冷涂鋅/聚脲復(fù)合涂層體系在氯堿化工廠鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計與應(yīng)用

樊金元

（湖南海利工程咨詢設(shè)計有限公司，湖南長沙 410007）

與一般大氣腐蝕環(huán)境相比，化工廠的腐蝕環(huán)境更為嚴(yán)峻，對涂料的防腐性能要求很高。影響鋼材腐蝕的兩個主要因素①腐蝕介質(zhì)；②濕潤時間。在氯堿化工廠中SO2、Cl-濃度更高，因此大多數(shù)常規(guī)的重防腐涂層都經(jīng)不住考驗。針對氯堿化工廠的強腐蝕環(huán)境，推出冷涂鋅底漆、環(huán)氧中間漆和聚脲面漆復(fù)合涂層體系方案，滿足了特殊環(huán)境的防腐需求，并取得良好的效果。

1 腐蝕環(huán)境

1.1 腐蝕環(huán)境

氯堿化工廠的腐蝕環(huán)境十分嚴(yán)峻，在日常的生產(chǎn)作業(yè)中會有大量酸、堿、鹽、水、氣等泄漏、排放，這樣會導(dǎo)致大氣中SO2、Cl-等污染物含量升高。Cl-能增強液膜的導(dǎo)電性并破壞鋼的鈍化膜使得鋼鐵更容易被腐蝕，促進鋼鐵基材鐵的溶解，并且在反應(yīng)過程中Cl-自身不被消耗，反而起到“催化劑”作用。SO2能吸附到鋼表面與液膜結(jié)合生產(chǎn)H2SO3，進而被氧化成H2SO4，它們與Fe反應(yīng)生產(chǎn)FeSO4同時水解產(chǎn)生微量H2SO4，繼續(xù)腐蝕鋼基體，在局部形成“酸的循環(huán)”；另外氯堿化工廠附近的大氣濕度相對較高，氯堿化工廠內(nèi)的裝置、設(shè)備、框架、支架、管道等鋼結(jié)構(gòu)，在大氣相對濕度超過70%時，腐蝕會進一步加速[1–2]。

1.2 防腐要求

針對氯堿化工廠的腐蝕環(huán)境，所用的防腐涂料必須具有優(yōu)異的防腐性能同時具有良好的附著力、耐熱性、抗拉強度、硬度、耐磨性能、抗老化等。

2 設(shè)計方案

2.1 長效重防腐復(fù)合涂層體系的選擇

氯堿化工廠選用冷涂鋅涂層+環(huán)氧中間漆+聚脲面漆涂層的復(fù)合涂層保護措施。冷涂鋅涂層干膜鋅含量達96%可為鋼結(jié)構(gòu)提供優(yōu)異的防腐性能，環(huán)氧中間漆致密的漆膜能有效延緩腐蝕介質(zhì)接觸鋼結(jié)構(gòu)，聚脲面漆具備出色的物理化學(xué)特效如抗拉強度、延伸率、柔韌度、耐磨性能、抗老化、耐腐蝕等且具備優(yōu)良的耐熱性，可在120℃下長時間應(yīng)用，可經(jīng)受350℃的短時熱沖擊。

2.2 長效重防腐復(fù)合涂層體系的組成

氯堿化工廠最終確定選用冷涂鋅+環(huán)氧中間漆+聚脲面漆的復(fù)合涂層體系，各涂層的最小厚度見表1。

表1 氯堿化工廠長效防腐復(fù)合涂層體系中各涂層的最小厚度

2.3 長效重防腐復(fù)合涂層體系的施工

2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)表面缺陷的處理

確保鋼結(jié)構(gòu)無焊接飛濺物，焊縫光順，無深0.8mm以上凹坑，無缺陷寬度小于深度的咬邊；銳邊上的尖角毛刺，需用砂輪打磨成半徑不小于2mm的圓弧；當(dāng)邊緣大于1mm的峰谷，應(yīng)打磨到1mm以下。研磨融化縫線的堅硬表面，表面層壓、裂紋、混合物應(yīng)打磨，如有必要，還應(yīng)補焊。

