重防腐蚀涂料及其涂装施工

重防腐蚀涂料及其涂装施工

一、前言

    随着科学技术和国民经济的迅速发展,我国目前正在进行大规模的工程建设,有跨海大桥、海上钻井平台、港湾码头、发电厂、石油储罐等,重大工程数以万记。这些大型工程具有四大特点:

    (1)主要是用钢铁制造,系钢结构工程。钢结构工程具有施工速度快、节能环保、建筑造型美观、抗震性能好、综合技术经济指标合理等优点,受到了广泛的重视和应用;

    (2)工程质量要求高。大型工程由于结构复杂、维修困难所以对工程质量提出丁较高的要求。如杭州湾跨海大桥提出了使用寿命大于100年的质量要求。特别是,我国在2001年10月颁布了国务院”建设工程质量管理条例”即279号令.同时建设部颁布了“关于设计单位合理确定使用年限的通知”,使我国的工程建设,从工程质量到确保使用年限进入了法制的轨道。工程的使用年限,其中必然包括钢结构的使用年限;

    (3)受使用环境条件影响。因钢结构工程大多在露天使用,长期经受日晒、风吹、雨淋和湿热的影响:在沿海地区受海洋盐雾侵蚀,在工业地区受化工大气和酸碱盐等化学物质的侵蚀,因环境条件恶劣,腐蚀速度加快。加上存在应力腐蚀或温差腐蚀,钢结构腐蚀速度还会加快,甚至会十分严重。在水中、土壤中或潮湿大气环境中钢材还可能受到生物腐蚀。因此由钢结构腐蚀而造成的损失是十分严重的。

    (4)采用重防腐蚀涂料涂层是对钢结构进行防腐蚀处理的主要方法。对钢结构的防腐蚀作用不仅局限于节约钢材本身,人们在将钢铁加工成桥梁、钻井平台、石化设备等以后,其价值远远超过所用钢材的数十倍乃至上百倍,工程一旦过早腐蚀损坏,会造成巨大经济损失。所以必须采用防腐蚀技术,保护钢结构不受腐蚀或延缓腐蚀。

    对钢材的防腐蚀方法很多,如选用耐蚀合金、安装牺牲阳极和外加电流的阴极保护法、采用普通的防腐蚀涂料等等,但主要采用的是重防腐蚀涂料涂层对大型钢结构进行防腐蚀处理。世界各国的防腐蚀实践证明,这是最有效最经济的方法,也是目前钢结构防腐蚀中应用最普遍的方法。

二、钢铁的腐蚀机理

    目前制造大型铜结构的钢铁基本上是采用热轧碳素钢和低碳合金高强度钢。凡是经热轧的钢材表面均生成一层较硬的以氧化亚铁(黑色)为主的氧比铁层,其厚度随钢板或型材的厚度而递增。氧化皮主要化学成分是:氧化亚铁(FeO)占40%~90%,三氧化二铁(Fe2O3)占3%~60%,四氧化三铁 (Fe3O4)占0~10%。一般钢材多在这样的情况加工制造成桥梁、输电钢塔或钢网架结构物的。如果此时被加工的钢结构物不作防腐蚀处理,部分黑色的氧化亚铁遇水将生成白色的氢氧化亚铁[Fe(OH)2)],氢氧化亚铁继续发展生成棕色的氢氧化铁[Fe(OH) 2 ]。此时的钢结构如果再不作防腐蚀处理,其锈蚀速度更快。以后生成的锈蚀物的主要成分是含结晶水的三氧化二铁{Fe2O3•nH2O},钢材表面会逐渐出现腐蚀坑。

    按钢铁腐蚀机理可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。前面所述钢铁在各种腐蚀环境条件下发生的腐蚀,基本上都属于这两类。

    钢铁的化学腐蚀是在气体和非电介质溶液中进行化学反应,产生化合物,但不产生腐蚀电流,因此钢铁的化学腐蚀往往只在特定的情况下发生,不具备普遍性。

    钢铁在各种环境中的腐蚀主要是电化学腐蚀。电化学腐蚀的特征是进行电极反应,形成腐蚀电池,产生腐蚀电流。例如,钢铁结构处在大气中,大气中含有酸、碱、盐、氧气和水等。当钢铁表面温度低于露点,钢铁表面就会结成一层水膜,阴雨天表面更会有水,钢铁与水溶液接触就会发生腐蚀,这是一个自动过程,这样在金属表面形成了一腐蚀电池。图l是腐蚀电池模型。另外由于钢铁含有杂质,表面有不完整的氧化膜,氧化皮和铁之间有一定的电位差 (即E氧化皮—E0.3V),或由于钢铁局部内应力的差异、焊缝处化学成分和晶体结构的变化、铆钉的钉孔,以及表面接触的水溶液不均一,如成分、含氧量等不同,均

1  腐蚀电池模型

会产生电位的差异。电位较低部位成为阳极,电位较高部位成为阴极,钢铁与水溶液是电接通的,并与溶液构成了一电池。在阳极区是金属离子化(即腐蚀),金属铁(Fe)元素变成铁离子(Fe2-),腐蚀反应方程式为:Fe十20H-Fe(OH)2

    水中的Fe(OH) 2O2结合,生成赤锈即氢氧化铁,其反应方程式为:

    4Fe(OH) 22H2O O24Fe(OH)3   

除了上述异电极腐蚀电池产生电化学腐蚀外,另外还存在着多种产生腐蚀电池的条件。

    如材质相同、金相均一的钢材,当其不同部位上的电解质溶液浓度不同时,也能生成不同电位的电极构成的腐蚀电池称为浓差电池;又如在不同温度的电解质溶液中,当同一材质的钢材侵入,且彼此连接时,钢材各部位的电极电位不同也构成了腐蚀电池,此称温差电池。

三、重防腐蚀涂料的作用与特点

    以防腐蚀为主要功能的涂料称为防腐蚀涂料。其中具有强力防腐蚀能力的即能在苛刻腐蚀条件下,有效保护期较长的防腐蚀涂料称为重防腐蚀涂料(Heavy duty coating)。

1.重防腐蚀涂料涂层的作用

    重防腐蚀涂料涂覆在钢铁表面,成膜物质经固化后形成硬实的防腐蚀涂层,并通过涂层的以下作用防止钢铁表面腐蚀。

    (1)屏蔽作用:钢铁表面电化学腐蚀的基本条件是在钢铁表面必须有水、氧、离子的存在和离子、电子的流通(导电)。防腐蚀涂料层的屏蔽作用能阻止水、氧、离子透过涂层达到钢铁表面。其次涂层还能阻挡酸碱盐及工业大气的直接的化学腐蚀。

    (2)缓蚀作用:在防腐蚀涂料层中(特别是底漆中)含有化学防锈颜料,当有水存在时,能从这些防锈颜料中解离出缓蚀性离子,这些离子又能使腐蚀电池的一个电极极化(或成钝化)从而抑制腐蚀的进行。故缓蚀作用能弥补屏蔽作用不足。反过来屏蔽作用又能阻止缓蚀离子的流失,使缓蚀作用稳定持久。

    (3)阴极保护作用:在涂料涂层中如果有比钢铁更活泼的金属(电极电位更低的金属)粉末,如锌粉或铝粉等,它们能对钢铁形成牺牲阳极,只要这些活泼的金属粉末含量达到使金属粉颗粒间及金属粉与钢铁底材之间达到点接触的程度,就能使钢铁免受腐蚀。

2. 重防腐蚀涂料的特点

    与一般的防腐蚀涂料相比,重防腐蚀涂层有以下几个特点:

(1)重防腐蚀涂层必须是复合涂层体系。

    实践证明国内外涂料厂家生产的各大类上百种重防腐涂料要适应跨海大桥、港湾工程、海上平台、各类储罐及大型钢结构工程,往往需要喷涂几道涂层组成重防腐蚀涂料复合涂层体系,也就是说高性能底漆、中层漆、面漆需分别承担不同的功能,以发挥复合涂层的整体功效。

    A、底漆  底漆是直接与钢铁表面接触的涂层,是整个涂层体系的重要基础。底漆应具有对钢铁表面良好的润湿性和附着力,对中间层漆附着牢固;成膜物质应具有对水、氧、离子透过的屏蔽功能;颜填料应具有缓蚀功能和阴极保护功能。只有具备这些基本功能才能使钢铁免受自然因素的锈蚀,阻止钢铁表面腐蚀电池形成或阻止腐蚀继续发展。

    对于重防腐蚀涂层体系,一般采用专门的富锌涂料或热(电弧)喷锌作底层,通过阴极保护作用来抑制涂层损伤部位的腐蚀反应发生;同时,富锌涂层中腐蚀产物使涂层和钢铁表面被覆盖界面呈微碱性,保护钢铁表面和锌粉不受腐蚀,提高富锌涂层的耐久性。

