閆偉，李夢佳

熱浸鋅防腐工藝在港口工程中的應(yīng)用

閆偉，李夢佳

（中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇島066002）

鋼結(jié)構(gòu)熱浸鋅是一種重要的防腐工藝，但在設(shè)計(jì)階段和制造工藝的制定過程中，常由于對熱浸鋅工藝不了解，造成結(jié)構(gòu)變形和表面缺陷，甚至危害結(jié)構(gòu)整體安全。結(jié)合熱浸鋅工藝，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造中應(yīng)注意的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探討，有助于提高鋼結(jié)構(gòu)整體加工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)使用壽命。

熱浸鋅；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；制造

0 引言

在港口碼頭工程中，防風(fēng)網(wǎng)、護(hù)輪坎、溝槽的護(hù)邊角鋼、井蓋板等鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常處于海浪、高溫、高濕、鹽霧等條件惡劣的海洋氯化物環(huán)境中，防腐蝕要求較高，普通的油漆防腐難以滿足構(gòu)件耐久性要求，近年來，上述鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件多采用熱浸鋅防腐工藝，美觀實(shí)用，效果較好。

熱浸鋅又稱熱浸鍍鋅，是一種經(jīng)濟(jì)高效的鋼結(jié)構(gòu)防腐方式，它具有耐久時(shí)限長、鍍層受損仍具有防腐蝕能力等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于各行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)防腐[1]。

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過程中，往往由于對結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸等方面影響考慮不周，在熱浸鋅過程中，構(gòu)件出現(xiàn)變形扭曲、鍍層不良等質(zhì)量問題，甚至產(chǎn)生封閉結(jié)構(gòu)爆炸，造成作業(yè)人員遭受物體打擊、燒燙傷等事故。熱浸鋅也會(huì)造成材料強(qiáng)度降低，鋼結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，可能造成安全隱患。因此，針對熱浸鋅鋼結(jié)構(gòu)，必須認(rèn)真研究，合理設(shè)計(jì)并制定加工制造工藝，選擇合適的熱鍍鋅廠，控制鍍鋅質(zhì)量和運(yùn)輸費(fèi)用。

1 熱浸鋅工藝及相關(guān)影響因素

1.1 工藝流程

熱浸鋅的工藝流程為：脫脂→水洗→酸洗→水洗→浸助鍍劑→烘干預(yù)熱→熱鍍鋅→整理→冷卻→鈍化→漂洗→干燥→檢驗(yàn)。

由工藝可見，鋼結(jié)構(gòu)在熱浸鋅過程中，要經(jīng)過加熱、冷卻，接觸各種酸、堿、水等介質(zhì)，有時(shí)為保證鍍鋅層的厚度均勻，甚至需要進(jìn)行錘擊、空氣吹掃等處理。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造過程中，均需要考慮熱浸鋅工藝流程每一環(huán)節(jié)的影響。

1.2 熱浸鋅對鍍件結(jié)構(gòu)影響

1.2.1 對構(gòu)件尺寸、重量的限制性

熱浸鋅的過程是將鋼構(gòu)件完全浸入到酸液、堿液、鋅液、水等介質(zhì)的過程。因此，對于大型鋼結(jié)構(gòu)，在確定制造工藝時(shí)需要考慮兩個(gè)方面：一是構(gòu)件不超過尺寸限制能全部進(jìn)入鋅池中；二是構(gòu)件的重力大于構(gòu)件完全進(jìn)入鋅液時(shí)產(chǎn)生的浮力，順利沉沒于熔融鋅液。

1.2.2 氣孔滲液

構(gòu)件熱浸鋅前需經(jīng)過酸洗、水洗等流程，鋼材表面的鐵銹、氧化皮等與酸液反應(yīng)后去除，如果在構(gòu)件未焊接部位的空隙或焊接部位存在氣孔等缺陷，熱浸鋅完畢后含鋅、鐵等元素的酸性溶液會(huì)從缺陷部位流出，在鍍鋅構(gòu)件表面形成“流黃水”現(xiàn)象。

