CN109988447A - 固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制技术 - Google Patents

固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制技术 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢结构腐蚀防护技术领域，为固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制技术，分别采用防腐涂层和降湿两种技术，综合采用两种技术相结合的技术方法，利用钢结构表面涂层的机械屏蔽作用和阴极保护作用、环境低湿度对电化学腐蚀的抑制作用，防腐涂层是低表面处理需求的复合涂层体系，以改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆，各层厚度比为：改性环氧铝粉底漆：改性环氧鳞片状铝粉中间漆：聚氨酯涂料=2：2：1。本发明解决了高湿密闭环境中固定钢结构严重腐蚀问题。

Description

固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制技术
技术领域
本发明属于钢结构腐蚀防护技术领域，特别涉及一种固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制技术。本发明专利主要用于固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制，属于腐蚀防护技术领域。
背景技术
为提高固定钢结构的耐腐蚀能力，前期主要采用醇酸树脂涂料对钢结构表面进行保护。研究发现，一方面，密闭环境湿度较大，一般大于70％，部分密闭环境内湿度高达94％RH，高于钢腐蚀的临界相对湿度(约60％RH)；另一方面，醇酸树脂涂料的耐水性较差，因此密闭环境内的钢结构在不超过两年的时间内已经发生了明显的大气腐蚀，涂层局部出现类似于气泡的点状缺陷，严重处发生明显鼓泡、破损；5a 后涂层失效，涂层整体均有类似于气泡的点状缺陷，而且存在大量肉眼不可见的微米级缺陷；涂层多处局部发生显著腐蚀、脱落，严重处露出基体，有基体的黑色腐蚀产物透过破损涂层传出。因此，为确保钢结构在服役期内的安全性，亟需对钢结构进行防腐处理。关于密闭环境持续高湿环境中放射性废物暂存钢结构腐蚀安全方面的研究少见报道，如何确保钢结构在一定时期内的腐蚀安全并兼顾经济代价，是腐蚀防护工程设计的难点之一。在已有的防腐技术中，涂料涂装较为经济简便。为获得高质量的涂层通常需要对基体进行严格彻底的表面处理。为避免影响钢结构姿态稳定和钢结构功能发挥，因此要求钢结构不能移出存放密闭环境、且不宜翻转旋转，导致很难实现对其进行较高水平的表面处理。如何在低表面处理条件下获得高质量的涂层，是设计的第二个难点。密闭环境密封门通常处于关闭状态，不宜频繁开启。如何在不必开启密封门的情况下降低环境湿度，控制钢结构发生腐蚀，在涂层出现可能的工艺缺陷时保障钢结构的腐蚀安全是设计的第三个难点。根据查新情况显示，国内有关固定钢结构在高湿密闭环境中腐蚀控制技术的研究未见文献报道。
发明内容
发明目的：本发明提供一种腐蚀控制技术，经济、高效地解决未做长效表面防腐处理的固定钢结构服役期内在高湿密闭环境中的腐蚀问题。