2.3.2 除鋼構(gòu)件表面噴砂或拋丸處理應(yīng)達到GB/T 8923.1規(guī)定中的 Sa2.5級，并須在4h內(nèi)噴涂冷涂鋅

粗糙度（Rz）應(yīng)達到40~70μm。在不方便噴涂和除銹的部分需要現(xiàn)場進行焊接，或者人工使用除銹工具除銹至GB/T 8923.1規(guī)定中的St3級[3]。

2.3.3 表面清潔

噴涂表面須除油污、除塵、除水漬等。

2.3.4 噴涂設(shè)備選擇

噴涂機：由于冷涂鋅底漆比重大需合適的噴涂設(shè)備，須使用富鋅底漆專用無氣噴涂機，噴氣壓力應(yīng)控制12.0~15.0MPa。進氣壓力控制在0.4~0.5MPa，壓縮比1：32。需注意的是當(dāng)噴涂壓力＞18.0MPa，易堵塞槍嘴。建議使用富鋅底漆專用噴嘴（Z型噴嘴較常見），噴嘴孔徑0.48~0.63mm。

2.3.5 復(fù)合涂層噴涂

預(yù)涂處理：冷涂鋅預(yù)涂是噴涂前必不可少的工藝環(huán)節(jié)。對焊接部位、拐角、邊縫等隱蔽部位，必須進行預(yù)涂。預(yù)涂需采用交叉刷涂的辦法，不能用輥涂的辦法，以防止該部位漏涂或者涂層厚度不足。

噴涂冷涂鋅：第一道薄噴30μm左右，待表干后第二道噴涂至設(shè)計厚度80μm。噴涂封閉中間漆：冷涂鋅噴涂后間隔6~24h（低溫潮濕環(huán)境時間較長），再噴涂封閉中間漆。先霧噴一道約20μm，待表干后再噴涂至設(shè)計厚度100μm。聚脲面漆：封閉中間漆噴涂后間隔約24h，再噴涂聚脲面漆，第一道噴4μm0左右，待表干后第二道噴涂至設(shè)計厚度80μm。

3 防腐機理

3.1 復(fù)合涂層特點

冷涂鋅，又稱冷鍍鋅和冷噴鋅，固體鋅含量極高，里面含有95%以上的全鋅，而金屬鋅含量約97.5%，主要由含鋅粉、溶劑和多種有機樹脂的混合物組成[4]。與其他類型的鍍鋅涂料不同，冷涂鋅含鋅量最大，可以為鋼結(jié)構(gòu)提供更好的陰極保護，同時工藝更簡單，施工更容易。冷鍍鋅比熱鍍鋅和熱噴鋅在施工時需要的設(shè)備簡單、成本低，對環(huán)境污友好。我國冷涂鋅使用較少，在鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，隨著時代的發(fā)展，冷涂鋅、聚脲復(fù)合涂層配套體系逐漸被應(yīng)用到化工廠等腐蝕環(huán)境嚴(yán)峻、防腐要求苛刻的地方[5]。此項工藝的有效應(yīng)用，不僅可以保持化工廠整體的美觀還能有效保護化工設(shè)備，預(yù)防其因生銹而損壞，降低日常維護設(shè)備的成本，而且能夠起到良好的防腐效果，提高整個化工廠的安全度。

