广州新电视塔钢结构热喷涂防腐蚀方案探讨.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 8 3 广州新电视塔钢结构热喷涂防腐蚀方案探讨 康壮苏1 ，沈亚郯1 ，吴子健2 1 ．中国矿业大学江苏中矿大正表面工程技术有限公司，徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．北京钢铁研究总院，北京1 0 0 0 5 3 摘要针对广州新电视塔钢结构的表面防护要求，通过对比分析国内外现有钢结构长效防腐涂层技术， 重点阐述了热喷涂技术的原理和防腐蚀机理，将热喷涂技术与其他涂层技术进行了全面的分析和比较， 最后为新电视塔钢结构的不同部位提供了推荐涂装方案。 关键词钢结构；热喷涂；防腐蚀；涂层体系 中图分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 8 3 0 3 D i s c u s s i o no nT h e r m a lS p r a yC o r r o s i o nP r o t e c t i o nC o a t i n g s f o rG u a n g z h o uN e wB r o a d c a s tT o w e r K A N G Z h u a n g S U l ，S H E NY a t a n l ，W UZ i - j i a n 2 1 ．J i a n g s uC U M TD a z h e n gC o ．，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．B e i j i n gI r o n ＆S t e e lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g3 1 0 0 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ec o r r o s i o np r o t e c t i o nr e q u i r e m e n to fG u a n g z h o un e wb r o a d c a s tt o w e r ，s e v e r a lc o a t i n g t e c h n o l o g i e sf o rp r o t e c t i o no fs t e e ls t r u c t u r e a r ed i s c u s s e d ．T e c h n i c a lp i r i n c p l ea n dc o r r o s i o np r o t e c t i o nm e c h a n i s mo ft h e r m a ls p r a yt e c h n o l o g ya r es t r e s s e d ．T h ea d v a n t a g e so ft h e r m a ls p r a ya r ea n a l y z e da n dc o n t r a s t e dw i t h o t h e rc o a t i n gt e c h n o l o g i e s ．Ac o a t i n g ss y s t e mf o rs t e e ls t r u c t u r eo fG u a n g z h o un e wb r o a d c a s tt o w e ri sr e c o m m e n d e d ． K e y w o r d s S t e e ls t r u c t u r e ；T h e r m a ls p r a y ；C o r r o s i o np r o t e c t i o n ；C o a t i n gs y s t e m 广州新电视塔座落于珠江岸边，将作为广州市 的标志性建筑，由一座高达4 5 4m 的主塔体和高 1 5 6m 的天线桅杆构成 总高6 1 0m 。