技术方案：分别采用防腐涂层和降湿两种技术，综合采用两种技术相结合的技术方法，利用钢结构表面涂层的机械屏蔽作用和阴极保护作用、环境低湿度对电化学腐蚀的抑制作用，防腐涂层是低表面处理需求的复合涂层体系，以改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆，各层厚度比为：改性环氧铝粉底漆：改性环氧鳞片状铝粉中间漆：聚氨酯涂料＝2：2：1。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：分别采用防腐涂层和降湿两种技术提高钢结构耐腐蚀能力、降低环境腐蚀性，综合采用两种技术相结合的技术方法，利用钢结构表面涂层的机械屏蔽作用和阴极保护作用、环境低湿度对电化学腐蚀的抑制作用，以较低的成本可靠解决钢结构服役期内在高湿密闭环境中的腐蚀问题。
本发明所述的防腐涂层是低表面处理需求的复合涂层体系，以改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆，各层厚度比为︰改性环氧铝粉底漆︰改性环氧鳞片状铝粉中间漆︰聚氨酯涂料＝2︰2︰1。改性环氧涂料是碳氢树脂改性的MASTIC类环氧涂料，对于旧表面的渗透性和附着力强，固体分高达70％以上，与原有的醇酸漆旧涂层系统具有良好相容性。作为填料的 Al在高湿密闭环境中生成具有钝化膜特征的腐蚀产物Al(OH)3，耐腐蚀性能明显优于Zn；而且其腐蚀速率随实验时间的延长显著降低。此外，铝粉具有良好的延展性，作为填料在涂膜中可形成连续不断的铝膜，掩盖可能的针孔缺陷，减少涂层的渗透性；而且鳞片状铝粉在涂膜中形成薄片相隔、造成涂层内复杂曲折的渗透扩散路径，从而更好地阻滞腐蚀介质向基材的扩散，提高涂层的抗渗透性能和耐腐蚀能力。
本发明所述的除湿采用能够在密闭空间外实现湿度控制的机械冷冻除湿系统，通过其控制环境湿度低于钢腐蚀临界湿度合适量值，以较低的成本降低环境腐蚀性、控制钢结构发生电化学腐蚀，在涂层出现可能的工艺缺陷时保障钢结构的腐蚀安全。该系统主要由除湿单元、远程控制单元和自动出水单元组成。除湿单元通过冷凝压缩空气将湿度较大的空气凝结成液态水，从而达到控制环境湿度的目的。远程控制单元主要由集成于除湿单元内的信号发生器和密闭空间外的手持控制器组成；通过采用铠装电缆减少信号传输所受干扰，实现了在密闭空间外从手持控制器的控制面板对除湿单元15m的远程控制和远程显示。当除湿单元上的湿度探头探测到周边环境湿度高于设定值时，除湿单元启动除湿；达到或低于设定值时，除湿单元停机。自动出水单元由水箱和水泵组成。水泵由安装有限位开关的电磁阀控制启停，当水位达到限定值后水泵自动开启，利用水管通过过墙管道排到密闭空间外；水位下降到一定程度后水泵自动停机。此外，采用电磁阀控制系统启停，断电后复电系统自动恢复工作，从而实现了无人值守。
有益效果：本发明以较低的成本，系统、可靠地解决了高湿密闭环境中固定钢结构严重腐蚀问题，确保钢结构服役期内的腐蚀安全。改性环氧铝粉涂层与钢基体的结合强度是环氧富锌涂层的1.5倍，是醇酸树脂涂层的2倍；当表面处理等级为Sa2.5、St2和St3时，不同等级表面对改性环氧铝粉涂层与16MnR 钢基体的结合强度大小影响≤1MPa，体现了这种涂层优良的低表面处理特性。
对比宏观、微观观察和针孔检测等结果，原有300μm醇酸涂层在高湿密闭空间2a内发生显著腐蚀， 5a内失效；150μm的改性环氧铝粉涂层5a后依然完好、无可见变化，无可检测的缺陷。
建立的机械冷冻除湿系统已在高湿密闭环境连续无故障工作近2000天，该系统将高湿密闭环境内环境湿度有效控制在45％RH-47％RH之间，并实现了在密封门外对洞室环境湿度的远程监测和远程控制。
