(dá)30000K，而且除了噴涂線(xiàn)材外還可以噴涂金屬粉末，速度更快，涂層硬度高，涂層孔隙率小于1%，而電弧噴涂孔隙率達(dá)到5%左右。一般在工廠(chǎng)智能化機(jī)器人使用較多。

鋼鐵熱噴涂結(jié)束后，厚度在250μm（也有說(shuō)300微米）以下的必須進(jìn)行封孔處理，250μm（或者是300μm以上）以上由于自封閉不需要進(jìn)行封孔處理。

封孔處理可以增強(qiáng)金屬熱噴涂抗強(qiáng)腐蝕能力，也是緩解金屬涂層與有機(jī)涂層之間的性能差。封孔材料有重鉻酸鹽，磷酸鹽溶液或者粘度很低的樹(shù)脂，具體選擇根據(jù)環(huán)境介質(zhì)決定，在化工腐蝕環(huán)境下選擇封閉樹(shù)脂液以硅樹(shù)脂>環(huán)氧樹(shù)脂>聚乙烯樹(shù)脂次序?yàn)楦雍侠怼?/span>

筆者根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)推薦鋁涂層選擇乙烯基鋁粉漆，鋅涂層選擇環(huán)氧富鋅，建議選擇噴涂一道或者兩道底漆再?lài)娡繋椎烂嫫?，不建議滾刷。在海洋環(huán)境或者化工大氣環(huán)境下以噴鋁或者噴鋅鋁合金為主，一般大氣腐蝕或者淡水防腐以噴鋅為主。

熱噴涂厚度對(duì)鋼鐵的保護(hù)與使用年限成正比的，一般都是隨著厚度的增加，防腐蝕年限也延長(zhǎng)。施工單位可以根據(jù)下列數(shù)據(jù)表針對(duì)性的選擇熱噴涂厚度甚至提高設(shè)計(jì)厚度，最大化延長(zhǎng)防腐蝕使用壽命。

鋼鐵長(zhǎng)效防腐蝕工藝在不斷創(chuàng)新，如冷涂鋅的發(fā)明，鋅粉樹(shù)脂化流化床涂層等等；但是鋼鐵熱噴涂防腐蝕至今依然是主力軍，因?yàn)殚L(zhǎng)效，成熟，冶金化或者是活化能高等等諸多優(yōu)異特性被防腐蝕工程師青睞。為了更長(zhǎng)的延緩鋼鐵熱噴涂防腐蝕使用年限（生命周期），許多裸噴金屬涂層采取有機(jī)無(wú)機(jī)覆蓋或者隔離的方法，如封孔劑或者涂刷耐候性耐腐蝕性能高的涂料（聚氨酯，氟碳漆，聚硅氧烷等等）。

金屬熱噴涂生命周期與涂層厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系表

據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般熱噴涂鋅絲厚度100μm大約耗絲量1.5Kg左右，如果是鋅鋁合金（偽合金）則鋁絲耗量在0.6Kg左右，實(shí)際耗量還需要根據(jù)粗糙度和施工人員的熟練程度及噴涂設(shè)備的差異而定。鋼鐵金屬熱噴涂的質(zhì)量要求我們收集了以下標(biāo)準(zhǔn)，供熱噴涂行業(yè)參考執(zhí)行：