聚脲廣泛應(yīng)用于防腐、防水、防爆等領(lǐng)域，是二十世紀(jì)末期一種“高端”涂料，聚脲按組分分為單組分和雙組分，按施工類型分為刷涂型和噴涂型，按用途分為防腐、防水、防爆等。本文采用的是噴涂型雙組分防腐類聚脲：是由羥基與異氰酸酯通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成的一種雙組分物質(zhì)[6–7]。異氰酸酯雙組分能夠是單體、聚合體、化合物、預(yù)聚物和半預(yù)聚物。預(yù)聚物和半預(yù)聚物是由端羥基或是端羧基化學(xué)物質(zhì)與異氰酸酯反應(yīng)制取。在其中的羥基化學(xué)物質(zhì)雙組分務(wù)必是由端氨基樹脂和端羥基擴鏈劑構(gòu)成，在端氨基樹脂中，不可帶有一切甲基成分和金屬催化劑，但可能帶有有利于色漿分散性的改性劑。聚脲防腐涂料具備以下特點：①迅速結(jié)垢，可噴涂在任何表面，無需催化劑，傾角，平面和垂直平面，無任何流動懸浮效應(yīng)，10s左右初凝，1min就可以上人行走；②涂料具有“荷葉效應(yīng)”可以隔絕水并且對濕度要求高，施工時基本不受環(huán)境溫度、濕度的影響；③無接縫基礎(chǔ)原型保持良好，整體施工，涂層連續(xù)，致密，美觀實用；④聚脲固體分高，揮發(fā)性有機物VOC含量低，對環(huán)境基本無污染；⑤理化特性優(yōu)良，在拉伸強度、斷裂伸長率、柔韌性、抗沖擊性、耐磨損、抗老化、防腐蝕等方面效果顯著；⑥耐候性能好，抗高溫沖擊、耐低溫、在戶外基本不會出現(xiàn)粉化、龜裂等現(xiàn)象。

3.2 復(fù)合涂層防腐機理

冷涂鋅涂料中含有大量的鋅粉，鋅顆粒與鋼表面的接觸較強，具有比鐵更大的腐蝕電位，使鋅原子在電解質(zhì)溶液中失去電子而成為陽極，而鐵原子變?yōu)殛帢O。陽極區(qū)鋅因失去電子而受到損傷，陰極區(qū)鋼表面的鐵因得到電子而受到保護，形成穩(wěn)定的原電池[8]。而封閉中間漆涂層中含有大量有序排列的云鐵可以有效地阻止水分的滲入起到屏蔽保護的作用。聚脲面漆涂層致密，分子結(jié)構(gòu)緊密，形成無縫、緊密、類似橡膠的涂層，緊緊地包裹住基礎(chǔ)面。隔絕了腐蝕介質(zhì)和基礎(chǔ)面的接觸，保護了基礎(chǔ)面不會受到腐蝕介質(zhì)的侵害；另一方面，聚脲材料噴涂過程中形成的聚脲涂層與各類酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)都不會發(fā)生反應(yīng)，并且即便在酸、堿、鹽的環(huán)境下，聚脲涂層的性能也不會發(fā)生變化，不會出現(xiàn)被腐蝕介質(zhì)腐蝕掉的情況，提供屏蔽保護的作用[9]。涂層自愈合保護機理如圖1所示，復(fù)合涂層保護原理圖如下圖2。

圖1 “三重”保護及“自愈合”保護原理圖

圖2 復(fù)合涂層保護原理圖

4 試驗驗證

4.1 自然氣候曝露試驗

制作干膜厚度（80±5）μm的樣板（200mm× 150mm×2mm），按照GB/T 9276—1996《涂層自然氣候曝露試驗方法》養(yǎng)護14d后，放置在屋頂?shù)臉悠芳苌稀Ｔ谶_到規(guī)定時間后，觀察涂膜是否有起泡、裂紋、生銹、變色、脫落等現(xiàn)象[10]。

4.2 中性鹽霧實驗

將制備好的測試樣板（150mm×70mm×2mm），干厚度（80±5）μm，養(yǎng)護14d放入鹽霧試驗箱，箱內(nèi)溫度（35±2）℃，NaCl溶液的質(zhì)量濃度為（50±10）g/L、pH為6.5~7.2，按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》，達到既定時間后觀察涂層是否有起泡、脫落、返銹等現(xiàn)象出現(xiàn)[10]。

4.3 劃痕、柔韌性、沖擊試驗

根據(jù)GB/T 1720—1979《漆膜附著力測定法》，制作干膜厚度為（20±5）μm的樣板（100mm× 70mm×0.3mm），測試漆膜的附著力。根據(jù)GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》和GB/T 1731—1993《漆膜、膩子膜柔韌性測定法》，制作干膜厚度為（80±5）μm的樣板（100mm×70mm×0.3mm），經(jīng)養(yǎng)護7d后測試漆膜的耐沖擊性和柔韌性[10]。

