氧化聚合型包覆防腐技術在煤礦中的應用

楊源遠，孫叢濤，陳明忠，胡勁哲，樊 平，樊 薈

(1.陜西煤炭集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西榆林 719300;2.中國科學院海洋研究所，山東青島 266071；3.青島迪特特新材料科技有限公司，山東青島 266109；4.內蒙古科技大學，內蒙古包頭 014010)

神木紅柳林煤礦主廠房主體結構為鋼結構，由于洗煤廠在運行過程中，廠房內的鋼結構長時間接觸煤中腐蝕介質，造成廠區鋼結構發生了不同程度的銹蝕現象，某些部位甚至形成了重大安全隱患，嚴重影響洗煤廠的使用安全和壽命。因此，廠房鋼結構的防腐問題已成為洗煤廠安全生產的重要問題[1]。

1 鋼結構腐蝕情況

根據現場觀察，神木紅柳林煤礦主廠房鋼結構僅采用了涂料進行防腐，但傳統防腐蝕涂料保護方法對螺栓、法蘭等形狀不規則的部位和邊緣部位無法提供足夠的保護。由于傳統保護措施的不足，近年來，鋼結構的局部區域已經嚴重生銹。現場主廠房各層主柱H型鋼柱的表面涂層出現大面積起皮、脫落現象，內部鋼結構銹蝕嚴重，而且個別輔板已經沿全寬度面銹蝕(圖1、圖2)。

圖1 H型鋼結構表面涂層剝落，腐蝕嚴重

圖2 鋼結構連接部位及螺栓銹蝕嚴重

2 鋼結構腐蝕原因

煤中還含有一定量的水，導致洗煤廠車間的濕度大，可達到70 %以上。洗煤廠分選、脫水和運輸設備的振動加劇了鋼結構的損壞[2]。

洗煤廠相對潮濕，當發生電化學反應時，吸附在鋼材表面上的水膜非常弱或接近中性。具有較低電極電位的鐵元素易于失去電子并氧化成Fe2+離子，形成陽極。溶解在水膜中的氧主要在陰極中獲得電子。總電化學反應公式為2Fe+O2+H2O=2Fe(OH)2。在氧氣和水的連續作用下，Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3并部分脫水和生銹。銹是一種疏松多孔的物質，在鋼材的表面處于暴露狀態，金屬的陽極反應得以繼續進行。因此，在介質中，不僅H+離子引起金屬腐蝕，而且當含有氧時金屬也會腐蝕。事實上，鐵等金屬的腐蝕主要是吸氧腐蝕，影響腐蝕速率的因素包括環境的溫度和濕度以及大氣中酸性污染物的濃度。

2.1 濕度的影響

確定大氣腐蝕類型和速率的一個重要要素是濕度。當相對濕度大于60 %，即臨界濕度的時候，鐵的腐蝕迅速增加。濕度越高，空氣的腐蝕性越大[3]。洗煤廠車間環境相對濕度在70 %以上。在鋼結構底層，鋼結構接縫處等易產生粉塵的堆積區域，很容易形成復雜的類土腐蝕。

2.2 溫度的影響

由于設備的發熱和氣候溫度，選煤廠鋼結構車間的平均溫度在35 ℃以上，溫度升高，反應速度增加，腐蝕速度加快。同時，隨著溫度的上升，蒸汽蒸發量和濕度增加，腐蝕也會增加。溫濕度具有協同作用，兩者共同加速腐蝕[4]。

2.3 酸性氣體的影響

由于煤中所含的諸如硫和磷之類的元素組成的化合物具有很強的化學和電化學腐蝕性質，能夠形成多種有毒有害氣體，在洗煤廠的廠房內部工業污染等影響導致大氣中酸性氣體濃度較高，例如：二氧化硫、二氧化碳、一氧化氮、氯化氫等易于與空氣中的水分融合形成酸性氣體，在這種酸性氣體中的構筑物腐蝕加劇。