1.2.3 鋅液爆濺

熱浸鋅溫度一般為430~500℃，熱浸鋅的過程也是一個(gè)高溫加熱的過程。鋼結(jié)構(gòu)在焊接質(zhì)量差的情況下，表面存在裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，在熱浸鋅過程高溫作用下，夾層內(nèi)的空氣經(jīng)受熱膨脹，沿焊縫裂紋和氣孔崩出，同時(shí)帶動(dòng)鋅液急速飛濺，對鍍鋅作業(yè)人員存在極大的安全隱患，同時(shí)使焊縫部位產(chǎn)生漏鍍鋅缺陷。

1.2.4 構(gòu)件變形

熱浸鋅高溫容易使H型鋼、角鋼、冷軋鋼板等構(gòu)件產(chǎn)生彎曲、扭曲變形，產(chǎn)生扭曲變形的構(gòu)件極難矯正[2]。

由于花紋鋼板表面有菱形或豌豆形花紋，在其軋制過程中存在較大的內(nèi)應(yīng)力，且分布不規(guī)則，因此帶有花紋鋼板的熱浸鋅構(gòu)件，經(jīng)常出現(xiàn)扭曲變形。

1.2.5 常見表面質(zhì)量缺陷

1）局部灰暗

熱浸鍍鋅時(shí)，鋅鐵分子交互擴(kuò)散，形成鋅鐵合金。鋼材中硅元素加速鋅鐵相互擴(kuò)散，在鍍件水冷前，合金生長到鋅層表面。鋅色澤光亮，鋅鐵合金色澤灰暗，合金形成不均勻，就在鍍層表面形成網(wǎng)狀花紋或局部灰暗。

在實(shí)際操作中，溫度控制不好，鍍鋅溫度過高，合金反應(yīng)加快，灰暗加重；出水冷卻太快，鍍鋅表面出現(xiàn)龜裂紋。熱浸鍍鋅時(shí)應(yīng)控制好溫度，把握好出水冷卻的時(shí)間，控制好降溫速率，既不能太快也不能太慢，盡可能減少灰暗鍍層出現(xiàn)。

2）表面鋅粒較多

熱浸鍍鋅溫度太低、鋅層夾入鍍渣微粒、工件從鋅液中提出速度太快等造成構(gòu)件表面粗糙、表面鋅粒較多。

3）鋅層上長出白銹

白銹又稱濕銹，堆放的鍍件在潮濕天氣或淋雨后不通風(fēng)干燥，表面出現(xiàn)白色痕跡。鍍鋅完成后，構(gòu)件堆放時(shí)，除兩端墊方木外，場地要排水通暢。

4）鋅層表面有溶劑夾雜或露鐵現(xiàn)象

主要是由于構(gòu)件在鍍鋅前酸洗除脂不凈，或處理后又被溶劑污染造成。溶劑對鍍鋅層有腐蝕作用，必須清除。

熱浸鋅外觀質(zhì)量缺陷一般是由鍍鋅廠人員操作不當(dāng)引起的，這就要求熱浸鋅作業(yè)人員嚴(yán)格按照工藝紀(jì)律實(shí)施，把好質(zhì)量關(guān)。

1.3 構(gòu)件工藝質(zhì)量缺陷

由設(shè)計(jì)、制作等工藝引起的質(zhì)量問題主要有構(gòu)件漂浮、漏鍍、流黃水、構(gòu)件鍍鋅后變形、流掛、鋅層過厚、過薄等，可以通過對熱浸鋅鋼構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化加工工藝、加強(qiáng)過程控制的方法予以解決。