4.4 存 貯穩(wěn)定性試驗

將制備好的冷涂鋅涂料、封閉中間漆、聚脲面漆放入潔凈的燒杯內(nèi)，在恒溫箱內(nèi)放置24h，觀察有無分層、硬沉等情況[10]。

4.5 拉拔附著力試驗

制作干膜厚度（80±5）μm的樣板（150mm× 70mm×3mm），養(yǎng)護7d后取10個測試點，按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》，黏上直徑為20mm的錠子后采用BGD-500數(shù)顯拉開法附著力測試儀進行測試，觀察斷裂位置，并取平均值判斷附著力大小[10]。冷涂鋅主要性能見表2。

表2 冷涂鋅主要性能

由表2可以看出，冷涂鋅底漆具有導(dǎo)電性好、附著力強；硬度等物理性能優(yōu)異；耐鹽霧性能優(yōu)異等特點，非常適用于氯堿化工廠嚴(yán)峻的腐蝕環(huán)境。封閉中間漆主要性能見表3。

表3 封閉中間漆主要性能

由表3可知，冷涂鋅配套的封閉中間漆的特點是①具有優(yōu)異的附著力，耐水、耐酸、堿、鹽等化學(xué)品的腐蝕；②極優(yōu)良的抗介質(zhì)滲透性，它具有優(yōu)良的耐水性能夠防止腐蝕性介質(zhì)滲入接觸基材表面；③堅固的漆膜具有優(yōu)異的附著力，能夠降低發(fā)生脫落、龜裂等現(xiàn)象出現(xiàn)的概率；④有效成分高，無氣噴涂一道干膜厚度可達200μm等特點，與冷涂鋅底漆搭配可以極大延長防腐時效提高防腐性能。聚脲面漆主要性能見表4。

表4 聚脲面漆主要性能 H2SO4

由表4可知，聚脲面漆具有：①極高的抗張力以及抗沖擊強度，柔韌性、耐磨性好，耐老化，防濕滑，防腐蝕性好；②快速凝固，可在任意曲面施工等特點。其耐化學(xué)品性能優(yōu)異，聚脲涂層堅固，連續(xù)，無縫線，具有“荷葉效應(yīng)”可以將水和氧氣隔絕在涂層外防止?jié)B入接觸基材，防腐和防護性能無與倫比。與冷涂鋅底漆和封閉中間漆搭配使用，極大增強了防腐性能，延長了防腐時效，三涂層復(fù)合體系可完美應(yīng)對氯堿化工廠的腐蝕環(huán)境。

4.6 復(fù)合涂層耐鹽霧性能實驗（見圖3、圖4）

圖3 覆蓋層與冷涂鋅的鹽霧實驗

由圖4可以看出，冷涂鋅底漆、封閉中間漆和聚脲面漆復(fù)合涂層面對10 000h高強度鹽霧實驗無涂層脫落或腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，因此對于氯堿化工廠嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境可選擇該復(fù)合涂層體系。

圖4 10 000h鹽霧試驗樣板

5 應(yīng)用實例

冷涂鋅底漆+封閉中間漆+聚脲面漆防腐維護實例見圖5。

圖5 華昌化工新材料公司及尿素車間鋼結(jié)構(gòu)防腐維護

6 結(jié)語

冷涂鋅底漆、封閉中間漆和聚脲面漆復(fù)合涂層體系具有優(yōu)良的附著力，表干、實干時間適中，耐酸、堿、Cl-、SO2等多種化學(xué)介質(zhì)，耐高溫、抗拉強度高、硬度高、耐磨性能好、抗老化。該類復(fù)合涂層體系可廣泛用于多類嚴(yán)峻環(huán)境下的防腐，各項技術(shù)指標(biāo)完全滿足氯堿化工特殊設(shè)備長效重防腐的要求。由于在氯堿化工廠惡劣腐蝕環(huán)境條件下的防腐都是十分有效的，因此該復(fù)合涂層體系前景廣闊，在長效重防腐方面具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。