本发明针对未做长效表面防腐处理的固定钢结构，分别采用防腐涂层和降湿两种技术提高钢结构耐腐蚀能力、降低环境腐蚀性，综合采用两种技术相结合的技术方法，利用钢结构表面涂层的机械屏蔽作用和阴极保护作用、环境低湿度对电化学腐蚀的抑制作用，以较低的成本可靠解决钢结构服役期内在高湿密闭环境中的腐蚀问题。其中，防腐涂层是以渗透性好的改性环氧树脂作为成膜物质，以低电位的铝粉作为填料的低表面处理需求的复合涂层体系；以改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆；涂层总厚度为100-500μm；各层厚度比为：改性环氧铝粉底漆：改性环氧鳞片状铝粉中间漆：聚氨酯涂料＝1.5-2.5：1.5-2.5：1，固体分数70-95％以上；除湿系统采用能够在密闭空间外实现湿度控制的机械冷冻除湿系统，通过其控制环境湿度低于钢腐蚀临界湿度，为30-55％RH，以较低的成本降低环境腐蚀性、控制钢结构发生电化学腐蚀，在涂层出现可能的工艺缺陷时保障钢结构的腐蚀安全，该系统主要由除湿单元、远程控制单元和自动出水单元组成。该发明以较低的成本，系统、可靠地解决了高湿密闭环境中固定钢结构严重腐蚀问题，确保钢结构服役期内的腐蚀安全。
附图说明
图1a、图1b分别显示Zn、Al合金涂层在30d中性盐雾加速腐蚀30d后涂层的微观截面形貌。为模拟密闭环境现场环境，借鉴国家标准(GB/T 10125《人造气氛腐蚀实验-盐雾实验》)规定，实验溶液以5％NaCl 溶液为基础，其它离子浓度按照密闭环境冷凝水离子含量1:1配制，pH值为7。实验时盐雾箱内温度保持 35℃±1℃，采用连续喷雾方法，盐雾实验总时间为30d。Zn涂层腐蚀严重，但由于Zn涂层的阴极保护作用，盐雾实验30d后钢基体仍然没有出现腐蚀；Al涂层腐蚀仅发生在表面。
图2显示Zn、Al合金各自的涂层累计增重速率随盐雾腐蚀时间的变化。Zn涂层腐蚀速率较高，Zn 涂层30d的腐蚀增重是Al涂层的1.69倍；Al合金涂层的累计增重速率随时间显著下降。
图3a、图3b分别显示Zn、Al合金涂层盐雾实验720h后腐蚀产物膜的XRD图。对腐蚀产物的XRD 谱图进行分析可知，Zn涂层腐蚀产物膜主要主要成分为碱式氯化物Zn5(OH)8Cl2·H2O及碱式碳酸盐 Zn4(CO3)(OH)6·H2O，谱图中未出现Zn涂层基体，表明Zn涂层的表面已完全被其腐蚀产物所覆盖。Al涂层的主晶相还是Al，而且其腐蚀产物Al(OH)3是不溶于NaCl水溶液的钝化膜，从而提高了涂层对基体的保护性能。
图4显示三种涂层体系与16MnR钢的结合强度，改性环氧铝粉涂层与之前用于钢结构表面防腐的醇酸树脂涂层、环氧富锌涂层的结合强度，改性环氧铝粉涂层明显优于其它两种涂层。
图5显示改性环氧铝粉涂层与不同表面处理等级钢结构的结合强度。
图6显示电化学阻抗谱实验浸泡60d后三种涂层试样表面形貌。
图7为电化学阻抗谱实验浸泡不同时间的波特图；
图8a显示关闭除湿单元后洞内的湿度变化；
图8b显示开启除湿单元后洞内的湿度变化。
具体实施方式
实施例：某密闭洞室空间平面面积约为40m2，容积约为100m3，环境内初始湿度在94％RH左右；洞室内钢结构表面积约为56m2。
一种应用于提高固定钢结构在高湿密闭环境中耐腐蚀能力的改性环氧铝粉涂层体系，如表1所示。
表1改性环氧铝粉涂层体系
浸泡60d后，之前作用于固定钢结构表面的环氧富锌涂层和醇酸树脂涂层试样表面均出现肉眼可见的锈蚀，改性环氧铝粉涂层试样表面无可见变化，如图6所示。实验溶液以3.5％NaCl溶液为基础，其它离子浓度按照密闭环境空气冷凝水离子含量1:1配制，pH值为7。
图7为三种涂层在不同浸泡时间测得的电化学阻抗谱的波特图。利用PARSTAT2273电化学工作站对试样进行电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)测试，采用三电极电解池评价三种涂层的耐蚀性，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为Pt片；测试采用幅值为5mV的正弦波，测试频率为10mHz～100kHz，对测试后的阻抗谱数据采用测试系统自带的ZSimpWin软件进行等效电路解析。对比发现，环氧富锌涂层和醇酸树脂涂层的阻抗随腐蚀时间的延长下降较快；除第10d，即浸泡初期与环氧富锌涂层的阻抗相差不明显外，在浸泡中、后期，改性环氧铝粉涂层阻抗均比醇酸树脂涂层和环氧富锌涂层阻抗高1～2个数量级。涂层的电化学阻抗与涂层电阻具有相同数量级。由此表明，在60d的电化学实验中，改性环氧铝粉涂层的涂层电阻高于其它两种涂层1～2个数量级，反映出其具有更好的耐蚀性。