3 傳統腐蝕防護的措施

3.1 耐候鋼

耐腐蝕性比一般結構鋼更好的鋼材稱為耐候鋼，通常含有磷、銅、鎳、鉻和鈦等金屬。金屬表面形成保護層以改善耐腐蝕性。其低溫沖擊韌性也優于一般結構鋼，但價格高[5]。

3.2 熱浸鋅

熱浸鍍鋅工藝是將除銹鋼構件浸入鋅液中，該鋅液在約600 ℃的高溫下熔化，將鋅層凝固硬化在鋼構件的表面上，從而防止腐蝕[6]。

該方法的優點是耐久性高，工業化程度高，質量穩定。因此，廣泛用于經受嚴重腐蝕并且難以修復的戶外鋼結構，如輸電塔、通訊塔等[7]。近年來，輕鋼結構中的擠壓鋼型材也普遍用熱浸鍍鋅作腐蝕防護。熱浸鍍鋅先用酸處理表面，然后清洗、鍍鋅。對于鋼結構設計者，應避免設計具有貼合面的部件，以避免連接面間隙中的酸洗不徹底或清洗不干凈，造成鍍鋅表面流黃水的現象。熱浸鋅是在高溫下進行的，對于管狀構件，應打開兩端管口使鋅液進入內壁。

3.3 熱噴鋁(鋅)復合涂層

熱噴鋁(鋅)復合涂層是一種較持久的防腐方法，與熱浸鋅的防腐效果相似。具體方法是對鋼構件表面進行噴砂除銹，使表面露出金屬光澤并粗糙化。然后將連續的鋁(鋅)絲用乙炔 - 氧氣火焰熔化，并用壓縮空氣吹到鋼構件的表面，形成蜂窩狀鋁(鋅)噴涂層。最后，用諸如環氧樹脂或氯丁橡膠涂料的涂層填補孔洞以形成復合涂層。該方法不能應用于管狀構件的內壁，因此管狀構件的兩端必須密封，使得內壁不會腐蝕。該方法的優點在于它高度適應組件的尺寸，并且組件的形狀和尺寸幾乎是沒有限制的。另一個優點是該過程的熱效應局部受到約束，不會發生熱變形。與熱浸鋅相比，這種方法工業化程度較低，且受施工者的技術影響較大[8]。

3.4 凃層

涂層的耐腐蝕性通常低于長效防腐方法，因此室內鋼結構和許多易于維護的戶外鋼結構會采用該方法。它一次成本低，但在室外使用時需要經常維護，所以使用成本較高。

優質的涂層依賴于徹底地除銹。因此，通過噴砂除銹是較好的除銹方法，可以露出金屬的光澤，除去所有的銹和油，現場施加的涂層也可以手動除銹。涂層的選擇要考慮周圍的環境，涂層一般有底漆和面漆之分。底漆含粉料多，基料少。成膜粗糙，與鋼的附著力強，表面貼合性良好[9]。面漆有許多基材，薄膜有光澤，可以保護底部免受大氣腐蝕和抵抗風化。不同的涂料之間存在兼容性問題，在選擇不同涂層前應注意兼容性。涂層的施工要有適當的溫度和濕度。涂漆后4 h內應防雨，涂層一般需要刷4～5次。

3.5 陰極保護法

陰極保護方法是通過在鋼結構表面添加更活潑的金屬來保護鋼結構。常用于水下或地下結構。陰極保護技術是基于腐蝕性微電池的原理，人為地增加被保護材料的防腐能力，達到保護的目的。陰極保護措施一般適用于水下部件，對水位波動區域也有一定的保護作用。犧牲陽極的陰極保護方法和外加電流陰極保護方法是陰極保護法的兩種形式。犧牲陽極的陰極保護方法適用于海水環境，不適用于淡水和土壤等高阻介質環境;外加電流陰極保護方法應用范圍較廣，例如海水、淡水和土壤[10]。

4 氧化聚合型包覆防腐技術概述

根據現場腐蝕情況，該廠鋼結構的腐蝕影響了選煤廠的正常生產和安全運行。然而，以上傳統的防護方法難以對這些關鍵部位進行充分防護，例如涂層技術在具體操作中，對施工表面和施工環境的預處理要求較高，必須除去原有的涂層和銹層，而現場條件難以滿足涂裝條件，因此二次保護效果不理想。該廠鋼結構的腐蝕保護迫在眉睫，從長遠來看，必須采用長期的防腐技術。氧化聚合型涂層防腐技術是一種優良的長期防腐技術，適用于大氣區鋼結構的保護[11]。

氧化聚合型包覆防腐系統包括3層結構：防腐蝕膏、防腐蝕膠帶、外用保護劑。

氧化聚合型包覆技術中最重要的材料是位于氧化聚合型涂覆技術最內層的防腐蝕膏，其與受保護的金屬基底直接接觸。鋼結構表面上未處理的銹可以通過其中所含的特殊組分轉化為黑色氧化亞鐵膜，從而形成保護性密封層。防止鋼材繼續氧化和生銹，起到除銹和防銹的雙重作用[12]。

