蔡佳興*，范益，酈鎖云，張萬靈

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

焦化廠鋼結(jié)構(gòu)涂層的失效及重涂

蔡佳興*，范益，酈鎖云，張萬靈

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

為解決某焦化廠鋼結(jié)構(gòu)涂層失效的問題，現(xiàn)場調(diào)查了環(huán)境腐蝕因素、原防護措施及其失效狀況。廠區(qū)存在硫化物、氮化物、粉塵等污染物，在原防護施工中存在基材表面除銹不徹底、涂料種類搭配不合理、維護周期不合理、涂層厚度不達標等問題。通過制定適合該焦化廠各區(qū)域腐蝕環(huán)境特點的涂裝方案，并在涂裝環(huán)節(jié)嚴格控制施工質(zhì)量，可解決原鋼結(jié)構(gòu)涂裝防護層提前失效的問題。

鋼結(jié)構(gòu)；涂層；提前失效；腐蝕防護

Abstract:Aiming to solve the failure of coatings for steel structures in a coking plant, the corrosion environment, existing protection measures and failure conditions were investigated on spot.Sulfide, nitride, dust and other pollutants were found in the atmosphere.There are some problems during the construction of previous corrosion protection measures, such as incomplete surface de-rusting, unreasonable combination of different types of paints, improper maintenance cycle, and insufficient coating thickness.The early failure of coatings can be solved by developing a coating scheme suitable for the corrosion environment of each area in the coking plant, and strictly controlling the construction quality during the coating process.

Keywords:steel structure; coating; early failure; corrosion protection

First-author’s address:Nanjing Iron and Steel Co., Ltd., Nanjing 210035, China

某焦化廠自建廠3年后，平均每年投入約300萬元對廠區(qū)內(nèi)戶外鋼結(jié)構(gòu)涂層進行維護。然而涂層在1年左右就又會發(fā)生局部破壞，表面銹跡斑斑，甚至導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)因腐蝕而發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂失效。鑒于該焦化廠從延長鋼結(jié)構(gòu)涂層服役年限及降低成本方面提出新的要求，筆者在對廠區(qū)環(huán)境和腐蝕狀況進行細致調(diào)研后，結(jié)合廠區(qū)自身特點制定了合理的防護方案。本文對此進行了詳細介紹，以供同行參考。

1 焦化廠的情況介紹

進廠煤經(jīng)配煤粉碎后由皮帶送至煤塔，再由加煤車送料至焦爐，干餾后產(chǎn)生焦炭和荒煤氣，焦炭經(jīng)熄焦塔由皮帶送至用戶，荒煤氣經(jīng)提煉加工出焦油、硫和粗苯后形成凈煤氣供用戶使用。廠內(nèi)煤場皮帶支架，翻煤機，焦爐，加煤車，推焦車，攔焦車，熄焦車，熄焦塔，橫管冷凝器，電捕焦油器，機械化氨水澄清槽，脫硫塔平臺及欄桿，洗苯塔平臺及欄桿，煤氣管道，管道支架等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施均暴露于戶外，需進行防腐蝕保護。

1.1 腐蝕環(huán)境

該焦化廠所處位置為亞熱帶季風氣候區(qū)域，年均降雨量約為1100 mm，降雨天數(shù)占全年的30%，年平均相對濕度為75%。其周圍有鋼鐵廠、熱電廠和石化廠，酸雨發(fā)生次數(shù)頻繁，為典型的工業(yè)大氣腐蝕環(huán)境。該廠區(qū)腐蝕污染物主要有硫化物、氮化物、碳化物、粉塵等。硫化物(如SO2、SO3、H2S等)、氮化物(如NH3、NO、NO2)和碳化物(CO2、CO等)來自焦化廠逸散煤氣和周圍其他廠區(qū)排放的廢氣，粉塵來自焦化廠的煤粉、焦粉、鐵礦粉、泥土揚塵和周圍廠區(qū)煙囪排放的顆粒物，其中含有氯元素。表1為焦化廠不同區(qū)域隨機采集的大氣污染物分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。