    在复合涂层中常用的富锌底漆有醇溶性(水性)无机富锌底漆和环氧富锌底漆等。

    B、中间层漆  中间层漆必须具有对底漆和面漆良好的附着力,在重防腐蚀涂层体系中,中间层的作用是较大地增加涂层的厚度以提高整个涂层的屏蔽性能,使涂层表面平整,保持表面漆涂层的美观,同时中间层还应具有一定的弹性,保持涂层在受到冷热变化和受力变形时具有一定的柔韧性。

    最常用的中间层漆是常温固化环氧云铁底漆。该漆是以环氧树脂为成膜物质,加入云母氧化铁灰、填料、助剂等,用聚酰胺树脂为固化剂,是双组份厚浆型底漆。在厚浆型环氧云铁底漆中使用灰色云母氧化铁,它在漆膜中层层叠状排列,加大了水气渗透阻力,用高压无气喷涂机一次喷涂可达100~ 500μm厚漆膜。

    值得一提的是,当富锌底漆上的锌粉被腐蚀后,产生碱性沉淀物覆盖于底漆表层,因此中间层漆应具有良好的耐碱性。

    C、重防腐蚀面漆  重防腐蚀面漆中含有较高比例的耐腐蚀树脂,是重防腐蚀涂层配套体系中最外一层漆。它的主要作用是防止化学介质和化学烟雾及水、气等对钢铁产生腐蚀,防止紫外线对漆膜中树脂的降解破坏,延长涂层的防护使用期和使用寿命。通过制造的各种颜色面漆起美化装饰和标志性作用。应用较广泛的有氯化橡胶、乙烯、聚氨酯、丙烯酸等面漆。

    为了增强面漆抗周围腐蚀介质的性能和耐碱性,最近几年较多应用了氟碳涂料和工程硅氧烷等新型重防腐蚀面漆。

    另外,各大油漆公司还研制了底面两用漆,如阿克苏、诺贝尔工业油漆(苏州)有限公司的670HS,中远关西化工有限公司的Newfort等等,已批量应用于国内重大工程。

(2)厚膜化是重防腐蚀涂料的重要标志

    常用防腐蚀涂料每道喷涂只能达到30μm左右,总厚度为100~150μm,而重防腐蚀涂料每道喷涂可达150μm以上,个别品种每道可达500μm以上。

    有关技术人员研究发现,涂层的防腐蚀能力与涂膜厚度有如下关系:

    L=h26D+τ(PB, n)

式中  L——涂层的防腐蚀寿命

h——涂层厚度

D——水和氧在涂层中的扩散系数

τ——水分透过涂层的时间,是膨胀内部压力(PB)和涂膜剥离层应力(0n)的函数。

    很显然,涂层的寿命跟涂层厚度的平方成正比,提高涂层厚度,能加强涂层的隔离能力,是提高涂层寿命的有效手段。

    重防腐蚀涂层采用250~500μm厚涂层为重防腐蚀涂料的长效寿命提供了可靠的保证。但这厚涂层并非是常规防腐蚀涂料增加涂覆次数可以做到的。重防腐蚀涂料是厚膜型涂料新品种。固体份含量高,一般在60%以上,有些甚至可以达到100%,即无溶剂化;加上重防腐蚀涂料有良好的触变性能,即涂料静止时粘度较大,但受到搅拌、涂刷等剪切力时,粘度会下降;这些均使重防腐蚀涂料一次喷涂可以获得较厚的膜厚,也减少了有机溶剂对大气的污染。

(3)重防腐蚀涂料施工性能良好,涂装工艺方便。

    由于重防腐蚀涂料是厚膜型、触变性能好的涂料,不仅一次喷涂可获得较厚的膜厚,而且喷涂时,涂层流平性好不会流挂,涂膜丰满,质量优异;另外,重防腐蚀涂料对涂装环境条件要求不苛刻。除车间底漆外,一般均可在室内外自然环境中喷涂施工、干燥。氯化橡胶、乙烯、丙烯酸等重防腐蚀涂料更是具有快干性(20℃表干≤0.5h)和低温施工性(-10℃可施工)。除预涂装及修补外,重防腐蚀涂料适宜采用无气喷漆法,适应钢结构工程批量生产的需要。

    另外,重防腐蚀涂料要求高质量的表面处理,特别对于维修保养工程,由于底漆涉及多种类型的重防腐蚀涂料,对涂装前的表面处理也有特定的要求,特别是锈的保留程度和范围,否则很难达到预期的效果。 3.重防腐蚀涂料在技术经济上具有合理性

    随着管理科学的不断发展和防腐蚀技术的进步,世界各地在钢结构涂装工程中广泛采用了全寿命周期费用分析法(life Cycle Costs.LCC),与传统的思维方式不同,LCC分析法是考虑整个涂装工程的使用寿命内,直至全部更新为止的所有费用,包括涂装材料费、运费、表面处理及涂装施工费、吊装费,其中还包括了使用费、维修保养、停工费用及其剩余价值等费用。这种分析追求LCC的最低化,并在此基础上,确定防腐蚀涂装的设计和投入。基于全寿命周期费用分析,我国许多大型钢结构工程均趋向采用长效防腐蚀措施,采用重防腐蚀涂料进行防护涂装,尽管初期投资成本高,但在技术经济上具有合理性,综合效益显著,具体体现在三个方面:

    a、重防腐蚀涂料内含溶剂少,固含量高,与常规涂料相比理论涂布量大,单位面积上涂料消耗少,费用就降低;

    由于重防腐蚀涂料一次成膜较厚,施工次数少,涂装周期偏短,涂装总费用较低。

    b、最近新开发的重防腐蚀涂料新产品,对涂装前表面处理的要求越来越低,减少了表面处理费用,相对就降低了成本。

    C、重防腐蚀涂料防护年限长,按照ISO12944文件的规定,适宜的重防腐蚀涂料配套系统和膜厚在各类腐蚀环境条件下,可达到15年以上的使用寿命,而常规的防腐蚀涂料只有2~3年,这样重防腐涂料年平均费用降低,加上维修少费用低,重防腐蚀涂料的综合成本就低。

    从上述可见,建立在LCC分析基础上采用重防腐蚀涂料的涂装设计和施工,与传统的方法比较,在技术经济上更为合理,更具有竞争力。

4.重防腐蚀涂料可以实现环境友好

    重防腐蚀涂料必须向节能、低污染和高性能方向发展,这是时代的要求。这方面的主要工作有:

    (1)重点发展高固体分的重防腐涂料。

    高固体分涂料的体积固含量大于70%,推荐使用低溶剂、无溶剂重防腐蚀涂料,使涂料中有机挥发份含量VOC<340g/L,从而保证施工环境的空气质量,减少向大气排放有害污染物。

    (2)重防腐蚀涂料中有毒有害成分的限制。

    重防腐蚀涂料应避免使用对人体有害的有机挥发物如芳烃、含氯烃溶剂;重金属添加剂Pb、Hg、 Cd、Cr以及有机锡对人体皮肤有刺激性的低聚物树脂。世界各国和相关国际组织已对一些重防腐蚀涂料作出限制,如淘汰环氧煤沥青涂料;从2003年1月起禁止新造船使用含有有机锡的自抛光涂料; 2006年起停止使用含有四氯化碳的氯化橡胶涂料等。

    (3)发展水性涂料。

    近年来,我国水性重防腐蚀涂料在许多大型钢结构工程中的应用,均取得了成功,但在整个重防腐蚀涂料的市场中水性涂料仅占6%左右,而且以底漆为主。作为重防腐蚀涂料的发展方向,水性重防腐蚀涂料还须加强研究,使它在防腐蚀性能上、在对表面处理等级要求上、在施工性能上有所突破,逐步满足市场对水性重防腐蚀涂料日益增强的需要。

 

重防腐蚀涂料及其涂装施工(二)

四、重防腐涂料及配套体系的选择

重防腐涂料及配套体系的选择是涂装设计的主要内容之一。在涂装设计中,按照钢结构不同功能及防腐蚀要求,选择最合适的涂装配套体系和规定膜厚,以达到预期的效果。

1.选用的基本原则

    (1)钢结构所处环境条件

    包括介质的种类、浓度、温度、压力流速及流动的状态、空气情况等,都能影响到环境的腐蚀性和可能发生的腐蚀种类与强度。其中介质种类、浓茺、温度是构成腐蚀环境的三个基本特征。

    钢铁所处的环境条件不同,钢铁发生腐蚀的速度亦不同。所以必须认真分析钢结构工程所处的环境,找出主要的腐蚀因素。如对于处于海洋大气环境中的钢结构来说,对涂层起主要破坏作用的是海盐离子(即Cl)。  在对新制造的海洋钢结构进行涂层配套设汁时,应选择耐氯能力比较强的配套,如无机富锌底漆、环氧云铁中层漆、可复涂聚氨酯面漆,总膜厚至少在240mm,使涂层的寿命达到15年以上。

