鋼結構的腐蝕及防腐措施的研究

張恩旺，潘金龍，梁鴻宇，奚星語

（南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211200）

鋼結構在工程領域應用非常廣泛，常應用于大跨度結構，高層結構等。由于使用環境對鋼結構會造成不同程度的腐蝕，特別是海洋環境、酸性環境、干濕交替環境等。鋼結構受到腐蝕后其力學性能會大大降低，進而縮短鋼結構的使用壽命，降低工程的安全性，造成巨大的經濟損失。相關數據顯示，世界每年因為鋼結構腐蝕而造成的損失約占國民生產總量的3%～4%[1]。因此，對鋼結構的腐蝕和防腐措施的研究具有重要意義。本文通過研究鋼結構的常見腐蝕種類，提出了相應的預防措施，對工程中鋼結構的使用與維護提供思路。

1 鋼結構的腐蝕種類

根據外界環境的不同，鋼結構主要受到大氣環境腐蝕、化學介質腐蝕、鋼結構構件局部腐蝕及應力損失腐蝕幾種類型。

1.1 大氣腐蝕

在工程使用中，鋼結構大多處在大氣環境下，因而大氣環境對鋼結構造成的腐蝕情況最普遍，由于大氣腐蝕而造成的損失也最多[2]。大氣環境中，與空氣中，鋼結構與大氣中的O2、H2O等物質發生一系列復雜的化學反應。鋼結構受大氣腐蝕的程度受到溫度、濕度、大氣污染物等環境因子的影響。根據鋼結構表面液膜厚度不同，大氣腐蝕分為干的大氣腐蝕、潮的大氣腐蝕及濕的大氣腐蝕。干的大氣腐蝕指鋼結構表面基本沒有水分子膜，無法形成連續的電解質水層，鋼結構腐蝕速率非常緩慢，這種環境對鋼結構的破壞較小[3]。潮的大氣腐蝕指鋼結構表面覆蓋了一定厚度的水分子膜，形成了連續的電解質水層，從而造成鋼結構發生電化學腐蝕，使鋼結構腐蝕速率大大加快。例如鐵受潮生銹，這種腐蝕是鋼結構受到大氣腐蝕的主要形式。濕的大氣腐蝕指鋼結構與水直接接觸，表面覆蓋了一層較厚的水分子膜，使氧氣與鋼結構難于接觸，使腐蝕速率迅速降低，這種環境對鋼結構的腐蝕同樣較小。當大氣中的CO2、SO2等腐蝕性介質溶于水膜中時，會導致鋼結構腐蝕更加嚴重[4]。

1.2 化學腐蝕

化學腐蝕是指鋼結構和外界介質接觸發生化學反應而造成結構破壞的腐蝕。根據外界接觸環境不同，鋼結構化學腐蝕分為高溫氣體腐蝕和氫腐蝕。高溫氣體腐蝕指在高溫條件下的鋼結構和空氣中的氧氣、水、二氧化碳、硫介質等發生高溫氧化、脫碳、硫化等反應，造成鋼結構的力學性能下降，影響工程結構的使用。相對于高溫氣體腐蝕，鋼結構發生氫腐蝕對環境的要求比較高。氫腐蝕要求外界環境溫度一般要高于232℃，氫分壓大于0.7MPa，使環境中的氫原子能夠與鋼結構發生反應，進而讓鋼結構中的碳脫離，對鋼結構的強度造成永久的損壞，使鋼結構的強度和塑性大幅度下降[5]。工程中氫腐蝕一般發生在石油加氫、裂解等鋼制裝置中。

1.3 局部腐蝕

局部腐蝕是鋼結構比較常見的一類腐蝕類型，主要分為電偶腐蝕和縫隙腐蝕這兩種形式。電偶腐蝕指的是在鋼結構中異種金屬表面互相碰觸，由于不同種類的金屬逸出功具有一定的差異，導致接觸面上電子分布不均勻，形成了電位差的腐蝕。電位差越大，電偶腐蝕效果越明顯。縫隙腐蝕指的是由于鋼結構表面存在許多細小的縫隙（縫隙寬度通常為0.025mm～0.1mm），外界介質如水等流入縫隙未及時流出，導致縫隙內外電子濃度差異，形成電位差，從而造成鋼結構局部腐蝕，局部腐蝕的面積會隨著時間的推移變得越來越大，最終使鋼結構發生破壞。工程結構中鉚接處、襯墊下及顆粒沉淀處是鋼結構最容易發生縫隙腐蝕的地方。

1.4 應力腐蝕

應力腐蝕是指鋼結構在實際使用過程中，總會收到不同荷載作用，進而在鋼結構內部產生應力，在外部環境與應力耦合作用下，引起鋼結構的使用壽命縮短，應力作用越大，鋼結構腐蝕速率越快[6]。在鋼結構中由于應力腐蝕而導致的斷裂稱為應力腐蝕開裂（SCC斷裂），SCC斷裂是危害性極大、隱蔽性極強的一種腐蝕失效形式，由于這種斷裂沒有明顯的征兆，所以往往會造成非常嚴重的事故，在工程結構中應引起重視。