表1 焦化廠中大氣污染物的濃度Table 1 Concentrations of air pollutants in a coking plant

根據(jù)ISO 12944-2:1998 Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems—Part 2: Classification of Environments，該焦化廠的大氣腐蝕性等級被判定為C5-I。該焦化廠設(shè)備溫度基本與氣溫保持一致，個別區(qū)域處于高溫或低溫區(qū)，如焦爐平臺、攔焦車、熄焦車和部分煤氣管道處于80 °C的高溫環(huán)境，而部分煤氣管道的表面溫度在夏季低于環(huán)境溫度。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)原防護措施

該焦化廠在建廠初期基于美觀的目的對鋼結(jié)構(gòu)進行了涂裝，采用鐵紅防銹底漆和醇酸面漆，涂層總厚度40 ～ 80 μm。在涂層出現(xiàn)大面積失效后對其進行后期維護：先對破損區(qū)進行機械打磨，未破損區(qū)則僅用碎布擦干凈；然后涂刷2道氯磺化聚乙烯底漆和2道氯磺化聚乙烯面漆，設(shè)計干膜厚度為60 ～ 80 μm，但未檢測實際厚度。由涂層破壞程度和財務(wù)撥款時間決定維護周期，只有在涂層大面積失效，鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物，同時當年財務(wù)款項富足的時候才進行涂層維護。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀

對該焦化廠主要鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施進行實地勘察，其腐蝕情況列于表 2。不同鋼結(jié)構(gòu)涂層的服役年限和失效形式不盡相同，圖1顯示了典型的涂層失效形貌。鋼結(jié)構(gòu)涂層服役年限與涂層失效機制有很大關(guān)系。

表2 不同鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施上涂層的失效情況Table 2 Failure situations of the coatings on different steel structure facilities

圖1 失效涂層的外觀照片F(xiàn)igure 1 Photos showing the appearances of failed coatings

2 鋼結(jié)構(gòu)涂層失效原因分析

影響鋼結(jié)構(gòu)涂層失效的因素主要包括環(huán)境和涂層。從環(huán)境因素分析，涂層失效破壞不僅與硫化物、氮化物和碳化物的濃度有關(guān)，而且與空氣潮濕程度，粉塵顆粒的數(shù)量及化學(xué)性質(zhì)等有關(guān)。從涂層因素分析，涂層失效破壞與涂層本身的保護性能，涂裝的施工質(zhì)量，涂層失效后的維護方式等因素有很大關(guān)系。

在潮濕環(huán)境或雨水天氣，大氣中 H2S、SO2、SO3、NOx、CO2和粉塵中的氯化物溶于水中會形成含有氯離子的酸性電解質(zhì)環(huán)境，在基體上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電化學(xué)陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣進入基材內(nèi)部，進一步引發(fā)應(yīng)力腐蝕。大顆粒粉塵附著在鋼材表面，與其形成微小縫隙，在潮濕的環(huán)境中容易形成縫隙腐蝕。此外，氮化物形成的 HNO3具有氧化性，可與硫化物、碳化物和粉塵中的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使腐蝕行為更加復(fù)雜。因此一旦涂層有微小缺陷或破壞源，鋼基體就會被腐蝕，而形成的腐蝕產(chǎn)物又會使涂層加速失效。