Al合金涂层在高湿密闭环境内经历10个月和16个月挂片实验的大气腐蚀速率分别为9.32μm/a和 3.59μm/a，而且Al涂层的腐蚀速率随腐蚀时间而降低，因此预估，表1中120μm厚的环氧铝粉涂层(以固相含量70％计算)仅通过阴极保护作用也有不少于120*0.7/3.59＝23.4a的耐大气腐蚀寿命。
设计除湿单元除湿量约为100L/d，控制湿度设定为45％RH，采用有线方式在洞室外通过手持控制器远程控制除湿单元按照设定的湿度值自动工作。当除湿单元上的湿度探头探测到周边环境湿度高于45％RH 时，除湿单元开机、启动除湿；达到或低于45％RH时，除湿单元停机。
钢结构表面防腐消耗的涂料和除湿系统总成本2万元。
开展考核实验，在密封门关闭下，关闭除湿单元1h后，洞内湿度即达到钢的临界湿度60％RH；关闭除湿单元3h后，湿度达到最大79％左右；重新打开除湿单元90min后，洞室内的湿度下降到50％左右，机械冷冻除湿系统工作稳定，除湿效果可靠。图3a、图3b中的峰值，主要是为避免冷凝器结冰，系统在环境温度较低时暂停除湿单元、启动自动除霜功能所致。
本发明包括防腐涂层和降湿两种技术，其特征在于：综合采用两种技术相结合的技术方法，利用钢结构表面涂层的机械屏蔽作用和阴极保护作用、环境低湿度对电化学腐蚀的抑制作用，以较低的成本可靠解决钢结构服役期内在高湿密闭环境中的严重腐蚀问题，确保钢结构服役期内的腐蚀安全。
固定钢结构不能移出密闭空间、且不宜调姿，导致难以对它们进行高质量的表面处理。
钢结构所处的长期密闭环境的湿度大于70％RH，显著高于钢腐蚀的临界相对湿度(约60％RH)，钢结构在其中腐蚀严重。
关于防腐涂层：低表面处理需求的复合涂层体系，以渗透性好的改性碳氢环氧树脂作为成膜物质、低电位的铝粉作为填料的改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆；总厚度为100～500μm；各层厚度比为：改性环氧铝粉底漆：改性环氧鳞片状铝粉中间漆：聚氨酯涂料＝1.5～2.5：1.5～2.5：1，固体分数70～95％以上。
关于除湿系统：能够在密闭空间外实现湿度控制的机械冷冻除湿系统，由除湿单元、远程控制单元和自动出水单元组成；通过其控制环境湿度低于钢腐蚀临界湿度，为30～55％RH，以较低的成本降低环境腐蚀性、控制钢结构发生电化学腐蚀，在涂层出现可能的工艺缺陷时保障钢结构的腐蚀安全；除湿单元通过冷凝压缩空气将湿度较大的空气凝结成液态水，从而达到控制环境湿度的目的；远程控制单元主要由集成于除湿单元内的信号发生器和密闭空间外的手持控制器组成，通过采用铠装电缆减少信号传输所受干扰，实现了在密闭空间外从手持控制器的控制面板对除湿单元的远程控制和远程显示；当除湿单元上的湿度探头探测到周边环境湿度高于设定值时，除湿单元启动除湿；达到或低于设定值时，除湿单元停机；自动出水单元由水箱和水泵组成，水泵由安装有限位开关的电磁阀控制启停，当水位达到限定值后水泵自动开启，将水通过水管排到密闭空间外；水位下降到一定程度后水泵自动停机；采用电磁阀控制系统启停，断电后复电系统自动恢复工作，从而实现无人值守。
本发明属腐蚀防护技术领域，根据高湿密闭环境中固定钢结构腐蚀安全的需要，对于未做长效表面防腐处理的钢结构，分别采用防腐涂层和降湿两种技术提高钢结构耐腐蚀能力、降低环境腐蚀性，综合采用两种技术相结合的技术方法，利用涂层屏蔽作用、电化学阴极保护作用等手段经济、高效地系统解决钢结构服役期内在高湿密闭环境中的腐蚀问题。
