鋼結構的近海大氣腐蝕

鋼結構的近海大氣腐蝕研究[摘要]本文結合泉州市某大橋收費站鋼結構網架工程實例，探討了近海大氣中鋼結構的耐腐蝕性能。分析了近海大氣環(huán)境中，影響鋼結構腐蝕的原因，鋼結構腐蝕的類型和機理，并提出了近海大氣中鋼結構的防腐措施。[關鍵詞]鋼結構防腐蝕近海大氣網架TheStudyontheCorrosionResistanceofSteelStructure[Abstract]BylookingintothecasestudyofaBridgetollgatebeinglocatedinQuanzhou,thispaperstudiesthecorrosionresistanceofthesteelstructureinmarineatmosphere.Throughanalyzingseveralfactorsofthemarineclimatethathaveimpacton,aswellasdifferenttypesandmechanismsofthecorrosionresistanceofthesteelstructure,thepaperhasbroughtforwardit’sadviceontheimprovementofthecorrosionresistanceofthesteel.[Keywords]SteelStructure，CorrosionResistance，MarineAtmosphere，Gridstructure1引言鋼結構自20世紀末以來發(fā)展很快。一些超高層建筑、工業(yè)廠房建筑、大橋建筑、高架立交、體育和文化場館的網架結構、塔桅建筑等，采用鋼結構的越來越多?，F(xiàn)已開始進入住宅領域。伴隨我國國民經濟的發(fā)展，鋼產量的不斷增長和鋼結構施工技術水平的不斷提高，鋼結構建筑必將成為新的建筑經濟增長點。但是，鋼結構的廣泛應用也暴露出其一系列缺點。易腐蝕是鋼結構的致命缺點之一。鋼結構一旦被腐蝕，其強度、塑性等主要力學性能指標顯著下降，嚴重地降低了鋼結構構件和建筑物的安全性和耐久性。我國東南沿海地區(qū)，經濟發(fā)展迅速，近幾年鋼結構在該地區(qū)應用已經十分普遍，在沿海地區(qū)海洋氣候條件下，鋼結構的腐蝕尤為嚴重。因此，從節(jié)約有限資源和能源的角度出發(fā)，研究鋼結構的近海大氣腐蝕對國民經濟的發(fā)展顯得十分重要。2工程實例泉州市某大橋收費站〔Fig.1〕，地處晉江入?？?。設計使用年限五十年，主體結構為鋼基金項目：福建省科技重大專項前期項目（2005ZY1016）；福建省自然科學基金項目（E0510022）；福建省泉州市科技重點項目（2007G7）結構網架，采用普通碳素鋼，使用熱噴鋁仿腐處理，外刷防銹漆，屋面板采用彩色壓型鋼板，1997年建成投入使用，迄今為止，10年間未進行防銹維護。Fig.1.泉州某大橋收費站鋼結構網架該工程地處泉州地區(qū)，經度118.6，緯度24.9，環(huán)境類型為亞熱帶濕潤區(qū)海洋大氣。據(jù)調查，主體鋼結構網架銹蝕程度十分嚴重，節(jié)點管壁均出現(xiàn)整體銹蝕（Fig.2）。屋面水槽完全損壞，出現(xiàn)脆性斷裂（Fig.3）。與之形成對比的是屋面彩色壓型板，受腐蝕程度輕，僅在局部出現(xiàn)若干點腐蝕。