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北京精密不锈钢零件加工价格海洋环境螺栓等异形件

时间:2022-08-18 15:45:52 点击:17次

导读

作者:史慧彬 1 ,官华 1 ,刘舟峰 1 ,闻洁静 1 ,邱云鹏 2 ,张耀 2 (1. 浙江舟山跨海大桥有限公司,浙江舟山 316000;2. 中海油常州涂料化工研究院有限公司,江苏常州 213016)

来源:《涂层与防护》2021年4月

摘要:在海洋环境中螺栓等异形件******常见,是机械工业中关键的基础零部件。螺栓等异形件在海洋 环境中受盐分和相对湿度的影响,引发严重的腐蚀问题,产生安全隐患,造成巨大经济损失。目前,解决螺 栓等异形件腐蚀的方法很多,本文围绕异形件防腐解决方案,简要分析了异形件腐蚀防护的基本措施和思 路,从表面处理技术出发,讨论了涂层防护、表面涂油防护、包覆材料防腐以及防护套防护等防腐措施,分 析了各种防护措施的特点以及效果,***后展望了我国海洋环境中螺栓等异形件防腐技术的发展前景。

0 引言

海洋环境是自然界当中***严苛的腐蚀环境之一。金属材料在海洋大气环境或者海水当中极易产生严 重的腐蚀现象。很多长期暴露在海洋大气环境下的螺 栓等异形件腐蚀情况严重,导致部分螺栓等异形件拆 卸困难,结构件之间的连接强度降低,同时给结构件 的正常服役和日常的维护保养带来了新的难题。

异形件的腐蚀是普遍存在的,长期以来并未引起 人们的关注。而设计者通常比较关心异形件的应力应 变状况、疲劳寿命、冲击负荷以及断裂失效等力学性 能的变化,忽视由于异形件腐蚀可能带来的问题。异 形件在腐蚀初期阶段,表面会产生锈迹,影响美观,同 时,如果腐蚀未得到及时处理,甚至会导致结构件产 生腐蚀断裂,不仅会影响结构件的安全使用,还可能 引起安全事故。螺栓等异形件在腐蚀很严重的情况下 才被发现和重视,某些设备的螺栓腐蚀、失效甚至会 影响结构件的功能,可能会导致设备事故及人员伤亡 事故,造成不可估量的损失。所以对于螺栓等异形件 的腐蚀情况和防腐措施应给予高度的关注。

1 海洋环境下异形件腐蚀现状及原因分析

据统计,我国每年因钢构件腐蚀造成的经济损失 高达 1 500 亿元[1],约占当年国内生产总值的 4%,海 洋环境腐蚀损失约占三分之一。提高钢结构在海洋环 境中的耐腐蚀性是一个综合性的问题, 需要从设计、 施工、维护等方面加以考虑。

金属钢构件在海洋环境下的腐蚀主要受大气中 的酸性气体、大气相对湿度、大气中的盐分含量等综 合影响,耐海洋大气腐蚀性能较差,严重影响结构件 的正常使用寿命。相较于陆地大气环境,海洋大气环 境水汽含量高,盐分含量大,金属腐蚀情况更为严峻。另外,在海洋大气环境下,金属表面易附着真菌和霉 菌,使得金属表面的水汽含量进一步增加,腐蚀加剧。据报道,在自然条件下,50%以上的腐蚀都是由大气腐 蚀引起的,由此可见大气环境腐蚀的严重性。此外,海 水也是一种典型的腐蚀电解质溶液,金属在实际的海 洋环境中的腐蚀存在 3 个峰值点,******个峰值点是浪 花飞溅区,通常发生在平均高海潮线以上,是金属构 件腐蚀***严重的区域, 也是***严苛的海洋腐蚀环境;第二个峰值点发生在平均低海潮线以下 0.5~1 m 左 右,在这一区域中溶解氧含量大、流速快、水温高,并 且存在大量的海洋生物附着繁殖, 容易产生腐蚀;第 三个峰值通常发生在海泥与海水的交界处下方,产生 腐蚀电池[2]。

