起重機械表面防腐蝕方法綜述

起重機械表面防腐蝕方法綜述

摘抄2020年8月16期

近年來，隨著我國工程建設的發展，起重機械在船舶、航空航天、電力、基材、冶金、橋梁鐵道等現代化生產中的應用越來越廣泛。起重機數量的增多給制造企業帶來了機遇，同樣也帶來許多挑戰。據權威數據統計，在國內起重機數量逐年增多的同時，每年拆除報廢的起重機數量也顯著增加，其中80%以上的起重機報廢是因為其金屬結構腐蝕失效導致。由于起重機械使用頻率高，工作環境相對惡劣，常被擱置于露天環境或潮濕腐蝕的環境中，其表皮油漆保護層經常會因損壞而喪失防護功能，使金屬結構被腐蝕。棗莊市曾發生過兩起門式起重機因主要受力構件嚴重腐蝕，加以使用單位違規強行超載使用，造成金屬結構損壞，出現機毀人亡事故。國外的情況同樣不容樂觀，以發達國家美國為例，據統計每年約50多人因起重機事故遇難，起重機械金屬結構材料腐蝕不僅容易引發安全事故，同時也對金屬材料造成了巨大浪費。GB6067.1-2010《起重機械安全規程 第1部分：總則》中3.9條明確規定起重機主要受力構件發生腐蝕時，應進行檢查和測量。當主要受力構件斷面腐蝕達設計厚度的10%時，如不能修復，就報廢。

由此可見，在惡劣環境下，如何提高起重機金屬結構的抗腐蝕性能，降低起重機的能耗，是當前迫切需要解決的問題。另外，文獻[6]提到服役于石材加工基地和強化學腐蝕等惡劣環境中的起重機械，其金屬結構采用普通的油漆涂料很難達到壽命預期值，進一步說明油漆裝難以滿足惡劣環境下起重機防腐要求。因此，研究起重機械適用的表面防護處理技術，延緩其腐蝕速率，延長其使用壽命具有重要的意義。

本文結合國內外起重機金屬結構防護方法及相關研究進行分析，提出了一種新的新重機械金屬結構防護技術，進而有效提高起重機金屬結構的使用壽命，節省更換起重機的生產成本，同時提升了起重生產企業在起重機領域的創新能力。

1 起重機械金屬結構腐蝕行為及原因分析

起重機械主梁及其他主體部分材質主要采用的是普通碳素鋼Q235，且對于起重機金屬結構的重要承載構件規定要采用Q235B、Q235C、Q235D，對于一般起重機械金屬結構，當設計溫度不低于-25℃時，允許采用沸騰鋼Q235F。對于普通碳素鋼腐蝕形式主要可分為均勻腐蝕、孔腐蝕和晶間腐蝕。均勻腐蝕的危害性較低，由于金屬構件都有一定的截面尺寸，微小的均勻腐蝕一般不會明顯降低金屬的機械性能。但對于起重機械的箱形金屬結構（箱形梁、箱形支腿、箱形臂等）內腔表面若脫掉一層“皮”，使腹板及臂板結構變薄，易發生安全事故，均勻腐蝕如圖1a所示?？赘g和晶間腐蝕是在金屬體的局部范圍內發生的腐蝕。這兩種腐蝕會減小構件的有效截面積，使零件易發生突然斷裂，這兩種腐蝕行為危害性較大，如圖1b、圖1c所示。研究表明，晶間腐蝕主要是由材料內部的殘余應力或者外界施加的應力，導致材料受應力應變和腐蝕共同聯合作用而導致破壞，這種腐蝕導致金屬結構破壞失效的后果很為嚴重。

起重機械金屬結構腐蝕機理主要為化學腐蝕和電化學腐蝕?；瘜W腐蝕是指材料與非導電性的介質直接發生純化學腐蝕而導致材料的破壞，而電化學腐蝕是通過產生電化學反應產生腐蝕，是一種普遍、重要的金屬材料腐蝕類型。起重機械鋼結構在正常環境下，表面一般生成鐵銹Fe₃O₄和Fe₂O₃。但在高溫的情況下，鋼結構卻易形成氧化鐵皮FeO。另外，鋼鐵中的Fe₃C組織在高溫下與氣體易發生如下反應

Fe₃C+ O₂=3Fe+ CO₂↑

Fe₃C+C O₂=3Fe+ 2CO↑

反應生成的氣體逸出鋼鐵表面，鋼結構表面便形成了脫碳層，從而影響起重機械的使用性能。在惡劣環境下很容易滿足電化學腐蝕必須的三個條件；存在電位差、電解質溶液、發生接觸。只要同時滿足上述三個條件，就可以形成電化學腐蝕，從而破壞起重機械金屬結構。