Fig.1.泉州某大橋收費站鋼結構網架Fig.2.節(jié)點管壁整體銹蝕Fig.3.水槽Fig.2.節(jié)點管壁整體銹蝕Fig.3.水槽3導致鋼結構嚴重銹蝕的原因3.1濕度該工程所處地區(qū)空氣濕度RH>75%。鋼鐵的臨界濕度一般在60％一70％之間。研究表明，低于臨界濕度時，鋼鐵表面受到的是化學腐蝕，其銹蝕速度不大。當高于臨界濕度時，其腐蝕類型由化學腐蝕轉變?yōu)殡娀瘜W腐蝕，銹蝕速度突然增加，此時銹蝕影響是很大的。3.2溫度地處亞熱帶，年平均氣溫19.5℃～21℃。大氣的水蒸含量隨氣溫的升高而增大。同時氣溫高促使銹蝕加劇，尤其在潮濕的環(huán)境里，氣溫越高銹蝕越快。相對濕度較低的時候，溫度的影響還不大明顯，但高于臨界溫度時，隨氣溫升高，銹蝕程度急劇增大。另外，大氣與鋼材之間的溫差導致在剛才表面形成冷凝水，也加劇了銹蝕。3.3大氣中所含的介質近海大氣中含有大量的，鋼材上鹽分的沉積量大。同時，泉州市空氣中含量高，年降酸雨頻率大于90%?？諝庵械母g性粉塵等因素也加速了鋼材在大氣中的腐蝕。該大橋為泉州主要交通干道，車流量年均7百萬輛次以上，大量的汽車尾氣也是大橋鋼結構腐蝕源之一。3.4鍍鋅層厚度不夠及未定期涂刷防銹漆維護 該工程主體鋼結構網架，采用電鍍鋅防銹蝕，研究表明，鋅層對鋼鐵的保護壽命與鋅層厚度成正比。根據(jù)該地區(qū)的環(huán)境，鋅層厚度，才能有效保護鋼材。防銹漆應一至兩年一次，而該工程自建成以來未重刷防銹漆。4．結構腐蝕類型和機理分析4.1.大氣腐蝕Fig.4.大氣腐蝕該結構中最普遍的為大氣腐蝕〔Fig.4〕。主要是由空氣中的水和氧氣等的化學和電化學作用引起的。大氣中水汽形成金屬表層的電解液層，空氣中的氧溶于其中作為陰極去極劑，二者與鋼構件形成了一個基本的腐蝕原電池。在鋼構件表面形成銹層后，腐蝕產物會影響大氣腐蝕的電極反應，進一步加劇腐蝕。Fig.4.大氣腐蝕4.2局部腐蝕局部腐蝕也是常見的破壞形態(tài)〔Fig.5〕，主要包括電偶腐蝕、縫隙腐蝕。電偶腐蝕主要發(fā)生在不同金屬組合或者連接處，其中電位較負的金屬腐蝕速度較大，而電位較正的金屬受到保護，兩種金屬構成了腐蝕原電池。研究表明，接觸金屬的電位差為電偶腐蝕的驅動力，兩種金屬的電極電位差愈大，電偶腐蝕愈嚴重?？p隙腐蝕，發(fā)生多發(fā)在具備腐蝕條件的縫隙，縫隙中必須有一定的液體。縫隙寬度必須窄到可以使得液體在縫內停滯，鋼結構的縫隙腐蝕最敏感的縫寬0．025－0.01mm。最常見的縫隙腐蝕形式有鉚接、襯墊和顆粒沉積等。4.3應力腐蝕Fig.5.局部腐蝕相同條件下，受載結構比未受載結構腐蝕程度大得多。經過一段時間構件會發(fā)生突然斷裂，且事先沒有明顯的征兆，往往造成災難性后果。Fig.5.局部腐蝕5近海大氣中鋼結構防腐蝕措施5.1防腐材料采用耐候鋼。耐候鋼的優(yōu)點是不需維護，雖然價格偏高，但在結構壽命期內的總費用卻較普通鋼材低。研究表明，耐候鋼中添加了一定量的銅Cu、鎳Ni、鈷Co等合金元素，產生富集，內銹層形成的結晶程度降低、晶粒細化的FeO連續(xù)致密銹層，能將陽極活性點覆蓋起來，是非靜態(tài)的穩(wěn)定銹層，能阻礙有腐蝕性的氣氛和介質向基體滲透，使氧在銹層中擴散反應速度慢，而且也抑制了陽極過程。