螺栓是连接和固定钢结构的重要零件,但是往往 也是腐蚀***严重的区域,设计者对螺栓的防腐要求一 般仅限于螺栓出厂运输、存储防护,并且在工程应用中,由于间隙较小、结构复杂导致的防护困难,设计通 常不会提出具体的防护方案, 往往导致其他部位完 好,但是螺栓已经开始产生腐蚀。如果不进一步采取 措施,腐蚀不断加剧,直接导致钢构件的连接强度减 小,存在严重的安全隐患。与此同时,跨海大桥的钢 索、钢构件的焊接部分、海上设备的球形节点、法兰以 及储罐的边缘板等异形件由于其结构特殊,在腐蚀防 护过程中可能存在较多的缺陷、棱角和缝隙,导致结 构件的局部不平整,易产生积水,进而发生应力腐蚀、 缝隙腐蚀、晶间腐蚀和电偶腐蚀行为,异形件的腐蚀 问题往往很严重,是海洋环境下钢构件腐蚀防护的短 板[3-4]。

2 螺栓等异形件防腐措施分析

2.1 材料及表面处理工艺

生产螺栓、螺母所用的钢材都是经过轧制或者锻 造工艺的,通常为珠光体、铁素体或者奥氏体,此外生 产原料当中的硫磷成分含量对产品的防腐性能具有 一定的影响。除了硫磷等特殊成分以外,为了适应不 同的使用环境, 生产原料中还会限定其他成分的含 量。螺栓、螺母等结构件的化学成分不是提高防腐性 能的主要因素,其主要的防护手段还是通过外涂层防 护[5-6]。

螺栓等异形件的表面处理工艺通常有表面光亮 处理、热浸镀、电镀、电镀+特殊防腐层、发蓝处理,此 外还有一些特殊的如达克罗工艺、不锈钢处理、特氟 龙工艺、合金共渗等处理工艺[7-8]。

2.2 涂层防护

涂层防护是海洋大气环境下***常用的防腐措施, 其主要优点是成本低、工艺简单,但是对于基材表面 的处理要求很高, 而螺栓等异形件因其形状不规则, 表面处理很难达到要求。此外,防腐涂料在施工操作 过程中易产生流挂、漏涂等现象,导致在异形件的局 部区域或者边缘区域很难达到所要求的膜厚。因此, 在这些区域表面的涂层易产生鼓泡、剥离现象,并且 由于保护时间短,在后期的养护施工时,表面涂层和 锈层难以清除,维护成本高。目前,通常考虑选择厚浆 型可覆涂涂料,如环氧类、聚氨酯类、橡胶类等。

2.2.1 橡胶涂层

橡胶涂层防腐性能优越,适用于螺栓等异形件的 腐蚀防护。该产品是一种双组份常温硫化型橡胶类黏 稠液体,硫化后呈中硬弹性体,其主要利用液态橡胶 的常温快速硫化技术及适用于大多数常见固体表面 的粘接技术,并能和非橡胶物质形成牢固的结合。目 前已经在异形件防腐(阀门井、法兰、阀门)、混凝土基 座、管道支架、发汗管道、锈蚀的螺栓螺母,海洋钢桩 等部件上获得应用,但是考虑到经济性问题,尚未在 异形件防护领域得到大规模应用[9-10]。    橡胶涂层能够在异形件上得到应用,主要的性能 优势如下:

(1)化学稳定性较高,防腐性能优异,并 容 易拆 卸,具有较好的耐候性,适用于需要经常拆卸的螺栓、 法兰等异形件;