所述的固定钢结构不能移出密闭空间、且不宜调姿，导致难以对它们进行高质量的表面处理。
所述的高湿密闭环境是指钢结构所处的长期密闭环境的湿度大于80％RH，部分环境湿度高达94％RH，远远高于钢腐蚀的临界相对湿度(约60％RH)。
所述的防腐涂层是低表面处理需求的复合涂层体系，以改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆，各层厚度比为：改性环氧铝粉底漆：改性环氧鳞片状铝粉中间漆：聚氨酯涂料＝2：2：1。改性环氧涂料是碳氢树脂改性的MASTIC类环氧涂料，对于旧表面的渗透性和附着力强，固体分高达70％以上，与原有的醇酸漆旧涂层系统具有良好相容性。作为填料的Al在高湿密闭环境中生成具有钝化膜特征的腐蚀产物Al(OH)3，耐腐蚀性能明显优于Zn；而且其腐蚀速率随实验时间的延长显著降低。此外，铝粉具有良好的延展性，作为填料在涂膜中可形成连续不断的铝膜，掩盖可能的针孔缺陷，减少涂层的渗透性；而且鳞片状铝粉在涂膜中形成薄片相隔、造成涂层内复杂曲折的渗透扩散路径，从而更好地阻滞腐蚀介质向基材的扩散，提高涂层的抗渗透性能和耐腐蚀能力。
所述的除湿采用能够在密闭空间外实现湿度控制的机械冷冻除湿系统，通过其控制环境湿度低于钢腐蚀临界湿度合适量值，以较低的成本降低环境腐蚀性、控制钢结构发生电化学腐蚀，在涂层出现可能的工艺缺陷时保障钢结构的腐蚀安全。该系统主要由除湿单元、远程控制单元和自动出水单元组成。除湿单元通过冷凝压缩空气将湿度较大的空气凝结成液态水，从而达到控制环境湿度的目的。远程控制单元主要由集成于除湿单元内的信号发生器和密闭空间外的手持控制器组成；通过采用铠装电缆减少信号传输所受干扰，实现了在密闭空间外从手持控制器的控制面板对除湿单元15m的远程控制和远程显示。当除湿单元上的湿度探头探测到周边环境湿度高于设定值时，除湿单元启动除湿；达到或低于设定值时，除湿单元停机。自动出水单元由水箱和水泵组成。水泵由安装有限位开关的电磁阀控制启停，当水位达到限定值后水泵自动开启，将水通过水管排到密闭空间外；水位下降到一定程度后水泵自动停机。此外，采用电磁阀控制系统启停，断电后复电系统自动恢复工作，从而实现了无人值守。
改性环氧铝粉涂层与钢基体的结合强度是环氧富锌涂层的1.5倍，是醇酸树脂涂层的2倍；当表面处理等级为Sa2.5、St2和St3时，不同等级表面对改性环氧铝粉涂层与16MnR钢基体的结合强度大小影响≤1MPa，体现了这种涂层优良的低表面处理特性。
电化学阻抗谱实验和加速腐蚀实验表明，改性环氧铝粉涂层的涂层电阻比之前作用于固定钢结构表面的醇酸涂层和环氧富锌涂层高1～2个数量级，具有更好的耐蚀性。对比宏观、微观观察和针孔检测等结果，原有300μm醇酸涂层在高湿密闭空间2a内发生显著腐蚀，5a内失效；150μm的改性环氧铝粉涂层5a 后依然完好、无可见变化，无可检测的缺陷。

Claims (1)

1.一种固定钢结构在高湿密闭环境中的腐蚀控制技术，其特征在于：分别采用防腐涂层和降湿两种技术，综合采用两种技术相结合的技术方法，利用钢结构表面涂层的机械屏蔽作用和阴极保护作用、环境低湿度对电化学腐蚀的抑制作用，防腐涂层是低表面处理需求的复合涂层体系，以改性环氧铝粉涂料为底漆、以改性环氧鳞片状铝粉涂料为中间漆直接用于低表面处理的固定钢结构表面获得较高的结合强度，以与改性环氧铝粉涂料具有较好相容性且封孔性较强的聚氨酯涂料为面漆，各层厚度比为︰改性环氧铝粉底漆︰改性环氧鳞片状铝粉中间漆：聚氨酯涂料=2︰2︰1。
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