该电视塔包 括大量钢结构件，主塔体由一个向上旋转的椭圆形 钢外壳变化生成，钢结构外筒包括2 4 根钢管混凝土 组合立柱、4 6 组曲线形式钢管环梁和钢管斜撑，各 钢构件之间均采用焊接方式连接。桅杆天线下部采 用格构式钢结构，上部采用全钢板焊接而成。连接 桅杆天线和外筒钢管混凝土柱由钢结构的空间转换 桁架连接。广州新电视塔的设计使用年限为1 0 0 年，要求首次防腐涂装的免维护寿命为2 5 年。而其 所处环境为南亚热带季风气候区，年平均气温高 2 3 ℃ ，空气相对湿度大 7 7 ％ ，降雨量多 16 2 4 ～ 作者简介康壮苏 1 9 7 2 一 ，男，内蒙古海拉尔市人，副总经理 19 0 0r a m ，日照时间长 18 2 0 ～19 6 0h ，又处于严 重酸雨腐蚀环境。按照I S 0 1 2 9 4 4 2 ，腐蚀环境大致 处于C 3 ～C A 等级，因此需要采取长效防腐蚀涂层 体系。 常用的钢结构防腐方法主要有热喷涂、热浸镀 和重防腐涂料等，然而要对大型室外钢结构进行长 期有效的防腐蚀保护，热浸镀涂层和重防腐涂料涂 层都存在一定局限性，目前国内外采用热喷涂长效 防腐技术的越来越多。世界许多国家几十年的现场 试验和工程应用证明热喷涂防腐蚀技术是迄今为 止对重要钢结构进行长效防腐的最好方法n j 。 万方数据 8 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 1热喷涂长效防腐蚀技术 1 ．1 热喷涂技术原理 热喷涂是借助某种热源 火焰或电能 将欲喷涂 的金属材料 丝材或粉末 熔化，利用压缩空气将金 属熔滴雾化，高速喷射到经粗化处理的工件基体表 面，熔滴在撞击到工件表面的瞬间冷凝而形成金属 涂层。涂层的组织结构是由互相镶嵌、重叠的无数 变形微粒机械地结合在一起，并含有一定数量孑L 隙 的结构。涂层的孔隙率与喷涂工艺有关，涂层的结 合强度与喷涂材料和表面处理有关怛J 。 按照使用热源的不同，热喷涂可分为火焰喷 涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂等。根据使用 材料的形态不同又可分为线材喷涂和粉末喷涂。 用于防腐目的的热喷涂方法主要是线材电弧喷涂和 线材火焰喷涂。由于电弧喷涂的生产率和能源利用 率高、结合强度高，适用于各种钢构件的防腐蚀施 工，成为涂层耐蚀性能好、应用最广的热喷涂方法。 1 ．2 热喷涂层防腐蚀机理 用于防腐蚀目的的喷涂材料主要有锌、铝及其 合金。它们对钢铁的保护机理主要有二个一是具 有与涂料涂装防腐机理类似的阻挡腐蚀介质的隔离 作用，二是具有通过涂层材料自我牺牲而实现的阴 极保护作用。根据电化学理论，锌、铝及其合金涂层 的电极电位较钢铁材料低，在有电解液存在的条件 下，这些涂层为阳极性材料，钢铁为阴极性材料，它 们间形成腐蚀原电池。在腐蚀过程中，阳极材料 涂 层 通过自身的牺牲实现对阴极材料 钢铁 的保护。 由于锌或铝涂层的腐蚀产物能有效地减缓腐蚀速 度，所以涂层的消耗也是很缓慢的，可以较长时问的 保护钢铁基体。锌、铝及其合金涂层在许多环境下 对钢铁材料都有很好的保护作用。相对来说，由于 铝涂层内部微粒表面覆盖有坚韧的氧化膜，铝涂层 的寿命更长。与锌相比铝涂层的缺点是对钢铁材料 的动态电化学保护效果不如前者⋯3 。 1 ．3 热赜涂材料选择的基本原则 热喷涂材料选择的基本原则是锌涂层在中性 和弱碱性环境介质中具有很好的耐腐蚀性能，铝涂 层在中性和弱酸性环境介质中的耐腐蚀性能表现良 好。喷铝涂层适用于酸雨环境、工业大气环境、城市 大气环境、弱酸性介质条件、升温条件 温度高于 6 0 ℃，但低于5 9 5 ℃ 及在海洋环境下工作的钢铁结 构件的腐蚀保护。喷锌涂层则适用于矿井、淡水、大 气及土壤中钢铁构件的保护。广州是典型的酸雨和 城市环境，雨水p H 为酸性，适合采用喷铝涂层对钢 结构进行防腐蚀。 1 ．