2 構(gòu)件工藝質(zhì)量缺陷預(yù)防措施

2.1 熱浸鋅構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件封閉空間處理

鐵與鋅的密度差相差不大，在熱浸鋅時(shí)，有封閉空間的鋼構(gòu)件也會(huì)因浮力大，構(gòu)件不能完全進(jìn)入到鋅液中，此時(shí)，如果強(qiáng)行使工件進(jìn)入到鋅液中，構(gòu)件內(nèi)的氣體受熱膨脹后，容易出現(xiàn)爆炸危險(xiǎn)。

構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免帶有封閉空間，如果封閉空間不可避免，則必須考慮熱浸鋅時(shí)使鋅液能順利從鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)流進(jìn)、流出，開設(shè)進(jìn)出鋅工藝孔，見圖1。

圖1 管、桁架結(jié)構(gòu)開孔工藝圖Fig.1Portiforium of pipe and truss structures

2.1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)構(gòu)件端部半封閉結(jié)構(gòu)處理

有些構(gòu)件雖然能夠沉入鋅池，但如果構(gòu)件存在端部半封閉結(jié)構(gòu)，鋼構(gòu)件從鋅池中撈起時(shí)，鋅液不能快速從構(gòu)件上流入到鋅池中，就會(huì)出現(xiàn)鍍層厚度不均、鍍層過厚、流掛等缺陷，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)允許在端角部位開泄鋅工藝孔，以避免半封閉結(jié)構(gòu)。

2.1.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)貼合面處理

如貼合面的構(gòu)件板厚不一致，經(jīng)熱浸鋅高溫后，不同板厚的構(gòu)件熱變形不同，有可能使貼合面焊縫崩裂。角鋼或槽鋼等與鋼板貼合面，一般只需將貼合面的縱向焊縫焊接，橫向焊縫不焊接，這樣在熱浸鋅過程中就容易出現(xiàn)“流黃水”現(xiàn)象，因此，這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注明形成封閉焊縫[3]。

2.2 熱浸鋅構(gòu)件制作

2.2.1 制定合理的鋼結(jié)構(gòu)制作工藝

1）根據(jù)鍍鋅廠鋅池尺寸大小，確定構(gòu)件制作大小，對大型構(gòu)件可考慮分段制作，分段鍍鋅，安裝現(xiàn)場拼裝成整體。

3）如果工件有不易于熔融鋅流瀉的部位，須開設(shè)進(jìn)出鋅工藝孔，并確定工藝孔位置及大小，使鋅液快速從工件上流入鋅池。

4）綜合考慮熱浸鋅廠與制作單位之間的距離、運(yùn)輸條件、工程量、構(gòu)件尺寸等，制定合理的鋼結(jié)構(gòu)制作工藝。

2.2.2 制定合理的鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝

1）提高焊接質(zhì)量，使焊縫無表面缺陷[3]。焊接后，清除焊接產(chǎn)生的藥皮、飛濺及熔渣等，否則鍍鋅時(shí)，熔融鋅液會(huì)由于藥皮的阻隔產(chǎn)生漏鍍現(xiàn)象。

2）采用連續(xù)封閉焊縫，避免因間斷焊接而出現(xiàn)的流黃水現(xiàn)象。

3）盡量采取對稱焊接、雙面焊接的焊接工藝，減少因熱浸鋅高溫產(chǎn)生的變形。

4）對于貼合面，需將貼合面全部連續(xù)焊接，使酸液、水、鋅液等不能進(jìn)入到貼合面內(nèi)部，見圖2。

2.2.3 釋放應(yīng)力

泡沫混凝土作為一種新型材料，在建筑工程方面已得到廣泛應(yīng)用[15-16]。其輕質(zhì)、水下不分散的特殊性能[17-18]是普通混凝土不能勝任的。在復(fù)雜的巖溶地質(zhì)環(huán)境條件下，采用泡沫混凝土充填溶洞形成復(fù)合地基，可有效防止溶洞坍塌。