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(2)对锈蚀的钢铁表面具有很好的粘结力,能够 长期保持较高的粘结性,并且可复涂,复凃后新老防 腐涂层之间粘接性极好。对于锈蚀严重的金属构件进 行防腐时,考虑到锈层的疏松结构,所以通常需要刷 涂两遍。******遍涂刷应使用低黏度的万粘防腐弹性 胶,能够把锈蚀层的空气排出;涂刷第二遍时,就可以 形成致密无孔的防腐涂层。对于光滑的金属构件防腐 时,涂刷一遍万粘防腐膏即可;

(3)万粘防腐弹性胶固化后是一种弹性体材料, 固化后与橡胶皮一样,很有弹性,从而保证了在室外 温差变化的热胀冷缩变化之中涂层不龟裂、不剥离。

2.2.2 厚浆型聚氨酯涂料

在海洋环境下,异形件重防腐配套体系为环氧富 锌-环氧中间层-聚氨酯面层,传统的聚氨脂涂料通常 是低固体含量、高光泽度、高压无空气喷涂,一次成膜 厚度只能达到 30 μm, 否则可能会产生流挂现象,不 能满足海洋环境重防腐要求。宜采用厚浆型聚氨酯涂 料,厚浆型聚氨酯涂料以含羟基树脂配合聚苯胺纳米 复合材料、钛白粉、云母粉、磷钛粉、催干剂、防锈颜料 等组成 A 组份,B 组份为 HDI 三聚体。厚浆型聚氨酯 具有黏度低、固体分高、理论涂布率高,一次成膜湿膜 能达 200~250 μm,外观平整光滑,无气泡,很好的附 着力,耐磨性、耐化学介质等性能。广泛适用于钢结构 设施、集气站、化工设施、各种储存罐贮槽,桥梁、电 机、火车、汽车、海洋石油服务平台及构造件防腐等。

2.2.3 可剥离涂层

目前主要研究的可剥离涂层分为热熔型和溶剂 型,热熔型涂料主要是以乙酸丁酸纤维、乙基纤维素 为主要成膜物质,通过加热将树脂材料和其他辅助材 料混合溶解。热熔型在常温下为坚韧的塑料,需要加 热到 140~180 ℃后才能涂覆, 施工操作较为复杂,成 本较高,并且对施工尺寸也有限制;溶剂型涂料以过 氯乙烯树脂、低相对分子质量的聚苯乙烯、尼龙共聚 物、聚乙烯醇、聚丙烯酸树脂、SBS 共聚物等为成膜物 质,将这些成膜物质溶于有机溶剂中,并加入部分辅 助材料而成。溶剂型可剥离涂层使用方便,可在室温 下浸涂,因此得到了广泛的应用。相对于其他涂层,可剥离涂层由于其可剥离性,适用于需要经常拆卸的螺 栓等异形件的防护[11-12]。

可剥离涂层主要性能特点如下[13]:

(1)可剥离性:能附着在涂刷面,有一定粘接力, 又能用较小的力即可完全剥离,不残留,不破坏基面;

(2)防腐性:和金属基体结合性好,能有效阻隔腐 蚀介质侵入基体表面,防腐性能优异;

(3)防潮性:能有效阻止水蒸气凝结,水汽侵入, 保证被保护界面清洁;(4)适用性:适用范围广,可在多种领堿、不同的 环境起到综合保护作用;(5)耐候性:材料化学惰性强、性质稳定,防护周 期长;

(6)环保性:不含、不产生有害 VOC 物质成分,施 工过程环保,无毒无害,在使用过程和后期处理产物 都不会对环境造成危害;