2 起重機械金屬結構防護方法分析

目前，起重機金屬結構防腐蝕方法主要有金屬結構表層涂裝和犧牲陽極保護法。犧牲陽極保護法通常在涂料中添加比鋼鐵活性度更高的填料（如鋅），通過電化學原理能達到犧牲陽極保護金屬結構不受腐蝕的作用，這種方法雖無需外部電源，但對防腐涂層質量要求高，同時會消耗有色金屬，需定期更換陽極，成本高，且過程復雜。表層涂裝方法主要分耐腐蝕金屬覆蓋法和非金屬覆蓋法兩種，耐腐蝕金屬覆蓋法一般有電鍍法、包鍍法、熱鍍法、滲鍍法、噴鍍法等，這些方法工藝要求高，工本費高，適用于小型工件，而對于已投入實際應用的大型起重機械，非上述方法所能及，故未被廣泛采用。非金屬覆蓋法是用基礎防銹油漆涂沫在金屬表面，此方法成本低、操作簡便，雖被廣泛用于起重機防腐蝕，但是單一的油漆膜不能完全阻止水份和氧氣工藝上的差距，會導致油漆不能很好的起到長期有效防護作用。在非金屬覆蓋法研究方面，汪洪峰等人具體分析了起重機械金屬結構腐蝕的原因，并且提出了一種新的油漆涂裝工藝，但也只是將起重機械的耐蝕年限提高至5a左右?？梢娚鲜霰姸喾雷o方法存在著各自的優缺點，目前尚無法找到一種可以有效提高起重機械金屬結構的防腐辦法。

3 噴涂聚脲彈性體技術應用及分析

熱噴涂技術發展較快，作為一種材料表面改進技術在眾多工程領域中得到廣泛應用，這種方法主要是將配好的材料裝入噴涂設備，通過加熱將其達到半熔化或熔化狀態，再用噴槍將其噴射到所選的基體表面而形成一層涂膜，這種涂層的某些性能比基材都要好，故可有效提高基體材料表面的性能，或使基體材料具備幾種自身所沒有的表面性能的涂層膜狀組織。噴涂聚脲彈性體（SPUA）技術就是其中之一，SPUA技術是國外近十幾年來開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術，符合當前國家關于生態環保、節能減排的政策要求。SPUA技術的出現為防腐界提供了一種新型材料和施工技術，也為工程應用找到了一種新的捷徑。聚脲彈性體是一種集塑料、橡膠、涂料、玻璃鋼等點于一身的新型萬能涂裝材料，與其他傳統涂層相比較，具有明顯的性能優勢：如不含催化劑，能快速固化，在任何面噴涂都不產生流淌現象；施工性較好，造價便宜，適合大面積涂裝；涂層致密無縫隙，耐酸堿鹽，油等介質長期腐蝕；耐紫外線老化，在戶外長期使用不開裂等等，其與傳統涂裝技術相比的優缺點如表1所示。

在噴涂聚脲彈性體（SPUA）研究中，上世紀60年代蘇聯學者Fedotova就對聚脲合成的進行了研究，到上世紀80年代中期，著名的化學專家Primeaux先生首先成功研制出來SPUA技術。該技術于上世紀90年代初期在美國某些州區投入使用，由于其優異的綜合性能廣受企業及用戶歡迎，緊接著韓、日也引入SPUA技術并相繼投入研究及應用。我國于1997年引進該噴涂設備，研發出具有自主知識產權的耐磨、防腐、柔性防撞材料等系列產品，當前國內研究主要研究聚脲涂層實用性。孫志恒等相應的提出了聚脈彈性體技術，具有優異的防腐、耐磨及防滲透效果，在我國水利建筑工程中具有廣闊的應用前景。國內對起重機械聚脲涂層涂裝工藝等許多關鍵技術探索與研究仍不完善，相關研究報道甚少，已有文獻僅在起重機金屬結構噴涂聚脲涂層后的力學性能做了相關研究，結果發現當聚脲涂層厚度為0-0.6mm時，聚脲涂層的抗拉強度、應力、斷面收縮率、表面硬度值逐漸增大；而當厚度大于0.6mm時，涂層表面硬度基本不變，抗拉強度、應力值逐漸下降。若要使聚脲涂層在起重機械領域產業化應用，國內專家學者還應該對該涂層的耐腐蝕性能及退化行為作更深入的研究。

表1 聚脲及其他涂裝技術優缺點

4 結語

隨著時代進步及科技發展，根據前膽產業研究院發布的《2015-2020年中國起重機制造行業市場需求預測與轉型升級分析報告》數據顯示，2015年以后整個起重機制造市場逐漸回暖，年復合增長率達到6.96%，到2020年，隨著上一波起重機的老齡化以及國內各類大型項目的開啟，起重機銷量將會接近4.4萬臺。因此，開展起重機械適用的表面防護處理技術研究，提高起重機金屬結構的使用壽命，不僅可以節省更換起重機的生產成本，而且可提高起重機生產企業在起重機領域的競爭力。文中通過分析起重機械腐蝕機理及當前防腐方法的不足，提出了一種新型起重機械金屬結構防護涂層，并指出了國內外研究現狀及發展方向。根據國內節能減排政策，提高起重機的防腐性能，推動我國起重機行業的技術進步勢在必行，SPUA防腐蝕技術在起重機行業將具有廣闊的前景。