    对于采油平台、钢管柱等海洋环境中大型结构,处于大气区、飞溅区、全浸区、海泥区,也有不同的腐蚀特征,其中以飞溅区腐蚀速度最快。对这些不同部位的钢结构也就有不同的配套涂层。

    值得一提的是对电厂、化工厂等钢结构工程,还应注意局部区域中环境条件的强化,如局部过热或温度偏低,介质浓缩、杂质富集、工艺参数的波动,在涂装设计中,应选择特殊性能的涂层或采取其他的防腐蚀措施。

    (2)涂装对象本身的特征

    除了解钢结构所处介质环境外,还应了解涂装对象本身的特征、使用条件和技术要求,包括该产品的结构形状、应力状况等等,在此基础上,才能根据具体情况选择涂料和相应的配套。因为每一种重防腐蚀涂料的性能指标有其适用的范围。如在大气中用于钢结构的配套涂料中的面漆多为耐候性较好的氯化橡胶涂料、丙烯酸涂料、脂肪族聚氨酯涂料和氟碳涂料等;如使用于钢质贮油设备的内壁防护,则要求采用耐油性好的涂料,如环氧涂料、聚氨酯涂料等;对于地下及水下钢质设施的防腐,应采用水气渗透性小的涂料,如厚膜型环氧涂料、环氧沥青涂料等;在高温条件下使用的只能是有机硅涂料和氟涂料,对表面处理要求高的涂料,不适合用在钢结构形状复杂的部位。

    (3)根据钢结构工程的使用寿命作经济分析

    在选择重防腐涂料品种和配套时,必须进行经济分析和成本核算;注意涂层防护期与效益的结合、如业主及设计单位希望涂层的使用寿命(或称服役期限)超过20年,就必须采用长效的重防腐蚀涂料配套,用LCC法,对钢结构工程中涂层使用寿命内总费用进行技术经济综合分析。虽然重防腐蚀涂料配套价格贵,建造成本高,但防腐蚀性能突出,使用周期长;从长远的观点来看,可减少维修涂装的次数,重新涂漆的时间也大为延长,经济上是十分合算的。加上重防腐涂料被涂装的对象,均为大型结构、造价高、更新换代的资产损失和对生产的影响很大,也就是说建造成本的提高可取代维修成本和大幅度减少间接损失,这就是“LCC”’的新概念。

    对一些不太重要的设备或暂时性防腐蚀措施甚至可选择常规防腐涂料及其配套。以防止功能过剩,节约费用。

    (4)与其他防腐蚀措施的匹配性

    目前,在钢结构行业中,与重防腐涂层配套的防腐措施主要有阴极保护法、热(电弧)喷锌、铝法、热浸镀锌法三种。如长期埋在地下(或水下)的钢构件,常采用涂料涂层和阴极保护(物性阴极和外加电流等)相结合的防腐措施。配套的涂层应当使钢结构只需较小的阴极保护电流,以降低阴极保护运行费用;另外涂层也能够对阴极区产生的碱性环境具有耐受力;并能抵抗阴极析氢所产生的剥离力,防止涂层不会出现起泡或剥落现象。

    各家涂料公司的涂料说明书中对环氧沥青、厚浆型环氧涂料等标有涂层耐阴极剥离性的数据便于配套和选择。

    其次,最近几年,大型钢结构项目普遍采用了热或电弧喷锌、铝工艺,以锌、铝镀层为底涂,由于锌、铝镀层有10%一30%的空隙率,在复涂重防腐涂料时,必须先用专门的环氧封闭漆或环氧云铁底漆薄雾喷一道,干膜厚为20一30μm,杜绝涂层气泡的产生。再选择环氧云铁底漆作为中层漆,增加涂层的屏障作用;再选择高性能的可复涂聚氨酯面漆、氟碳面漆等。使用锌、铝-重防腐涂料组成的复合涂层有优良的性能价格比。经过中国铁科院金化所等单位的考察、验证,认为选择合适的重防腐涂料与电弧喷锌、铝镀层匹配,可取得30年以上的防腐蚀年限。

    另外,在钢结构工程中,还经常应用镀锌钢板和热镀锌钢材,要使这些钢结构具有长效防腐性能和业主所要求的色彩,也必须针对性能选择重防腐涂料配套与之匹配。由于热镀锌等表面经过钝化处理,在复涂环氧云铁等涂料前,必须先用磷化底漆或蚀刻底漆对镀锌表面进行处理。

    (5)与涂装工艺条件相匹配

    不同的钢结构制造厂有不同的涂装流水线及设备,也就有不同的施工条件,在涂装设计中进行的重防腐涂料配套必须适应此施工条件。

    如大型钢结构厂一般置有钢板和型钢的预处理设备。该厂的涂装工艺流程的第一步是在预处理设备中对钢板(型钢)进行抛丸除锈、喷车间底漆(或称预涂底漆)、烘干后装运至车间,按需进行切割、焊接等等。因此选择的车间底漆必须适宜常规的钢板预处理设备中各种工艺条件,如钢板的传输速度,上、下喷嘴移动速度与幅度、喷嘴的孔径与雾幅,并视具体情况作适当的调整。

    不同的钢结构厂在表面处理上的工艺条件及设备各不相同:有的采用抛丸工艺,有的则采用喷砂,有的工厂甚至只能手工或风动工具打磨除锈。钢材表面处理的清洁度和粗糙度就有很大的差异,选择重防腐涂料时,应重点考虑到这项因素。

    同样,要发挥重防腐涂料的最大效果,涂装方法也必须与之适应。在钢结构涂装工艺中,除小面积的预涂装、焊缝及破损处修补用刷、滚涂外,广泛采用的是无气喷漆法。无气喷漆机的使用技术上也十分讲究,施工时应按照涂料供应商的技术说明书,控制好喷涂压力、选择合适的喷嘴(流量和喷幅)。总之,使施工工艺与重防腐涂料相配套,这是提高涂层质量、提高涂装效率、降低成本的有效手段。

2.重防腐涂料中成份的匹配

    重防腐涂层的质量,很大程度上是由各层涂料的内在质量决定的。涂料厂技术人员应按需设计出涂料的配方,应认真选择其中树脂(成膜物质)、固化剂、颜料、助剂、溶剂和相互匹配的其他成份,保证原材料质量;并以正确的工艺流程和相应技术条件来制备涂料;各层重防腐涂料有了优异的内在质量,才能使它们能各尽其职,保证涂层质量。

    特别是涂料中的各种辅助材料,如稀释剂、催干剂、增塑剂、稳定剂、流平剂等,它们的作用主要是改善涂料的施工性能和使用性能,防止涂层产生弊病。但它们必须使用得当,否则会产生不良的影响。

    值得一提的是,溶剂是涂料制备中的一个重要组成部分,采用不适合溶剂作为涂料的稀释剂,会引起材料分离或凝聚。另外,在施工中只能采用涂料制造商推荐的稀释剂。胺固化环氧树脂涂料使用酯类溶剂作稀释剂时,涂膜固化速度将明显降低,影响涂膜性能。对于清洗高压无气喷漆泵等设备的溶剂亦是如此,如果采用不配套的清洗溶剂,涂料在喷枪中、管路中会硬化结块,问题就更大了。

    同样,在涂装施工中,经常发生基料或固化剂短缺情况,但即使是同一类涂料,不同涂料生产厂家的基料与固化剂不能互相配套,否则会影响涂层质量。

3.涂层间应有良好的配套性

    重防腐涂料使用时有底、中、面之分,其间就存在着涂料配套性问题。涂料配套性又称涂料相容性,是指一种涂层粘附到另一涂层的能力。

    常规涂层固化机理有四种:空气氧化、溶剂挥发、复成份化学反应和水解(与水反应)。一般来说.由同样基本原理固化的涂层通常可以相互匹配;而不同机理固化的涂层一般不匹配,(当然亦有例外)。通俗的说,同漆基的底漆与面漆配套;当选用强溶剂的面漆时,底漆必须耐强溶剂而不易被咬起。底漆与面漆应有大致相近的硬度和伸张强度,以免产生漆膜弊病。涂料的配套性能见表1。

    分下列六种情况加以详细说明。

    (1)醇酸、环氧酯等油性涂料是通过空气中氧气结合涂料树脂中的干性油来固化涂层的,所以在重防腐涂层中,它们不能作底漆,与溶剂挥发型或化学反应固化的涂层相匹配。这些涂料中的强溶剂会使部分空气氧化层引起不溶、产生收缩、起泡和咬底。

 

1 底层涂料与面层涂料的配套适应性

原涂装的涂料(在下层)