但是，耐候鋼因加入了各種元素，影響其焊接性能，因此必須重視焊接熱影響部位的低溫裂縫。5.2防腐技術5.2.1熱浸鋅、熱噴鋁熱浸鋅是將除銹后的鋼構件浸600℃左右高溫融化的鋅液中，使鋼構件表面附著鋅層，從而起到防腐蝕的目的。此方法耐久年限長，生產工業(yè)化程度高，質量穩(wěn)定。大量用于受大氣腐蝕較嚴重且不易維修的室外鋼結構中。熱噴鋁相對于熱浸鋅，構件形狀尺寸幾乎不受限制，受熱區(qū)域是局部的，不會產生熱變形，工業(yè)化程度較低。此法鍍鋅層厚度宜，方能有效防護。5.2.2涂料防腐涂料是目前最常用的方法。普通的防腐涂料必須定期維護，在近海洋大氣環(huán)境中，一到兩年需重新涂刷，并注重施工工藝。新型無機富鋅、聚氨酯系列涂料，適用于嚴重腐蝕環(huán)境下的室外鋼結構，為高性能長效防護涂料。Table1截面形式與相對腐蝕速度的關系上述工程實例中，屋面板采用彩色壓型鋼板，即為有機涂層鋼板，其具有良好的耐腐蝕性能和物理屏障性能，抗腐蝕效果好。Table1截面形式與相對腐蝕速度的關系5.3防腐設計5.3.1鋼結構的形狀、形式盡可能簡單合理 對該工程的研究進一步證實：處于同一腐蝕環(huán)境下的鋼結構，不同截面形狀腐蝕速度相差很大，Table1以圓管截面的腐蝕速度為參照，列出不同截面形式與圓管截面相對腐蝕速度的關系。 在應力集中的部位，腐蝕程度也較為嚴重。在結構設計的同時，應結合強度和應力的平衡設計，避免承載部件產生應力集中。為了減少應力腐蝕傾向，鋼構件不應有切口、尖角等形狀出現(xiàn)，而應有足夠的圓形過渡。5.3.2防止發(fā)生電偶腐蝕避免異種金屬材料直接接觸，在相接觸的金屬材料間插入絕緣材料。盡可能選擇電位相近的材料進行匹配。采用加入第三種金屬材料，降低異種金屬材料的電位差。改變異種金屬材料的陰陽極面積比。對該工程的調查發(fā)現(xiàn)，焊接部位的腐蝕程度相對較嚴重〔Fig.6.〕。注意焊條成分，應與母體材料一致，或按材料種類選擇合適的焊條，以防止電偶腐蝕的發(fā)生。5.3.3結構上盡量避免縫隙、死角Table2避免結構產生縫隙死角的方式Fig.6.焊接部位電偶腐蝕 縫隙會引起腐蝕，特別是鋼結構部件的連接和支撐處是造成縫隙和死角的場所，在設計中應予充分考慮（Table2）。選擇不易形成縫隙的法蘭結構，使用不吸濕墊片，墊片內徑應與法蘭盤內徑相同；盡量避免使用鉚接結構，鉚接的結構存在縫隙。一定要用鉚接方法的話，應加墊片；鉚接、螺紋連接、銷釘連接、螺栓連接在液相介質中不能使用。從避免縫隙角度考慮，對接焊優(yōu)于搭接焊，連續(xù)焊優(yōu)于間斷焊，雙面焊優(yōu)于單面焊，并要注意防止焊接缺陷；避免液體凝聚。Table2避免結構產生縫隙死角的方式Fig.6.焊接部位電偶腐蝕參考文獻：[1]王振堯,于國才,韓薇.我國自然環(huán)境大氣腐蝕性調查[A].中國腐蝕與防護學報,2003,24(8):323-344.[2]蕭以德,李興廉.電鍍鋅層的大氣腐蝕行為研究[J].防腐科學與防護技術.1995,7(3).:187-191.[3]張啟富,郝曉東.鋼結構腐蝕防護現(xiàn)狀和發(fā)展[J].中國建筑金屬結構,2006(9):22-26.[4]劉人儀.管型鋼屋架結構的應力腐蝕分析[J].四川建筑