對于構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力較大的鋼板、型鋼等，應(yīng)先釋放應(yīng)力，采取熱處理、振動(dòng)時(shí)效、自然時(shí)效、錘擊等措施[3]后再進(jìn)行熱浸鋅。

圖2 貼合面部位連續(xù)焊接Fig.2All-welded binding faces

2.3 構(gòu)件熱浸鋅

為了提高熱浸鋅構(gòu)件的觀感質(zhì)量，使構(gòu)件鋅層厚度能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，在鋼結(jié)構(gòu)熱浸鋅時(shí)，應(yīng)明確要求鍍鋅廠采取以下處理措施，并重點(diǎn)監(jiān)控：

1）嚴(yán)格按照熱浸鋅工藝流程操作，控制好各工序的溫度、時(shí)間等。

2）鋅液中可增加鋁元素，鋅液中加入＜1%的鋁，提高鍍鋅層表面光亮性，減少鋅液面的氧化，提高鍍層塑性和黏附性。

3）對存在質(zhì)量缺陷的部位及時(shí)采取鍍鋅修補(bǔ)措施。

3 熱浸鋅在港口工程的應(yīng)用

3.1 防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

唐山港曹妃甸港區(qū)煤碼頭續(xù)建工程，防風(fēng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)要求熱浸鋅防腐。防風(fēng)網(wǎng)支架寬3.6 m，高23 m，立柱為H形，柱間支撐和其它桿件為焊接鋼管，見圖3。

圖3 防風(fēng)網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)圖Fig.3Steel structural diagram of windbreak net

構(gòu)件特點(diǎn)分析：

1）構(gòu)件尺寸較大，鋼結(jié)構(gòu)加工廠附近無長度超過15 m的大型鍍鋅池，不能整體一次完成鍍鋅工序。

2）構(gòu)件焊接量大，如鍍鋅后再焊接，補(bǔ)鋅量大。

3）主體H形鋼結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)H形鋼，與支撐等焊接成整體后，經(jīng)熱浸鋅變形不大。

4）中間斜撐為管結(jié)構(gòu)，管的兩端加堵頭板封閉，形成了封閉空間。

針對以上特點(diǎn)，鋼構(gòu)件分成上下兩部分制作，每段長約12 m，分段鍍鋅后再整體拼接。管斜撐兩端的堵頭板暫不封堵，使鋅液能流進(jìn)流出管內(nèi)，待整體鍍鋅完畢后，再進(jìn)行堵頭板的焊接，焊口補(bǔ)鋅處理。

分段整體鍍鋅既減少了焊口補(bǔ)鋅工作量，也使得焊縫部位鍍層質(zhì)量穩(wěn)定，減少了吊裝過程的鋅層破壞，鋼構(gòu)件整體防腐質(zhì)量得到保證。

3.2 鋼制溝蓋板、電纜支架等構(gòu)件

鋼制溝蓋板、電纜支架等構(gòu)件[4]存在死角、貼合面現(xiàn)象。

對于溝蓋板之類不易于漏鋅流泄的構(gòu)件，在制作時(shí)，需在可能存鋅部位設(shè)泄鋅工藝孔，工藝孔一般不小于存鋅部位的1/3截面面積。

電纜支架構(gòu)件一般存在角鋼與角鋼的貼合面，按照以往的加工工藝，只需焊接橫撐角鋼的2邊焊縫即可滿足電纜支架強(qiáng)度，但對于熱浸鋅構(gòu)件來說，必須將角鋼與角鋼貼合面的四周焊縫全部連續(xù)焊接[1]。

3.3 其它結(jié)構(gòu)

碼頭護(hù)輪坎外包鋼板、電纜溝和軌道槽護(hù)邊角鋼、預(yù)埋件定位鋼板等截面形式不太復(fù)雜的鋼構(gòu)件[4]，熱浸鋅時(shí)只需考慮選擇合適的吊點(diǎn)，保證構(gòu)件外形，減小變形即可。