(7)力学性能:可剥离涂层延展性好,拉 伸 强度 大,能有效防止表面磨损划伤。

2.3 涂油防护

涂油防腐主要是在螺栓等异形件的表面涂覆一 层特质油脂(碳钢螺栓通常采用黄油、不锈钢螺栓采 用石墨锂基润滑脂),通过隔绝空气达到防腐效果。涂 油防护施工方便、快捷,无需特殊设备。但是也存在一 定的局限性。针对异形件防护时,局部位置不能完全 覆盖, 并且防锈油脂长时间与水接触会产生乳化反 应,在干燥环境中也容易干结。因此,采用涂油防护 时,通常需要采取定期检查和养护的措施,防止由于 防锈油的干燥、乳化、挥发等原因引起的防护措施失 效。防锈油也会在空气当中发生氧化反应,生成酸性 的物质,一方面会加速金属构件的腐蚀,同时也会破 坏防护油脂的结构,使得滴点下降、基础油黏度增加、 流动性变差。另外使用环境中的水分、尘埃以及有害 气体等也会导致防锈油的劣化[14]。

目前部分跨海大桥螺栓等异形件的防护采用涂 油防护,螺栓、螺母表面涂抹黄油,外部添加 PVC(聚 氯乙烯)防护罩[15],阻止外界水分及空气与构件的直接接触,达到防护作用。但是海洋腐蚀环境恶劣,防护罩 容易出现劣化脱落,黄油液化流失,后期导致钢构件 产生严重腐蚀,严重影响安全服役。

2.4 包覆材料防腐

包覆材料防腐技术采用了 3 层相连的保护层,从 内到外分别是防腐膏、防蚀带和外部保护剂。此外,异 形件防护还采用防蚀胶泥填充局部空隙。防腐膏是包 覆材料防腐中***重要的一部分,防腐膏直接与金属表 面接触,其含有的锈转化成分可将表面锈蚀的部分转 化为黑色保护膜,保护性密封层的形成可以防止钢基 体的进一步氧化腐蚀, 起到除锈和防锈的双重作用。防蚀带是纤维无纺布在防蚀溶液中浸泡而成,较为柔 软,在各种复杂的架构表面均可粘贴。防蚀带在施工 后,外表面会发生氧化聚合反应变得干燥,内表面与 钢基体紧密接触,以保持柔软状态并达到***佳的防蚀 性能。同时,浸渍有特殊调制的防腐材料的防腐带具 有良好的密封性能,可以将基体表面与水、盐、空气等 腐蚀介质隔离开,从而达到***佳的防护性能。此外,防 蚀带还具有良好的阻燃性和耐候性。***外层的保护剂 是可固化的表面保护材料,可以直接涂刷在防腐蚀带的表面。外表面防护剂可以在空气中短时间氧化形成 耐候性能优异、密封性好、坚韧完整的保护膜,有效防 止腐蚀介质的侵入和自然老化[16]。

包覆材料防腐具有长久性,防护效果好,通常可 以防护 15~20 a。但是,目前包覆材料防腐成本较高, 还不具备大规模应用的条件,另外,针对经常发生内 漏的法兰也不适合采用包覆材料防腐技术。

2.5 防护套防护

根据螺栓等异形件的形状和规格,加工标准的防 护套,在防护套中添加密封胶,能有效隔绝空气和水 分侵入基体表面。

防护套的拆卸******简单,并且不影 响设备的检修和拆卸, 是一种行之有效的防护方法, 适用于大批量标准化施工,以增加美观性。但是螺栓 保护套不适合用于介质浸泡或有水流动的环境中。防护套可采用聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚 碳酸酯(PC)、硅胶(MQ)等材质,内部可填充聚硫、环 氧类、聚氨酯类粘接密封剂,具体操作步骤如下:

1)表面除锈:用砂轮或砂纸凊除干净螺栓及底座 外面的锈迹,除锈等级为 Sa2.5 级。然后用溶剂清洗螺 栓(推荐使用丙酮或者酒精),除去锈迹、油污及其他 杂质,保证螺栓清洁干燥无污物;

2)涂抹密封胶:把密封胶均匀涂抹在螺栓裸在空 气中的部位及与底座接触部位;推荐涂抹厚度为2 ~2.5 mm,要求密封胶厚度涂抹均匀,不得有裸露部分,以 保证密封效果。整个过程应在密封胶适用期内完成;

3)外观美化:待防腐密封胶固化完全后(一般在 24~48 h),在密封胶外面涂刷聚氨酯面漆加强防腐效 果,保证美观。2.5.1 聚硫+防护套.