4 国内外对热喷涂的研究与应用 热喷涂防腐工艺的实际应用开始于2 0 世纪3 0 年代。为了探索热喷涂技术的防腐机理和论证它的 防腐效果，许多国家都对其进行了大量的试验研究。 几十年的研究和试验已使这项技术日趋成熟，应用 领域不断扩大，成为当今钢铁结构防腐的首选方法。 1 9 5 3 年，美国焊接学会热喷涂委员会为考察热 喷涂锌涂层及铝涂层在工业大气、海洋大气、海水浸 泡、海潮冲蚀等环境下耐腐蚀性能，同时在美国6 个 州的8 个试验场开始挂片试验。试验内容包括锌涂 层与铝涂层的防腐效果比较和不同封孑L 涂料的影 响。经过1 9 年的现场挂片，于1 9 7 2 年试验结束。 1 9 7 4 年美国公布了试验报告 A W SC 2 ．1 4 7 4 。 类似的挂片试验在英国、法国、日本等许多国家 都进行过。试验结果有力地证明了在多数环境下热 喷涂锌或铝涂层对钢铁材料的可靠保护作用。因 此，英国国家标准学会在1 9 7 7 年制定的钢铁结构件 防腐蚀技术标准 B S5 4 9 3 1 9 7 7 中指出只有热喷 涂的锌或铝涂层才能保证钢铁结构件在工业及海洋 环境中2 0 年不需维护。加拿大标准协会确认热喷 涂锌或铝涂层可给予钢铁预期4 0 年的保护寿命。 目前，欧、美、日等国家已广泛应用热喷涂锌、铝 及其合金进行钢铁构件的长效防护。并不断开发相 应的设备和材料系列，制定工业及质量检验标准。 而且已在桥梁、闸门、海上油管、近海钢桩、储油罐、 船舶及潜艇壳体、广播电视发射塔、海上钻井平台及 直升机起落架等大型钢铁结构的防腐工程中取得较 好的应用效果。 通常电视发射塔的上部有一根金属桅杆，耸立 在电视塔上的金属桅杆维修涂装就非常困难。国家 广电部在1 9 8 5 年专门颁发了[ 8 5 ] 广技科学4 2 号文 件“关于广播电视铁塔防腐蚀方法的通知”。该文件 中要求“凡今后设计、生产和新扩建的广播电视铁 塔，全部必须采用热喷涂方法进行腐蚀防护，已订货 尚未安装和投入运行的广播电视铁塔，也应该按通 知精神办理”。像广播电视铁塔这样的钢构件采用 热喷涂技术防护后，日后的维护就简单得多，可以至 少保证在2 5 年内不需要维护，4 0 年内少量维护。 1 9 8 3 年以来，我国广播电视铁塔大都采用热喷涂防 腐技术，如中央电视台电视发射塔、北京广播电视中 心电视发射塔、武汉龟山电视发射塔、三亚电视发射 塔、东方明珠电视塔、北海电视发射塔等。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 8 5 1 ．5 国内外相关热喷涂标准 热喷涂锌、铝涂层用于钢结构的防腐蚀，世界各 国都有很多成功应用经验和实例，它是一项非常成 熟可靠的技术，被各国普遍接受，并以标准的形式对 涂层适用环境、设计、材料、施工、检查和验收等都做 了详细的规定。钢结构所处腐蚀环境主要为工业大 气、乡村大气、海洋大气、盐雾、海水等，其喷涂层设 计主要与腐蚀环境有关。 国内外对钢铁防腐蚀热喷涂标准主要有美国 国家标准A N S I ／A W SC 2 ．1 8 1 9 9 3 、英国国家标准 B S5 4 9 3 1 9 7 7 { 钢结构件腐蚀保护实用指南、日本 工业标准J I SH8 3 0 0 喷锌 ／了I SH8 3 0 1 喷铝 一 1 9 7 7 、国际标准I S 0 2 0 6 3 1 9 9 1 { 金属和无机涂层热 喷涂锌、铝及其合金、中国国家标准G B ／r 9 7 9 3 1 9 9 7 { 金属和其它无机覆盖层热喷涂锌、铝及其合 金。 2 热喷涂技术与其他涂层技术对比 2 ．1 热喷涂技术与富锌涂料技术对比 1 均提供阴极保护，但二者是有本质区别的 富锌涂料靠无数锌粉对钢铁提供阴极保护，锌 粉靠有机或无机树脂粘接得以形成漆膜，锌颗粒之 间互相连续性差，阴极保护电路导通效果差。 电弧喷涂层是1 0 0 ％的纯金属与钢铁直接接 触、涂层金属互相重叠并完全覆盖钢铁表面，电化学 回路畅通，阴极保护充分，对钢铁保护效果好。 2 热喷锌与富锌涂料失效形式及危害不同 富锌涂层对钢铁提供机械屏蔽和阴极保护。