长暴型磷化底漆

无机富锌涂料

有机富锌涂料

油性防锈涂料

醇酸树脂涂料

酚醛树脂涂料

氯化橡胶涂料

乙烯树脂涂料

环氧树脂涂料

环氧焦油涂料

聚氨脂涂料

沥青防水涂料

长暴型磷化底漆

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无机富锌涂料

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有机富锌涂料

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油性防锈涂料

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醇酸树脂涂料

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酚醛树脂涂料

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氯化橡胶涂料

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乙烯树脂涂料

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环氧树脂涂料

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环氧焦油涂料

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注:√——适应性好;×——适应性尚可;△适应性差

    (2)乙烯、丙烯酸、氯化橡胶、沥青等涂料。大多是单组分的,是通过溶剂挥发而固化成膜的。在这些涂层的表面不能复涂化学反应固化类型的涂料,因强溶剂会溶解涂层,化学反应中固化应力会将涂层拉开,同时将涂层拉离表面。

    (3)环氧、环氧沥青和聚氨酯等双组分涂料是应用最普遍的化学反应固化成膜涂料,涂层硬而平整,不会被下一涂层中的溶剂软化。但它们却有最小和最大涂装间隔时间,涂料类型不同,配方不同,最小和最大涂装间隔时间也不同。若最小涂装间隔时间内和超过最大涂装间隔时间后的涂层上复涂,两涂层之间的配套性就不好,易剥落。

    (4)无机富锌底漆和潮气固化型聚氨酯涂料的固化机理是水解或与水反应。它们的固化速度慢,特别是无机富锌底漆尚未彻底固化前,复涂另一涂层,这涂层就可能剥离。

    (5)除涂层的固化机理外,涂层有软硬之分。涂层相容性(配套性)的另一规则是硬涂层不应施涂于软涂层上。尽管当时会很好地粘在一起,但由于底层有柔软性,若遇到热胀冷缩时,复涂的硬涂层在应力作用下,会引起开裂。如在沥青涂层上复涂醇酸,会引起醇酸涂层开裂;在氯化橡胶涂层上复涂环氧涂层,也容易发生此类情况。

    (6)无机富锌涂料和镀锌层不能与醇酸等通过空气氧化固化的涂料配套。这种配套更不能作为水下设备的防护层,这是因为醇酸的耐水性差,当被涂物浸入水中使用时,渗过面漆的水常和底漆中锌粉发生反应而生成碱性较强的NaOH,腐蚀金属底层,破坏整个涂层,所以在富锌底漆或镀锌的工件上,应采用耐水、耐碱性良好的氯化橡胶、乙烯、聚氨酯等涂料产品。

    在采用多层异类涂层时,同时应考虑涂层之间的附着性。附着力差的面漆,应选择附着力强的底漆;在底面漆性能都很好而两层间结合不理想的情况下,可采用中间过渡层,以改善底层和面层的附着性能。这就是在重防腐涂料配套中,较多应用环氧云铁、环氧磷酸锌中层漆的理由。

4.配套设计的依据--IS012944标准

    国际标准化委员会在长期调查研究的基础上,针对钢结构涂料防腐蚀专题拟订了IS012944— 1998(E)国际标准。为涂料生产企业、涂料工程承包商、工程设计院(研究所)、业主和工程建设单位等提供了涂料生产、工程设计、涂装施工、质量检验等工作的理论依据和指导性文件。

    IS012944标准共分八个部分,编号与内容如下:IS012944—1总则;IS012944—2腐蚀环境分类;IS012944--3设计要点;IS012944一04表面处理的种类和等级;IS012944—5涂料配套系统; IS012944—6实验室性能测试方法;IS012944—7涂装工作的管理和检查;IS012944—8新建涂装工程及维修规格书的制订。

    IS012944标准同时通过欧洲专业委员会的批准与认可,取代了英国BS5493标准、德国 DIN55928标准。但在美国仍使用他们的国家标准 SSPC和相关的行业标准NACE。  

2 各种环境下的腐蚀性

腐蚀等级

单位面积内、材料损失(第一年暴露后)

温和气候下的典型环境

低碳钢

锌板

室外

室内

质量损失g/m2

厚度损失μm

质量损失g/m2

厚度损失μm

C1(腐蚀性非常低)

≤10

≤1.30

≤0.7

≤0.1

---

洁净空气中的受热建筑,如办公室、商店、学校、宾馆等。

C2(腐蚀性低)

>10~200

>1.3~25

>0.7~5

>0.1~0.7

腐蚀程度低的大气,多指乡村

未受热且可能结露的建筑,如仓库、体育馆。

C3(腐蚀性中等)

>200~400

>25~50

>5~15

>0.7~2.1

含有低度二氧化硫的城市和工业环境或低盐度的沿海地区

高湿度和空气污染的车间,如食品厂、洗衣店、酿酒厂、乳制品厂。

C4(腐蚀性高)

>400~650

>50~80

>15~30

>2.1~4.2

盐度较低的工业区和沿海地区

化工厂、游泳池、海边的船码头

C5-1 (腐蚀性非常高的工业环境)

>650~1500

>80~200

>30~60

>4.2~8.4

高湿度和腐蚀性的工业环境

经常结露的污染严重的建筑和区域

C5-M(腐蚀性非常高的海洋环境)

>650~1500

>80~200

>30~60

>4.2~8.4

高盐度的沿海和海上钻井平台

经常结露的污染严重的建筑和区域

 

目前,在进行重防腐涂料的配套设计时,必须最大限度依据1S012944—1998(E)国际标准,尤其是下列三个方面:

    (1)腐蚀环境的分类

    在IS012944标准中对不同大气环境(C2、C3、 C4、C5—1、C5-M)和淡水(1M1)、海水(1M2)、没水环境作了定义和说明;并对上述环境条件下钢铁及锌的年腐蚀量作了数值上的规定,这是涂装配套设计的依据(见表2)。

    (2)涂层的耐用年限

    ISO12944—6—1998(E)规定了处于不同环境下涂层耐用年限分低(2~5年)、中(5~15年)、高 (15年以上)三档(见表3),对耐用年限最高档的提法是大于15年。耐用年限是一个估计的数字,它是至第一

  表3  腐蚀环境、使用寿命和涂膜厚度的关系   

腐蚀环境

耐用年限

干膜厚度/μm

C2

80

150

200

C3

120

160

200

C4

160

200

240(含锌粉)

280(不含锌粉)

C5-1,C5-M

200

280

320

次大修的年限,届时,涂层表面锈蚀程度达到 ISO4628的Ri3级(见表4)。需强调的是Ri3级仅指锈蚀程度而已。另外,涂层耐用年限不是涂层的保证期,这可用ISO国际标准集装箱外侧漆膜质量通用保证条款来说明。

  4  几种腐蚀标准中锈蚀程度的对应关系

 

腐蚀面积,%

国际标准ISO

欧洲标准Eurpean

ASTM D610

0

Ri0

Re0

10

0.05

Ri1

Re1

9

0.5

Ri2

Re2

7

1

Ri3

Re3

6

3

 

Re4

 

8

Ri4

Re5

4

15~20

 

Re6

 

40~50

Ri5

Re7

4

75~85

 

Re8

 

95

 

Re9

 

 

 

Re10

 

    集装箱外侧涂料的配套是:环氧富锌底漆30~40μm,环氧磷酸锌中层漆40μm,丙烯酸面漆40μm,合计110~120μm。

    质量保证条款为:按国际惯例,集装箱制造厂和涂料商应向箱业主提供保证,保证在5年内集装箱涂膜锈蚀、剥落的面积不大于整个涂膜面积的 10%.若超过10%则应分析原因,由涂料厂或集装箱制造厂负责分批或整箱重喷,或作相应的赔偿。其中,锈蚀的程度是以超过欧洲锈蚀等级Ri3级为标准。但正常使用中机械损伤和遇酸遇碱引起的腐蚀不属此保证范围,保证期是从各国船级社接受集装箱,并签发证书之时起计算的,并将上述内容引入集装箱技术说明书及订货合同.但根据LCC法分析和施工实践,很多学者认为,在锈蚀程度Ri2级时就开始进行第一次漆膜维修更为经济、有效。

    (3)涂层配套系统

    在ISO12944-5中详细介绍了各种涂料成膜物质(树脂)的基本类型和它们的成膜过程。最主要的是在IS012944--5中体现下世界上最高的涂料、涂装的知识水平,对不同环境条件下的涂层配套作了详细的推荐。尤其是依据不同涂层耐用年限(分低、中、高)对配套中的各道涂料的类型、涂装次数和最小膜厚作了具体规定。文件中共有十张表格,列举了大量的配套方案,每个配套均有一代号,根据代号即可查得底面漆配套方案和所处腐蚀环境估算出耐用年限。