2 鋼結構的防腐蝕措施

腐蝕不僅會降低鋼結構的性能，還對鋼結構保持其整體性和安全性產生不利影響，因此做好相應的防腐措施就顯得尤為重要。針對以上所述鋼結構腐蝕種類，可以從使用耐候鋼、熱浸鍍鋅、熱噴鋁復合涂層、噴油漆等方面入手。

2.1 使用耐候鋼

耐候鋼是指通過向普通碳素鋼中加入Cu、Cr、P等耐腐蝕元素而形成的一種低碳合金鋼。與普通碳素結構鋼相比，耐候鋼的抗腐蝕能力為其2～8倍，并且耐候鋼使用壽命可達80年[7]。耐候鋼之所以具有良好的抗腐蝕能力，是因為其表面有一層致密的氧化物膜，阻止了空氣中的O2，H2O等物質對鋼的滲入，提高了其抵抗大氣腐蝕的能力，因此耐候鋼又被稱為耐大氣腐蝕鋼。在工程結構中，耐候鋼還具有高耐火性、減薄降耗、節能省工等優點，被廣泛運用到橋梁、海港建筑、鐵道車輛、石油井架等長時間處于大氣環境下的建筑。但是，耐候鋼往往需要很長的時間才能形成穩定的保護層，在此期間會出現銹液流掛等現象，造成環境污染。為了解決這個問題，有學者已經做了相關研究，提出了以水為溶劑、可溶性鹽為溶質的環保型耐候鋼表面銹層穩定化處理技術，并探討了表面處理溶液對耐候鋼銹層穩定化進程的作用機理[8]。

2.2 熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅是指將鋼結構浸沒在600℃左右的鋅液中，使鋼結構表面形成熱浸鋅保護層。熱浸鍍鋅層厚度是評價熱鍍鋅產品防腐性能的重要指標[9]。一般環境中，熱浸鍍鋅的保護期在25年到50年之間，當鍍鋅量為600g/㎡時，防腐期限可以超過50年，目前已知的熱浸鍍鋅體系最長保護期限為110年[10]。熱浸鍍鋅不僅防腐期限長，而且工業化程度高，綠色無害，常用于維護相對困難的鋼結構工程中。所以，該防腐措施被廣泛運用于通訊塔，輸電塔等領域。但是，熱浸鍍鋅處理也有明顯的缺點，即受鍍鋅槽的限制，導致只有尺寸規格較小的鋼構件才可以鍍鋅作業，而且當鍍層被碰掉后，無法自行修復。熱浸鍍鋅防腐工藝一般適用于小型鋼結構構件和輕型鋼結構構件的防腐。

2.3 熱噴鋁復合涂層

熱噴鋁復合涂層具有很好的防腐效果，并且能夠長時間作用。通過將鋼結構進行噴砂除銹、打毛霧化、噴涂鋁液等處理，使其表面形成復合涂層，進而讓基體與腐蝕性介質隔離，從而增強鋼結構的抗腐蝕能力。熱噴鋁復合涂層不受鋼結構尺寸的影響，幾乎可以對任何形狀的尺寸的鋼結構進行防腐處理。但是，噴涂施工只能由人工處理，所以工作程度較重，嚴重制約了加工工期，而且防腐效果也會受噴鋁質量的直接影響。為了提高整體熱噴鋁質量，徐軍等從工人、設備等方面提出了相應的解決措施，使熱噴鋁防腐技術進一步得到發展[11]。

2.4 噴油漆防腐

由于油漆防腐具有原料價格低廉、外表美觀，工藝簡單，具有良好防腐效果等優點，得到了廣泛的應用。噴油漆防腐技術首先在噴涂之前進行除銹處理，對于一些防腐要求較高的鋼結構要處理到表面露出金屬光澤為止，然后根據工程環境和工程要求選擇噴涂的底漆、中間漆和面漆，最后均勻地將油漆噴涂到鋼結構的表面，防止因油漆噴涂不均勻而造成鋼結構局部的腐蝕[12]。但是油漆長期處于腐蝕環境中，其對鋼結構的防護作用也會逐漸減弱。因此，對于油漆防腐需要根據實際情況，定期檢查與維護。

3 結語

綜上，隨鋼結構在工程領域中應用越來越廣泛，做好防腐方面的工作不僅可以使鋼結構的使用壽命增加，還可以提高工程的整體安全性。通過使用耐候鋼、熱浸鍍鋅、熱噴鋁復合涂層等工藝，可以對常見的鋼結構腐蝕起到良好的防腐效果。隨著鋼結構使用環境越來越趨于復雜化，目前防腐技術仍存在著許多的不足，仍需加強對鋼結構防腐方面的研究，促進鋼結構在工程中的應用進一步發展。