護(hù)輪坎外包鋼板和預(yù)埋件定位鋼板構(gòu)件截面小，長度短，結(jié)構(gòu)經(jīng)熱浸鋅時(shí)，采取簡單防護(hù)措施，構(gòu)件產(chǎn)生變形在可控范圍。

護(hù)邊角鋼等截面形式簡單或?qū)ΨQ構(gòu)件，截面尺寸和規(guī)格小，熱浸鋅引起的變形易矯正，加工完畢后可直接進(jìn)行熱浸鋅處理。

該類構(gòu)件重點(diǎn)控制鍍層表面質(zhì)量，如有缺陷，要及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)和打磨，以保證碼頭工程整體觀感質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過對熱浸鋅工藝的分析研究，從設(shè)計(jì)、加工制造和熱浸鋅過程三個(gè)方面處理，使鋼構(gòu)件適合熱浸鋅工藝，避免出現(xiàn)鋼構(gòu)件端部半封閉結(jié)構(gòu)存鋅、貼合面崩裂等現(xiàn)象；在加工制作過程中焊縫應(yīng)采取全封閉連續(xù)焊接、對稱焊接、雙面焊接，開設(shè)進(jìn)出鋅工藝孔避免形成帶有空腔的封閉結(jié)構(gòu)，確保鋅液能從封閉構(gòu)件中流進(jìn)、流出；對大型鋼構(gòu)件的整體熱浸鋅應(yīng)考慮分段制作、整體組拼的加工工藝；確保鋼構(gòu)件在熱浸鋅各工藝流程中的溫度、時(shí)間等滿足工藝要求，保證鍍件觀感質(zhì)量、鍍層厚度均勻；對重要受拉和受彎等主要受力構(gòu)件，要充分考慮熱浸鋅對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

通過對港口工程中常見鋼結(jié)構(gòu)熱浸鋅防腐工藝的研究和實(shí)踐，確保了港口高腐蝕環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)的防腐效果，提高熱浸鋅構(gòu)件的觀感質(zhì)量，取得良好效果，在類似工程中具有一定的借鑒作用。

[1]王泓.鋼鐵防腐新材料-涂鍍鋅的應(yīng)用分析[J].裝備制造技術(shù)，2006（4）：192-194. WANG Hong.Analysis of application of the new antiseptics for steel-zinc coating[J].Equipment Manufacturing Technology,2006 (4):192-194.

[2]楊變英.熱鍍鋅的鋼結(jié)構(gòu)件制造要點(diǎn)[J].電鍍與精飾，2002，24（6），15-21. YANG Bian-ying.Key points for hot galvanized steel structural parts production[J].Plating and Finishing，2002,24(6):15-21.

[3]GB 50661—2011，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S]. GB 50661—2011,Code for welding of steel structures[S].

[4]JST 257—2008，水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S]. JST 257—2008,Standard for quality inspection of port and waterway engineering construction[S].

Application of hot dip galvanizing for anticorrosion in harbor works

YAN Wei,LI Meng-jia
（No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei 066002,China）

Hot dip galvanizing is an important anticorrosion technology for the steel structures.Commonly,it results in structural deforming or surface defects,even hazards to the safety of steel structure because of the lack of understanding of the hot dip galvanizing technique in the formulation of the process design stage and manufacturing process.Based on the technology of hot dip galvanizing,we discussed the relevant techniques in the design and manufacture of steel structure,which is helpful to improve the integral quality of steel structure and extend its operating life.

hot dip galvanizing;steel structures;design;manufacture

U654

B

2095-7874（2017）08-0085-04

10.7640/zggwjs201708020

2017-05-12

閆偉（1968—），男，河北蔚縣人，高級(jí)工程師，副總工程師，主要從事港口工程機(jī)電安裝、鋼結(jié)構(gòu)和設(shè)備制造管理。E-mail：hwyanwei@126.com