    现以表A4的S430来举例说明。配套:无机硅酸锌底漆l道80μm,环氧中层漆1道100μm,聚氨酯面漆2道60μm,合计4道240μm。

    A4说明是处于C4腐蚀环境中结构涂层配套。 S430的配套,对表面处理要求为Sa2.5级。

    在ISO12944-5标准中,可以了解到:在C4环境条件下,使用了含锌粉的底漆,总膜厚在240μm以上,该涂层具有高的耐用年限,即15年以上。

    (4)涂料生产商的涂装系统没计

    ISO12944中列举的腐蚀环境和状态当然不能涵盖所有情况,因此,涂料公司还要根据自己的研究和经验,进行特别的涂装方案设计。

    很多涂料商在制订自己的防腐蚀保护涂料系统时,最大限度地参考了ISO12944,比如挪威的佐敦油漆(JOFUN Paints)、阿克苏•诺贝尔旗下的国际油漆公司等。佐敦油漆的涂料系统按照ISO12944规定的耐用年限按照低、中、高建立了不同的涂料系统,国际油漆公司则基本上是按大于15年的最高级别建立起来的防腐蚀保护涂料系统(见表5),并按不同的行业进行了分类。

5 阿克苏•诺贝尔工业油漆(苏州有限公司

配套举例一览表

 

 

 

 

 

 

 

 

环境分类

配套编号

涂料名称

公司代号

道数

膜厚

总膜厚

耐用年限(年)

C4

S4.26

无机硅酸锌底漆

Interzinc22

1

80

 

 

丙烯酸连接漆

Intercy1530

1

30

240

>15

丙烯酸面漆

Intercy1530

2

130

 

 

C5

S6.06

环氧富锌底漆

Interzinc52

1

40

 

 

环氧中层漆

Intergard475

2

140

240

>15

聚氨酯面漆

Interthare990

1

60

 

 

高腐蚀

环境(船舶)

S7.11

环氧富锌底漆

Interzinc52

1

40

 

 

环氧沥青漆

Interru708

2

360

400

>15

1M-1 

1M-2

1M-3

S8.05

环氧底漆

Interline982

1

80

 

 

无溶剂环氧面漆

Interline925

1

400

480

>15

 

 

 

 

 

 

 

重防腐蚀涂料及其涂装施工(三)

五、重防腐涂料的涂装工艺

1.概况

    用配套重防腐蚀涂料对钢结构进行防腐蚀处理仍是目前应用最广泛的保护方法,但重防腐蚀涂料仅是涂装的材料,发挥它的优良性能最终还是要通过涂膜质量来体现的,而涂膜性能的好坏与形成涂膜时施工工艺技术、涂装设备和控制涂装作业时的环境有直接的关系。

    目前,在钢结构制造行业中,将钢结构喷漆前表面处理、重防腐涂料的喷涂和干燥成膜等整个工艺方法与过程,及与此相关的技术上、管理上的全部活动统称为钢结构涂装工艺。所以钢结构涂装工艺过程,主要是重防腐涂料的涂装工艺,它的目的是:

    (1)在钢材表面涂装配套的涂料层,应达到一定的膜厚,使钢材基体和外界的水份、氧气等电解质分隔开,防止或延缓基体金属生锈或腐蚀,以达到钢结构的设计使用寿命。

    (2)重防腐蚀涂料层可防止钢材基体被外力损伤和磨损,在某些钢结构特定部位达到减小或增大摩擦系数的目的,使钢结构工程有特定的使用价值。

    (3)通过涂装,使钢结构呈现装饰作用。涂膜的光泽、色彩,提高了商品价值和艺术价值;还可以通过涂层来传达标志、信号等信息;不同的颜色,能满足不同工程的规范要求。对一些复杂结构(如工厂区的供料、供热、供水管理)便于标记、区分和检查。

    (4)使涂料的特种功能得到发挥,如防污涂料可防止海生物附着生长,又如导电涂料、示温涂料、隔音涂料使涂膜具有特殊的功能作用。

    随着科学技术的发展,我国的涂料科学和涂装技术已逐步和世界接轨,目前的钢结构涂装工艺具有四个明显的特点:

    (1)涂装工艺的重要性  涂装工艺贯穿于钢结构制造工程的全过程。要保证钢结构工程的制造质量,不仅涂装工艺要适应钢结构制造工艺,而且钢结构厂的涂装设备、工艺条件和重防腐蚀涂料的施工性能也要保证涂装工艺的实施。

    在目前钢结构制造行业中,依据有无钢材预处理设备而分成二种工艺流程。

    一是象江南重工(集团)公司、上海冠达尔钢结构公司、武昌船厂等大型钢结构制造厂,它们都添置有钢板或型钢预处理流水线。在这个设备中,钢材原材料先进行抛丸,去除表面氧化皮和锈,喷涂车间底漆、烘干,以作工序间隔中的防锈。这类涂装工艺流程为:

钢板——

开卷——剪切——

]

预处理流水线——冷加工、成型——部件组装、焊接——

 

型钢——剪切——

焊缝打磨处理——预涂装——一喷底漆——喷中层漆——喷第一道面漆——运至施工现场——总装焊接——焊缝打磨处理、补涂底漆、中层漆——统喷第二道面漆——检查质量——修补——交验。

    二是对于一些无钢板预处理机的中、小型钢结构制造厂,它们的涂装工艺流程为:

钢板——

开卷——剪切——

]

——冷加工、成型——部件组装、焊接——喷砂除锈——

 

型钢——剪切——

预涂装喷底漆——喷中层漆——喷第一道面漆——运至施工现场——总装焊接——焊缝打磨处理、补涂底漆、中层漆——统喷第二道面漆——检查质量——修补——交验。

    随着钢结构制造业的发展,涂装工艺越来越得到各方面的重视。有的学者已将涂装工艺与电焊工艺排在一起,被称为钢结构制造的两大支柱。

    (2)涂装工艺的专业性  目前,我国已成为世界造船工业和集装箱制造业的中心,国内大型钢结构工程也纷纷兴建,这些促使了我国涂料工业及涂装工艺技术的迅速发展;加上象阿克苏•诺贝尔、日本“关西”、式码、老人牌、佐顿、阿麦隆等国际著名的涂料公司以合资或独资方式在中国建厂,带来了涂装工艺的先进技术;因此在大型钢铁桥梁、船舶、集装箱、石油储罐、海上平台、水利枢纽工程等钢结构工程有了与使用年限相匹配的系统的涂装配套;大量的工程实践又形成了专门的涂装技术,有的已达到较高的专业水准。象“江南造船”“沪东—中华”等大型钢结构厂均配备有涂装设计人员,借鉴船舶涂装设计的先进技术,钢结构涂装工艺设计已达到了世界领先的水平:创造了如我国第一条磁悬浮列车、卢浦大桥、三峡水库的永久闸门等大型工程业绩。

 (3)涂装工艺的规范性  根据国际上的有关规范,我国已陆续制定了有关钢结构涂装工艺的有关规范,如GB2705—1987、GB8923—1988、GB50205—2001、GB50212—2002等。原铁道部、水利电力部等更详细制订丁有关钢结构涂装的行业标准。如 TB/T1527—1995、YB/T9256—1996、SY/T0447—1996、SL105—1995等等。特别是最近几年来,国际标准化委员会出台了对涂装工艺有指导意义的国际标准。如关于重防腐涂料和涂装的国际标准ISO12944—1998,使涂装工艺在表面处理、涂装配套、膜厚控制、涂层使用年限的判定等方面有章可循。同时出台的还有针对热喷涂防腐蚀涂层体系的国际标准《钢结构防腐蚀保护——金属涂层指南》ISO14713—1998。标准中规定了在C4、C5环境条件下更高的涂层寿命与涂层体系,见表6。

6  高寿命的涂层体系

腐蚀环境

涂层寿命,年

涂层体系

C4

≥20

喷铝100μm+重防腐涂料

喷锌100μm+重防腐涂料

C5

≥20

喷铝150μm+重防腐涂料

喷锌150μm+重防腐涂料

挪威的NORSOK标准是目前最严格的涂装规范,它是关于海洋工程的涂装标准,包括表面处理、涂装配套、涂料施工、金属热喷涂和防火涂料施工、检测方法等一系列标准规范。

另外,长期以来,涂料行业熟悉的IS08501~ IS08503、IS04628等一系列国际标准,一直是涂装工艺的指导性文件。

(4)涂装管理的复杂性  钢结构涂装是涉及到设计、技术、设备、施工等多方面的系统工程。要提高涂装质量,必须对上述几方面进行认真、科学的管理。钢结构涂装管理包括涂装工艺条件管理、涂层质量管理、耗漆量管理、涂装安全卫生管理等等,它们之间是相辅相成的,提高管理水平是实现涂装工艺优质、高效、低耗、安全的唯一途径,但这不是一件简单的事,需要做大量的工作。

综上所述,钢结构涂装工艺是钢结构制造的关键之—,是直接影响到钢结构工程的制造质量的大事。

2.喷漆前钢材的表面处理

长期以来,人们对钢材的防腐蚀处理,片面强调了涂料品种的选择及涂膜厚度的检测和监督,而忽视了喷漆前钢材的表面处理质量,日本学者曾研究过影响涂膜质量和寿命的各种因素,并得出如下结论(见表7)。