2.5.1 聚硫+防护套

聚硫密封胶作为高档密封材料,其主要成分为液 体聚硫橡胶辅以补强剂、硫化剂、增塑剂等构成。因液 体聚硫橡胶的主链上存在S原子,固化后形成了饱 和的-S-S-、-C-S 化学链段结构, 故聚硫密封胶具有 优异的耐油、耐老化、耐溶剂、耐酸碱的特性,并且耐 水性和耐热性好、透气率低,具有一定的弹性,与金属 和非金属的结合力好。通常双组分的聚硫密封胶,在 使用时需要将 A、B 组分按照一定比例均匀混合,才能 固化起到良好的密封效果;单组分聚硫是一种无溶剂 的室温固化密封胶,其主要是利用密封胶与空气中含有的微量水分产生固化反应,与基体表面活性基团反 应形成粘接作用。聚硫密封胶粘接密封性能好、使用 寿命长,因其价格便宜,优先推荐使用。

2.5.2 环氧煤沥青+防护套

20 世纪 60 年代, 环氧煤沥青已成为一种广泛应 用的高性能防腐涂料。环氧煤沥青常用在埋地和地下 水的钢制管道、油轮压载舱、钢构件及混凝土结构上 的防腐。目前国内在石油化工和城建部门的热力、煤 气、输气、输油、自来水等系统的埋地钢质管道和钢制 储罐的防腐蚀工程中广泛使用环氧煤沥青涂料[17]。

环氧煤沥青具有耐盐水性、抗化学性、耐水性、耐 油性,耐微生物腐蚀性能优异,并且漆膜具有优异的 耐冲击性、耐磨性、附着力等物理性能,适用于海洋环 境下异形件的防护。

2.5.3 紫外光固化涂料+防护套

紫外光固化涂料是指在紫外光照射下能够交联 固化的一类涂料, 因其高效涂装固化和环境友好特 性,已经广泛应用于金属、塑料、玻璃、陶瓷等多种基 材的防护。紫外光固化涂料品种繁多,性能优异,其成 分主要包括反应性低聚物(预聚物)、活性稀释剂(单 体)、光引发剂、以及各种填料与助剂[18]。

光固化涂料是一种无缝密封防火防腐绝缘密封 材料,其具有优异的耐温性能、耐化学腐蚀性能及高 使用寿命,对一般的酸、碱、盐、多种有机溶剂和油类、 海水以及土壤都具有一定的抵抗作用,可以完全阻碍 内外层介质或者空气的渗透,从而保证基材的长期保 护,提供长效的防腐增强作用,适用于重盐雾、重酸雾 等重腐蚀环境下的各种螺栓等异形件的防腐、防锈及 防渗[19]。

3 结语

(1)随着海洋强国战略的实施,我国对海洋环境 下的腐蚀问题越来越重视。螺栓等异形件虽然只是工 程项目上的小部件,但大都裸露在表面,如果出现腐 蚀等问题,轻则影响美观,重则影响整体构件的强度。螺栓等异形件的防护措施很多,通常单一的防腐蚀措 施很难满足长效防护的要求,必须采取多种方案有效 结合,同时开发新方法、新技术,才能不断提高异形件 的长效防护能力;

(2)针对异形件防护,可根据使用条件,从服役时 间、防护特点、成本等诸多方面综合分析,可先采取小 规模试点,并逐步形成标准化的施工方案;

(3)研究异形件在含水、含锈等条件下的防护材 料及施工技术,同时开发适合异形件、耐高温、便于清 理和养护的长效防护材料,是目前异形件防护领域急 需解决的问题。

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