將特制的防腐蝕材料浸漬到纖維無紡布中，形成柔軟的防腐蝕帶，可以粘貼在各種形狀的結構表面。施工后，防腐蝕帶的外表面通過氧化聚合變干，靠近鋼結構的一側始終保持柔軟，從而達到最佳的防腐蝕性能。采用特殊防腐蝕材料浸漬的無紡布具有良好的密封性能，可以將金屬表面與水分，鹽分和空氣等腐蝕因素隔離，達到最佳的防護性能[13]。此外，氧化聚合防腐蝕帶還具有出色的阻燃性和耐候性。外保護劑是施加到防腐蝕帶表面的可固化保護材料。與空氣接觸后，它迅速氧化并聚合成帶有韌性的皮膜。它具有耐候性和密封性，有效防止紫外線輻射老化和腐蝕性介質進入，形成完整的保護膜。

5 施工工藝

5.1 表面處理

為了確保防腐蝕膏與鋼結構表面的完全結合，以達到最好的保護效果，鋼結構需要進行表面處理。施工區鋼結構的表面處理主要是手工除銹，輔以機械除銹。表面處理主要是除銹，可以保留粘附的原有固體涂層[12](圖3)。

圖3 廠房鋼結構防腐施工工藝

手工除銹時，如果銹層很薄，可以用鋼絲刷清洗，然后用砂紙打磨。如果銹層較厚，應用刀片進行除銹，然后重復上述操作，最后用刷子除去銹跡。如果表面銹層非常厚，可以使用噴砂除去浮銹，使鋼結構的表面光潔度達到要求。

5.2 涂抹防腐蝕膏

將防腐蝕膏人工涂在防腐部件上，使防腐蝕膏均勻涂布在鋼結構表面。鋼結構表面上的凹坑和裂縫填充有防腐蝕膏。應在突出部分表面加涂一層防腐蝕膏，形成完整的保護膜[14]。

5.3 包防腐蝕帶

將防腐蝕帶螺旋纏繞或連續粘貼，每層依次重疊50 %，確保每處防腐蝕膠帶有兩層。垂直結構通常從底部到頂部進行。對于水平圓周，可以沿圓周方向依次粘貼。然后，沿著防腐帶的纏繞方向用手壓平防腐蝕帶，并擠出內部空氣，使得兩層防腐蝕帶和重疊部分完全粘在一起。它具有良好的柔韌性，適用于各種復雜結構。為了將防腐蝕帶與鋼結構緊密結合而不留下氣泡，應將防腐蝕帶切割并平滑幾次，以確保防腐帶能夠充分粘附在鋼結構表面上[12]。

5.4 涂刷外防護劑

使用前應充分混合外部保護劑。用刷子或滾筒涂抹少量外用保護劑，均勻涂刷在防腐蝕膠帶表面。手指觸摸確認干燥后，再次涂刷。外部保護劑在與空氣接觸后被氧化和聚合形成堅韌的皮膜，并具有耐候性和密封性。OTC系統在95 ℃以上高溫下仍能保持良好的粘接和密封狀態，不滲油，具有優異的防火性能，符合防火和阻燃標準。

5.5 驗收標準

在防腐蝕施工過程中，應檢查鋼結構的表面預處理質量，并實施防腐蝕施工工藝規則。正確選擇合適的測試方法，嚴格的質量檢驗和涂漆產品的驗收。檢測項目主要分為表面檢查、厚度和電火花泄漏檢測。表面檢查防腐涂層應光滑、重疊均勻、無氣泡、無皺折、無損傷。用測厚儀測得的防護涂層厚度應滿足設計要求，并沿四個點的圓周均勻分布，檢測探頭的移動速度不超過0.3 m/s。

6 結束語

神木紅柳林煤礦主廠房鋼結構采用氧化聚合型涂層防腐技術涂覆防腐涂層。該技術表面處理簡單，易操作，可靠性好，保護周期長；沒有高溫作業，無毒無污染。

防腐蝕膏和防腐蝕膠帶可有效隔絕腐蝕性介質的腐蝕和腐蝕，具有優異的長期耐腐蝕性。防腐蝕膠帶和外保護劑具有持久的抗光、抗老化和不燃性，為鋼結構提供長期有效的防腐蝕保護，延長鋼結構的使用壽命;有效控制腐蝕，節省維修保養費用，確保了神木紅柳林煤礦安全生產。