7  影响涂膜质量的因素[11]

序号

主要因素

影响程度,%

1

表面处理质量 

50

2

涂装道效

20

3

涂料品种(同一系列)

5

4

涂装技术及环境等

25

 

由此可见,喷漆前表面处理质量是影响涂膜保护性能的最主要因素.也就是说高性能的重防腐涂料,对表面处理质量极为敏感,不适当的表面处理,高性能的重防腐涂料也不能得到好的防蚀效果。

(1)影响表面处理质量的因素

钢材表面的氧化皮、锈蚀产物、油污、灰尘等,还有钢材表面的结构问题。如锐边、侧角、焊孔、焊瘤、毛刺等,必须通过表面处理将它们磨平或去除。表面粗糙度的存在会提高涂膜和被涂表面之间的结合,它是通过几个方面起作用的:

表面粗糙度的存在增大了表面积,重防腐涂料中的无机硅酸锌底漆在成膜固化时具有相当大的引力,易使涂膜开裂表面粗糙度的存在可以抵抗这类张力,防止裂纹产生;表面粗糙度可以支承部分涂膜的质量,对于垂直表面涂装尤有良好作用;

钢材表面合适的粗糙度有利于涂膜保护性能的提高,反之粗糙度太大或太小不利于涂膜的保护性能。在涂料用量固定时,粗糙度太大,会造成涂膜厚度分布不均匀,特别是波峰处膜厚不足引起早期锈蚀;在波谷凹坑内会截留气泡,成为涂膜起泡的根源。粗糙度太小不利于膜的附着。

    根据重防腐涂料配套规定的膜厚和钢板厚度,钢材表面粗糙度一般控制在40~80μm。在此值得提出的是:国外为明确粗糙度概念,引用了多种粗糙度参数:Ra为峰谷值之间假想中心线的平均距离;Rz为波峰到波谷的平均值;Ry为波峰到波谷的最大值也称作Rmax。应用触针法可测得只Ry。理论上喷砂粗糙度Rz4~6Ra

(2)表面处理的内容与方法

a、去油污  在钢材表面去除油污的方法很多,如化学碱液脱脂、表面活性剂脱脂、火焰燃烧法等等。但由于钢结构工件大,涂装施工又多在工地现场;热轧钢材又无防锈油覆盖、沾污的油脂质地较轻;因此只能用有机溶剂进行局部清洗,常用的溶剂有200#工业汽油、松节油、二甲苯等等,主要采用擦洗法。钢材经过去油后,才能进行抛丸或喷砂工艺。

    B、除锈  手工除锈一般只在其他方法不直使用时才采用。我国动力工具除锈清理最常用的标准是ISO8501—1标准和GB8923标准,按不同的处理程度分为St2和St3级二个等级,均用彩色照片,对照定级,其中St3级的文字定义为:“非常彻底的手工和动力工具除锈。钢材表面应无可见的油脂和污垢,并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和涂层等附着物。除锈应比St更彻底,底材显露部份的表面应具有金属光泽。”

    象造船和建造桥梁等大型钢结构工程,由于建造时间长,为防止钢材在工序中锈蚀,出现了钢板 (或型材)预处理流水线,在流水线中有抛丸设备,进行高度自动化的除锈并预涂上车间底漆。

    预处理流水线主要的工序有:

    钢材——校正——预热干燥——抛丸除锈——热风除尘——喷车间底漆——干燥——钢材装运。

    钢材预处理中抛丸除锈亦为自动化操作,阶锈效率高、质量好。

    抛丸机的叶轮在高速旋转过程中产生离心力和抛力,将磨料以一定的扇形高速射向钢材表面,丸拉的运动速度一般控制在35~75m/s范围,就可去除钢板表面的氧化皮、锈层,并形成一定的粗糙度。

    抛射除锈可以提高钢材的疲劳强度和抗腐蚀应力,钢材表面硬度也有不同程度的提高;劳动强茺比喷射方法低,对环境污染程度较轻,而且费用也比喷射方法低。抛射除锈的缺点是扰动性差,容易引起薄板变形。

    喷丸处理和抛丸处理不同。抛丸处理属离心式喷射除锈,而喷射处理则是以压缩空气为动力。喷砂法是目前钢结构行业普遍采用的表面处理方法。喷砂机是喷砂工艺的主体,它是一种连续高速度输进磨料的压力容器,它的性能关系到表面处理的效率,

    磨料是抛丸(或喷砂)工艺中颗粒固体物料的总称,按材质可分为金属磨料和非金属磨料两大类:按颗粒状分有丸粒状、砂粒状和柱粒状三种。磨料对钢材表面清理效率、清理成本、清理质量有着直接的影响。在钢结构抛丸和喷砂工艺中,磨料选择的依据有:

    按IS08501标准,调查钢材表面原始状态,钢板较厚腐蚀较严重的C级以上钢板,应选择质量大且硬度高的磨料。

    依据涂装设计中规定的清洁度标准和粗糙度大小,来选择磨料。清洁度等级高,磨料的粒度、密度要适中;规定的粗糙度大,磨料的粒度要大。

    还应根据表面处理方法和设备,如对抛九流水线上使用的钢丸和钢砂,粒径在1.0~1.2mm最为合适;对于开放式喷砂设备使用的铜矿渣,粒径约在 0.6~1.8mm。

    另外,涂料配套类型和规定膜厚的厚度,也是磨料选择的依据。因不同类型的底漆对钢材清洁度和粗糙度有不同的要求,特别是采用醇溶性无机硅酸性底漆时,最好用棱角钢砂进行喷砂,以增加粗糙度对底漆的咬合能力。一般粗糙度应控制在涂层厚度的三分之一为宜。

    具体选择磨料时,应考虑下列因素:

    磨料的粒度:同类磨料中,磨料粒度大,其清理能力就强。相反,磨粒质量小,速度降低快,其清理能力就弱。

    磨料的形状:磨料粒子的形状决定了抛丸后钢材表面的形状,可参见图2。

2 磨料形状与磨后的钢材表面

 

磨料的硬度:磨料的硬度必须大于钢材表面的硬度。

    磨料的密度:磨料的密度与磨料的回收率有关,密度越高,回收率也越高。如石英砂只能用一次,铜矿渣、镍渣等炉渣一般可用三次,钢砂和钢丝切段可用100次以上。

    磨料的污染:使用污染的磨料是造成涂装失败和涂层早期破坏的主要原因。磨料应无油、无灰尘、无受潮结块的现象。在钢结构涂装中,特别是对磨料中的含氯量有着严格的要求。钢质磨料的详细技术数据见文献[10]中“集装箱涂料和涂装技术”,喷砂磨料的特性见文献[1]。

    (3)钢材表面处理质量的评定

    a、表面清洁度的评定:我国在1988年颁布了等效采用ISO 8501-l的国家标准GB 8923—1988《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》。

    评定钢表面预处理质量时,一般采用和标准照片比较的目视法判断,应在良好的散射日光下或照度相当的人工照明条件下进行,要求标准照片尽量靠近需评定的表面。

    b.表面粗糙度的评定:表面粗糙度的大小与磨料的粒度、形状、材料、喷射的速度和作用时间等工艺参数有关,其中以磨料的粒度影响为最主要。参照国际标准,我国电制定了相应的国家标准GB/T 13288《涂装前钢材表面粗糙度等级的评定(比较样块法)》。对粗糙度数值的表示,一般是指:平均最大峰谷高度。对于通常防腐蚀涂料来讲,钢材表面合适的粗糙度范围是40~75μm,最大粗糙度不应超过100μm。以GB/T 13288对钢材表面喷射清理形成的粗糙度来分,中级是比较合适的粗糙度。

    粗糙度评定传统方法是采用带有触针和千分表的粗糙度测量仪。我国新制订的国标是一种比较样块法,是将合适的标准样块与被测表面一起进行对照比较,必要时可用放大镜观测。另外,如果目视方法评定有困难,还可采用触摸法比较。

 

重防腐蚀涂料及其涂装施工(四)

3.重防腐蚀涂料的涂装

    “三分涂料,七分涂装。”涂装施工对涂料性能的发挥有重要影响。采用先进的涂装方法和设施对增进涂层质量、提高涂料利用率有积极的作用,并能改善涂装施工环境和符合环保要求。