涂 层老化、锌粉粉化和自腐蚀后，暴露出孔洞，使涂层 隔离作用减弱或失去作用；腐蚀介质穿过涂层孔洞 使富锌涂层与钢铁界面结合力下降，产生界面腐蚀， 腐蚀结果逐步扩散最终导致整个涂层失效。 热喷涂层对钢铁长久提供电化学保护，封闭涂 层起隔离和封闭作用。封闭涂层老化、粉化等腐蚀 失效后，热喷涂层仍以比较低的腐蚀速率消耗、对钢 铁提供电化学阴极保护。热喷涂层具有比富锌涂层 低得多的腐蚀速率和高得多的涂层厚度，从而表现 更长久的耐腐蚀寿命。 3 热喷涂层与富锌涂层的力学性能差别巨大 富锌涂料与钢铁结合力约为3M P a ，涂层由锌 粉组成、无延展性，使得涂层抗冲击、抗弯曲、疲劳性 能及冷热膨胀系数不能与钢铁基体一致。在环境变 化过程中涂层不能适应钢铁变化会提前失效。 热喷锌涂层与钢铁结合力达6M P a 以上，电弧 喷铝涂层与钢铁结合力达1 2M P a 以上，远高于富 锌涂料的结合强度。热喷涂层与钢铁的结合力与涂 层厚度之间关系不大；而富锌涂层的结合力随涂层 厚度而下降，涂膜干燥时收缩应力过大易产生龟裂 纹。 4 富锌涂料施工比热喷涂对环境要求高 富锌涂料在施工过程中，由于涂料为高固体含 量，锌粉易沉淀，涂层锌粉含量不均匀；施工时应更 加控制施工工艺和施工环境，否则影响涂膜形成；温 度过高和涂膜过厚都会使涂膜干燥太快，出现龟裂， 施工条件苛刻。涂料为液体物料，施工过程中，不允 许有任何粉尘存在，否则均有可能在喷涂过程中裹 杂到涂层中去，影响涂层质量。 热喷涂施工基本上不受环境条件的限制，无论 零下几十度的北国的冬天，还是夏天酷热的南国，都 可以进行施工，涂层质量优良。 5 热喷涂层比富锌涂料具有更长的耐蚀寿命 英国标准B S5 4 9 3 认为热喷涂是钢铁2 0 年以 上免维护的唯一防腐蚀方法；油漆涂层仅可提供钢 铁1 0 ～1 5 年以下的耐腐蚀保护。 世界发达国家有大量的钢结构热喷涂防腐蚀寿 命达3 0 年以上的成功应用实例，它为各国今天钢结 构长效防腐蚀提供了工业应用试验先例。 因采用油漆防腐蚀导致大量的维修，并且要为 旧涂料污染处理和防腐蚀维修付出巨大经济费用。 国内外很多钢结构油漆涂装后，短期内锈蚀又不得 不重新涂装已是不争的事实。 2 ．2 热喷涂技术与热浸镀技术对比 1 涂层形成原理不同 热浸镀锌钢铁工件经酸洗除锈后，浸入约 4 8 0 ℃的高温热镀锌熔池数分钟后，使工件沾满锌液 后，提出工件浸入常温水中冷却形成热镀锌镀层。 热喷涂锌 铝 利用专用热喷涂设备，将高纯度 锌 铝 丝材以极短时间加热、熔融、雾化、喷涂至经 喷砂除锈后的钢铁表面，形成热喷涂层，若经有机封 闭涂料封闭，可形成复合长效防腐涂层。 2 涂层耐腐蚀性能差别 热喷涂防腐蚀涂层，无论是在海洋环境还是各 种大气环境等均能够提供3 0 年以上的腐蚀保护。 热喷涂锌 铝 与有机封闭涂层之间存在“最佳协同” 效应，即电弧喷涂复合涂层的耐腐蚀寿命是电弧喷 涂层与封闭涂层二者之和的1 ．5 ～2 ．3 倍。在B S 5 4 9 3 标准中规定海洋环境、频繁盐雾环境只有热喷 涂是2 0 年以上长效防腐的唯一方法，热浸镀锌是不 万方数据 8 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 能在此环境下对钢铁构件提供有效的防腐保护的。 在B S5 4 9 3 标准中规定热镀锌镀层仅可以提 供一般环境1 0 年左右的腐蚀保护；在多种腐蚀环境 下，热浸镀锌要获得1 0 年以上的腐蚀保护，镀层厚 度必须达到8 5 “m 以上、外加有机涂料进行涂装的 涂层体系；事实上热镀锌表面油漆涂层结合力是比 较低的，很难保证较长时间涂层不脱落。 3 涂层结合强度的区别 由于热镀锌工艺的预处理采用酸洗、磷化，故工 件表面没有粗糙度，涂层结合力较差。而喷锌、喷铝 工艺的预处理采用喷砂工艺，表面粗糙度达到S a 3 级，所以涂层结合力很好，喷锌涂层的结合强度6 M P a ，喷铝涂层结合强度大于1 2M P a 。 