    (1)喷漆前的准备工作

    按例行规定做好开桶、熟化、搅拌等准备工作。目前的重防腐涂料,一般无需稀释,开罐、搅拌后即可进行无气喷涂,稀释剂更多用于清洗工具。

    (2)高压无气喷涂技术问题

    随着科学技术的发展,在涂料施工上已形成了很多先进的方法。对重防腐涂料主要采用的涂装方式有:刷(辊)涂、空气喷涂、无气喷涂、热喷涂等等,但最主要的是无气喷涂。

    目前钢结构行业应用最普遍的是无气喷涂法。无气喷涂是使涂料通过加压泵(0.14~0.69MPa)被加压,通过特制的硬质合金喷嘴(0.17~1.8mm)喷出,其速度非常高,当高压漆流离开喷嘴到达大气后,随着冲击空气和高压的急剧下降,涂料内溶剂剧烈膨胀而分散雾化,高速地涂覆在被涂物件上。因涂料雾化不用压缩空气,所以称之为无空气喷涂。这种施工方法的优点是:无空气喷涂比一般喷涂的生产效率可提高几倍到十几倍;喷漆的漆雾比空气喷涂少,涂料利用率提高,且减少了漆雾的污染,可实现高固体分、高粘度涂料的喷涂,一次形成较厚的涂膜;由于漆流中没有空气,避免了因压缩空气含有水分、油污、尘埃等杂质而引起的漆膜缺陷,涂膜附着力好,即使在缝隙、棱角处也能形成良好的漆膜。

    此种施工方法的缺点是:操作时喷雾的幅度和喷出量不能调节,必须更换喷嘴才能达到调节的目的。漆料损耗大,对环境有一定的污染;不适宜用于喷涂面积较小的物件。

    在重防腐涂料的涂装行业中,基本上使用的是气动型无气喷漆机。它的最大特点是安全、容易操作。在易燃的溶剂蒸气的环境中使用无任何危险。缺点是动力消耗大和产生噪音。

    在无气喷涂机使用中.应注意下列技术问题:

    a.喷漆压力:是无气喷涂时重要的技术参数。

    确定每种重防腐涂料喷漆压力的主要依据是涂料生产厂家提供的技术说明书。

    喷漆压力应低于该喷漆机所允许的最高压力。

    虽然,提高喷漆压力可以增加涂料喷出量,在一定范围内可提高喷漆效率,但压力过高,对无气喷漆机来说,会造成设备过早磨损,影响使用寿命。

    b.喷嘴的选择:无气喷漆机喷嘴当量孔径大小决定了流量的大小,通过对喷嘴孔径和喷幅(或喷射角度)大小的选择,以获得重防腐涂料的规定膜厚和合适的喷涂效率。

    各厂商生产的喷嘴都有一系列的规格型号,从型号可以看出喷嘴的孔径(或流量)、喷嘴的喷幅与喷射角。

    c.无气喷漆机类型的选择:为适应各种重防腐涂料的喷涂,设备生产厂家改善了无气喷涂设备的某些性能,研制了许多新型的专用无气喷涂设备。如富锌涂料专用喷涂机。无机硅酸锌底漆、环氧富锌底漆等是重防腐配套涂料中第一道漆。

    常用的富锌专用高压无气喷漆机有:美国Gra—co公司的BULLDOG33:1、德国WIWA的38032、中国重庆长江机械厂生产的QPT 3256 C型,中国船舶总公司船舶工艺所的BD•30-150等。

    (3)涂装环境条件

    涂装作业时,周围的环境条件对涂装质量起着很大的作用。一是温度,温度对涂装的影响十分大,尤其是在使用环氧系列涂料时。环氧树脂涂料(包括焦油环氧)在10℃以下时,固化缓慢,在5℃以下时停止固化。若需继续作业,必须采用低温固化类涂料,或采取保温措施。而氯化橡胶、乙烯树脂等重防腐涂料,只要表面无霜、无水,可以在0℃以下时涂装施工。

    当环境温度高于40℃时,对醇溶性无机富锌等快干型涂料,极易引起干喷。喷涂时,要求喷枪与被涂面保持最小距离,并始终保持垂直,必要时,添加稀释剂,以缓和干喷状态。

   若施工温度过高,还会缩短化学固化涂料的混合使用时间,通常情况下,温度每升高l0℃,固化时间缩短一半,施工前,需进行周密的计划,以免造成涂料的浪费。

   另一个环境条件是相对湿度和露点。涂装时的相对湿度一般规定不能超过85%。同时还必须进行露点管理。

   露点是指在该环境温度和相对湿度的条件下,物体表面刚刚开始发生结露的温度,该温度即为该环境条件下的露点。

   涂装环境还包括照明条件,要求采光好,亮度均匀,照明度为150~3001x.但又要避免日光直射,以利涂装操作。同时通风良好,换气适当,涂装区域的空气保持干燥、清洁、少尘或无尘。

   (4)预涂装

   钢结构涂装工艺中的预涂装是保证涂装质量的重要环节。一般针对钢结构工程中大量的电焊缝;各种孔及槽沟的切割边缘;结构上的“死角”如H型钢、衍材的背面、特殊的加强梁等无气喷涂难以喷到的部位;喷涂车间底漆后的二次锈蚀部位等等,见图3。

3  预涂装部位图示

 

    对预涂装的次序,亦应根据工程具体情况作精细安排,为保证喷砂后钢构件不重新泛锈,应先对特别容易漏涂部位,如流水孔内、螺帽和背对背钢板部位先行预涂。而焊缝、自由边等其他部位在喷涂中层漆之前进行预涂;同样能收到好的效果,至于预涂的漆料,必须按涂装配套方案中的与钢铁接触的底漆相同,为增加该底漆的渗透力,且易于操作,底漆预涂时应作适当稀释。

4.重防腐涂料的干燥与固化

   涂料的成膜过程就是涂料的固化过程,对溶剂型涂料俗称为涂料的干燥。重防腐涂料只有通过干燥或固化形成漆膜后,才能发挥其保护作用,因而涂膜干燥是涂料施工的三个主要内容之一。

   (1)涂料的成膜机理

   根据粘结剂的不同,目前钢结构配套涂料可分为物理干燥型和化学固化型两大类(见表8)。

成膜方式

涂料举例

物理干燥

溶剂型

沥青涂料

氯化橡胶涂料

丙烯酸涂料

乙烯基涂料

水溶性

丙烯酸涂料

化学固化

氧化聚合固化

油性漆

醇酸、酚醛涂料

环氧酯涂料

双组分固化剂固化

环氧涂料

聚氨酯涂料

聚酯涂料

湿气固化

聚氨酯涂涂

无机硅酸锌涂料

    物理干燥型涂料的粘接剂分子在湿膜和干膜中是相同的,树脂的组成、分子结构及大小都没有变化,仅仅是稀释剂的挥发的物理过程,涂膜干燥后留下树脂分子在涂层中相互缠绕交织。

   物理干燥型涂料有以下4个特性

   A.层间互溶性,也就是说,有可逆性。这类涂层在喷涂后数月或数年,在它本来的溶剂或更强的溶剂中可以重溶。溶剂分子穿透到树脂分子之间,分离后重新液化,溶解粘接剂,实现了层间互溶,因此这类涂料无涂装间隔的限制,重涂性能极佳。

   B.不耐溶剂,对溶剂有敏感性。这些涂料对它们本身的溶剂或更强的溶剂没有耐抗力。这类涂料不耐溶剂,也不耐油脂。

  C.物理干燥型涂料的涂膜在形成过程中不涉及化学反应,涂膜形成对温度无依赖性,可以在较低的温度下施工。合适的烘干温度可以促进稀释剂的挥发速度,加速成膜。

D.热塑性,物理干燥型涂料的涂层,在较高温度下会变得柔软。

   化学固化型涂料一般是双组分。树脂(粘接剂)和固化剂两种成分混合后发生化学反应,较小的“湿”分子已形成了新的固化了的树脂分子,涂膜是由于互相交织聚结而形成的,但也存在溶剂的挥发过程。

化学固化类涂料的特性

a.不可逆性,也就是说,固化了的涂层不能重溶;

    b.由于化学固化的不可逆性,化学固化涂料干燥后,不能再用溶剂溶解,它的涂层有耐溶解性;

    c.化学固化类涂料在固化过程中化学反应的速率与温度有关,因此,形成涂膜时.对温度有一定要求,在额定温度下,涂膜不会形成。合适的烘干温度可以促进化学作用的反应速度;

    d.非热塑性,在较高温度条件下,化学固化类涂膜不会软化;

    e.有重涂间隔的限制。重涂必须在固比结束前进行。如果固化已经完成。那么表面须用机械方法粗糙后,才可复涂。

    (2)干燥时间和最佳涂装间隔

    9 各类涂料有不同的于燥时间和涂装间隔 

涂料类型

干燥时间(23℃+2℃)

最佳涂装间隔(23℃+2℃)

表干,h

实干,h

最短,h

最长,d

沥青类

2

24

14~24

5

氯化橡胶类

0.5

2

9

7

环氧沥青类

8

24

20

5

醇酸类

4

24

14

7

环氧类

4

24

9

5

乙烯类

1

4

6

3

聚氨酯类

2

6

14

5

丙烯酸类

0.5

4

6

5

无机类

4

24

2

2

    具体的要根据重防腐涂料的说明书来掌握。涂层的固化干燥过程按程度可分为三个阶段:

    触指干燥(又称指干):手指轻触涂层感到发粘,但涂料不附在手指上。

    半硬干燥:手指轻压涂层感到发粘,涂料不附在手指上。

    完全干燥:手指强压涂层也不残留指纹。

    一般在前手指强压涂层也不残留指纹。—道涂层完全干燥后进行下一道涂装。

    重防腐蚀涂料干燥的速度还与涂膜厚度有关,在溶剂挥发成膜的情况下,涂膜厚度是一个重要因素。有资料报道,溶剂开始挥发时,其速度取决于膜厚的一次方,当溶剂挥发速度增加时,溶剂在涂膜中扩散速度则取决于膜厚的二次方。因此重防腐蚀涂料涂膜较厚时,完全干燥时间延长。完全干燥越慢,施工中应严格控制它的厚度。

    (3)重防腐蚀涂料的干燥固化方法

    根据重防腐蚀涂料的成膜机理和钢结构的涂装工艺流程,有两种干燥固化的方法:

    a.自然干燥:也称空气干燥,包括溶剂挥发型、氧化—聚合型漆、室温固化型漆。除去车间底漆和少数大型钢结构厂有烘房外,绝大多数闲结构厂还是采用自然干燥法。自然干燥并不是指钢结构被涂物在露天场所自然晾干,自然干燥必须有满足环保、消防和劳动卫生法规的固定场所;但它受自然条件的影响比较严重。如一般温度高能加速自然干燥,建议在10~35℃范围内,但在气温特高的情况下,溶剂挥发过快也会影响干燥后涂膜质量;自然干燥时,环境湿度是影响干燥速度和涂膜质量的一个重要因素,湿度高时,空气中所含大量水分。对湿膜中溶剂的挥发起抑制作用,一旦遇到低温,溶剂反被湿膜表面冷却,使空气中水气冷凝,造成涂膜泛白,影响涂膜质量。

    同时,自然干燥的固定场所应清洁、无灰尘。

    b.加热固化(或称烘干)是现代钢结构涂装中主要的涂膜干燥方式。它具有下列优点:干燥速度快,少占用场地和设备;在一定程度上,能增强涂层的物理机械性能;同时能减少涂层沾染灰尘,减少有害溶剂蒸气的挥发。

    环氧富锌底漆、环氧面漆、环氧磷酸锌底漆属化学固化类涂料,涂料成膜时,对温度有一定的要求,固化过程中发生的化学反应的比率与温度直接相关。

    氯化橡胶、丙烯酸、乙烯等钢结构面漆,属物理干燥类涂料。温度高,溶剂的挥发就快,涂膜的干燥也快,所以钢结构采用加热干燥,设置烘干室是最理想的方法。

5.涂装工艺的质量检查

    涂料质量:涂料进场应查验产品合格证,并取样复验,对照涂料说明书,符合产品质量标准后,才可使用。按GB3186标准规定随机取样数应大于 (n/2)1/2(n为交货产品桶数),同时取样两份,每份0.25kg,其中一份校验,另一份储存备用。

    涂层外观质量:按GB50205—2001标准14.2.3条,构件表面没有误涂、漏涂,涂层无脱皮和返锈。涂层均匀,无明显皱皮、流挂、针孔和气泡。全部构件目测检查。

    附着力检查:附着力检查方法按国家GB1720标准或GB9286标准用划格法测定,附着力至少达到l级。检查数量:按构件数1%抽查,不应少于3件,每件测3处。

    膜厚质量:用干漆膜测厚仪,认真检测每层涂层的干膜厚,必须达到规定膜厚的要求。检查方法按 GB50205—2001标准(钢结构工程施工质量验收规范)中14.2.2条。每个构件检测5处,每处的数值为3个相距50mm测点涂层干漆膜厚度的平均值。

    在很多钢结构厂采用两个85%的膜厚质量检查法。即85%的膜厚检测值能达到规定膜厚的要求;15%不到规定膜厚的膜厚检测值,能达到规定膜厚的85%。必须检测涂层配套中的每一道膜厚,特别是保证富锌涂料的规定膜厚。

 

 

防锈等级

 

标准化组织的相关部门以瑞典标准ISO055900为基础,制订了国际标准ISO85111一1:1988,《涂装涂料和有关产品钢材预处理 表面清洁度的目测评定 第一部分:未涂装过的钢材和和全面清除原有涂膜后的钢材的锈蚀等级和除锈等级》。我国等效采用国际标准ISO8501-1:1988,制订发布了国家标准,GB8923《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》。

    该标准将未涂装过的钢材表面原始锈蚀程度分为四个“锈蚀等级”,将未涂装过的钢材表面和全面清除过原有涂层的钢材表面除锈后的质量分为若干个“除锈等级”。钢材表面的锈蚀等级和除锈等级,通过标准文件中的文字说明和对照标准附带的典型样板照片共同确定。

1、  锈蚀等级及评定方法 根据钢材表面氧化皮的覆盖程度和锈蚀情况,将原始锈分为A、B、C、D四个等级。

A级:全面覆盖氧化皮,几乎没有铁锈的钢材表面;

B级:部分氧化皮已经脱落,已发生锈蚀的钢材表面;

C级:氧化皮已因锈蚀而剥落,或者可以刮除,并已少量点蚀的钢材表面。

D级:因锈蚀,氧化皮已全面剥离,普遍发生点蚀的钢材表面。

对照国家标准GB8923中有原始锈蚀等级标准中的4张彩色照片及文字说明进行评定。

2、除锈等级及评定方法:该标准对经过喷丸(砂)或抛丸除锈、手工除锈、动力工具除锈和火焰除锈的钢材表面的清洁度,规定了除锈等级,分别用Sa( 喷丸或砂、抛丸等机械除锈)、St (手工和动力工具除锈)、F1(火焰除锈)代表除锈方法,其后缀以阿拉伯数字表示除锈等级。

    Sa1  轻度喷射或抛射除锈  钢材表面无可见的油脂和污垢,没有附着不牢的氧化皮、铁锈、涂层等附着物;

a2  彻底喷射或抛射除锈 钢材表面无可见的油脂和污垢,已经基本除净氧化皮、铁锈、涂层筹附着物;

Sa2.5 非常彻底的喷射或抛射陈锈  钢材表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和涂层等附着物,任何残留的痕迹仅是点状或条纹状的轻微色斑;

    Sa3  改善钢材表观沾净度的喷射或抛射除锈  钢材表面无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和涂层等附着物,表面呈现均匀的金属光泽。

    St2  彻底的手工和动力工具除锈  钢材表而无可见的油脂和污垢,没有附着不牢的氧化皮、铁锈、涂层等附着物;

    St3 非常彻底的手工和动力工具除锈  钢材表面无可见的油脂和污垢,没有附着不牢的氧化皮、铁锈、涂层等附着物。比St2除锈更彻底,底材显露部分的表面,有金属光泽。

1  火焰除锈  钢材表面无氧化皮、铁锈和涂层等附着物,任何残留的痕迹仅为表面变色。

 

2.材料选择

表面涂刷专用防腐漆,仍是目前对钢结构及网架防腐的主要手段。防腐漆按保护功能可分为底漆、中层漆和面漆,各层油漆均有其特性,各负其责,几层组合起来,形成复合涂层,提高防腐性能,延长使用寿命。

 

富锌底漆是由大量的微细锌粉与少量的成膜基料组成。锌的电化学活性比钢铁高中,在受到腐蚀时,有“自我牺牲”的作用,使钢铁被保护。腐蚀产物氧化锌又填充了空隙,使涂层更加致密。作为防腐蚀涂装系列的底漆,一般厚度为30-40微米,太厚易龟裂和剥落。

水玻璃无机富锌底漆。

五十年前研制的无机富锌底漆是以水玻璃为基料,加入锌粉,混合后涂刷。固化后要用清水冲洗,施工工艺复杂,工艺条件苛刻,表面处理必须Sa2.5级以上,另外对环境温度、湿度都有要求,形成的涂膜易开裂、脱皮,目前已很少采用。

有机富锌底漆是以环氧树脂为成膜基料,加入锌粉,固化形成涂层。

环氧富锌底漆不但防腐性能优良,而且附着力强,并与下道涂层环氧云铁中层漆结合紧密,与其他高性能的中层漆均有良好的粘结性。主要用于一般大气中的钢架结构和石油化工设备的防腐。

 

面涂层:

1)       普通级为环氧漆、氯化橡胶漆、氯磺化聚氨酯漆。

2)       中等级为聚氨酯漆

3)       高等级为有机硅改性聚氨酯漆、有机硅改性丙烯酸面漆、氟涂料等。




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