4 涂层工艺的区别 ①前处理工艺影响涂层质量 热镀锌的前处理一般都是采用酸洗除锈，对于 铸造件、焊接件等，难免存在铸造沙眼和焊接缺陷， 酸洗后沙眼和气孔内残酸冲洗不干净，往往会在热 镀锌成品后，这些部位的残酸慢慢渗透出来，并对周 围锌镀层产生腐蚀，这种质量缺陷无法用热镀锌工 艺修复，直接导致耐腐蚀性的下降。热镀锌的酸洗 除锈工艺还会造成钢铁件的”氢脆”危害，对钢铁结 构强度造成潜在危害，可能造成安全事故。工件拐 角或电镀死角处，在热镀锌时易产生”气袋”现象，造 成镀锌层厚度不足，甚至提前锈蚀。 电弧喷涂无以上缺陷，前处理采用喷砂除锈，喷 涂时可以通过控制喷枪速度，能够充分保证工件不 同部位涂层厚度的均匀性。 ②涂层工艺效应 热镀锌工艺是将工件浸入高温熔池中 约 4 8 0 ℃ ，工件挂满熔液后应迅速浸入常温水中冷却， 对长构和薄壁工件会产生变形，必然在镀后需要对 工件进行校直，对于形状复杂工件校直很难达到图 纸要求，校直过程中还可能会引起镀层局部损伤。 热喷涂锌、铝涂层时，工件表面温度 8 0 ℃，因 此工件不变形。 ③涂层表面缺陷 热喷涂工艺稳定，涂层表面状况完全由热喷涂 设备来控制，在正常生产过程中，涂层表面均匀、平 整、无特别缺陷。 热镀锌液表面易漂浮一层锌高温氧化物，在热 镀锌表面易产生锌瘤；对特别长的工件，由于没有如 此长的镀池，工件往往被分二次掉头施镀，交界面锌 瘤尤此严重，只得在镀后去除锌瘤，造成该处镀锌层 破损，严重时影响防腐效果。 ④涂层厚度的差别 热镀锌工艺中，液态锌粘附在工件表面，由于液 锌流动产生流挂，使得工件表面高凸部位锌层较少， 低凹部位锌层较厚，镀层厚度存在明显不均匀性，也 出现镀层耐腐蚀性能差别。热镀锌的厚度受工艺的 影响，厚度一般小于8 0 肛m ，难以获得较厚的涂层， 因此也影响镀层的防护寿命。 热喷涂可以采用半机械化或熟练工人手工操 作，获得比较均匀的喷涂层厚度。喷锌涂层的厚度 可以根据需要来控制，一般可以获得5 0 ～10 0 0 肚m 的厚度，可以满足各种防护寿命的要求。 ⑤工件形状尺寸的影响 采用热镀锌工艺，工件受镀槽尺寸的限制，不能 放进镀槽的工件则没法浸镀；而采用喷锌、喷铝工艺 则对工件的大小没有任何限制，无论多大或多小的 工件均可以进行喷涂施工，不仅在厂内可以施工，在 安装现场也可以喷涂施工。 ⑥损伤涂层的修复 热镀锌无论在镀层形成过程中，还是在镀后加 工中都存在镀层损伤和厚度不均匀等缺陷，这些缺 陷无法用热镀锌工艺进行修复。现场安装时焊缝、 装卸、运输过程中的损坏也不好修补，从而产生工艺 突破口，其耐腐蚀性将无法保证同步。 热喷涂涂层自身无热镀锌缺陷，即使现场因其 他原因 如焊接或切割 需要修补，热喷涂可以在现 场进行喷涂施工，以充分保证每个部位等效防腐。 ⑦工艺对环境的影响 热镀锌对水质污染十分严重，环保问题突出。 而热喷锌、喷铝工艺则不存在废水处理的问题。 3广州新电视塔钢结构热喷涂防腐蚀 方案 广州新电视塔钢结构推荐涂装方案详见表1 。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 8 7 表1 广州新电视塔钢结构推荐涂装方案 T a b l e1R e c o m m e n d e dc o a t i n g ss y s t e mf o rs t e e ls t r u c t u r eo fG u a n g z h o un e wb r o a d c a s tt o w e r 4结论 了一个合理的涂装方案。 针对广州新电视塔钢结构的腐蚀环境和表面防 护要求，通过对比分析国内外现有钢结构长效防腐 涂层技术，阐述了热喷涂技术的原理和防腐蚀机理， 将热喷涂技术与其他涂层技术进行了全面的分析和 比较，最后为广州新电视塔钢结构的不同部位推荐 参考文献 [ 1 ] 张忠礼．钢结构热喷涂防腐蚀技术[ M ] ．北京化学工 业出版社，2 0 0 4 ． [ 2 ] 高荣发．热喷涂[ M ] ．北京化学工业出版社，1 9 9 2 ． [ 3 ] 吴子健．热喷涂技术与应用[ M ] ．北京机械工业出版 社，2 0 0 6 ． 万方数据