該焦化廠鋼結(jié)構(gòu)涂層的失效形式主要有鼓包、剝落、開裂、起皮、變色、粉化等。將鼓包、剝落和開裂的涂層刮開后，鋼表面有大量腐蝕產(chǎn)物，X射線衍射儀分析其成分為Fe2O3、FeOOH等物質(zhì)。調(diào)查該涂層涂裝情況，發(fā)現(xiàn)涂裝前期除銹不徹底，涂料固化后雨水會通過涂層的微孔或缺陷滲透進入，導(dǎo)致鋼腐蝕而產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物。因等質(zhì)量腐蝕產(chǎn)物體積比鋼鐵體積大很多，造成腐蝕產(chǎn)物以上的涂層與基體剝離。若涂層韌性較好、較薄，表現(xiàn)為起泡；涂層韌性較差、較厚時，則表現(xiàn)為開裂。起皮發(fā)生在早期涂層與后期維護時涂裝的涂層之間。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該廠在做防腐維護時僅對銹蝕嚴重的局部區(qū)域進行除銹，且除銹等級不及P St2，未銹蝕區(qū)域也未能徹底清理原涂層表面的灰塵和油污，致使新涂層與原涂層的結(jié)合力不強。此外，所用涂料由外包的防腐施工隊購買，未能保障涂料質(zhì)量；新老涂層匹配不合理，界面兼容性差也是導(dǎo)致起皮的原因之一。涂層的變色和粉化多是涂料種類選取不當或涂料質(zhì)量較差所致。耐候性能不佳的醇酸類涂料或劣質(zhì)的氯磺化聚乙烯涂料在焦化廠嚴酷的環(huán)境中都有可能提前變色和粉化。另外，該焦化廠往往在涂層大面積失效，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕很嚴重的情況下才開始維護涂層，不僅鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性得不到保障，而且年均防護費用也會大幅增加。

綜上所述，該焦化廠涂層提前失效的原因主要有：環(huán)境腐蝕性強；鋼結(jié)構(gòu)表面除油、除銹不徹底；涂料本身質(zhì)量得不到保障；涂料種類搭配不合理；涂層干膜厚度不夠；施工未能按照涂料說明書要求嚴格執(zhí)行；后期維護周期不合理。

3 鋼結(jié)構(gòu)腐蝕控制對策

3.1 涂層防護方案設(shè)計

目前市場上涂料種類多樣，合理的涂層防護方案需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境腐蝕等級而定，選擇合適的涂料種類，對底漆、中間漆和面漆進行合理的搭配，并確定涂層的干膜厚度。

根據(jù)廠區(qū)腐蝕環(huán)境情況，按ISO 12944-5:1998 Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems—Part 5: Protective Paint Systems設(shè)計了如表3所示的涂料體系，目標服役年限為5年以上。采用高壓淡水噴射除銹(針對原涂層老化嚴重及人工除銹不便的部位，壓力70 ～100 MPa)以及人工和動力工具除銹相結(jié)合的方式，除銹至GB/T 8923.2–2008《涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的目視評定 第2部分：已涂覆過的鋼材表面局部清除原有涂層后的處理等級》規(guī)定的P Sa2、P St2級。為降低總成本，選擇對除銹等級要求較低的功能型低表面環(huán)氧類底漆。它與基底黏附性能好，滲透性優(yōu)異，并可將未去除干凈的銹層中的活性鐵氧化物轉(zhuǎn)化為鈍態(tài)，從而降低除銹等級，減少經(jīng)濟投入。為更好地配套底漆，采用環(huán)氧云鐵中間漆，通過增加漆層厚度來提高涂層的抗?jié)B透能力。采用脂肪族聚氨酯面漆，以增加涂層的抗老化性能和滿足設(shè)備表面的色彩要求。為適應(yīng)部分設(shè)備的高溫工況，采用無機硅酸鋅底漆和丙烯酸有機硅面漆的涂層體系。對于非重要的零星鋼結(jié)構(gòu)，因易于拆除和更換，所以采用環(huán)氧類底漆、中間漆和氯化橡膠面漆，以便后期維護和節(jié)省成本。

根據(jù)冶金工業(yè)建設(shè)工程預(yù)算定額[1]計算所需費用。先測量廠區(qū)各個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的尺寸，計算出涂覆面積、高空作業(yè)量等參數(shù)，再確定涂層防護方案中除銹方式、涂料種類、涂刷道次、干膜厚度等參數(shù)，然后輸入專業(yè)的工程預(yù)算定額計算軟件──南京同安電子科技有限公司的“同安冶金預(yù)決算軟件”(版本號4.0.10.18)，分別按原涂層防護方案和表3的設(shè)計方案計算總的工程費用，最后將總數(shù)平均分攤到服役期年限中，比較年均投入費用。相比原涂層方案(服役年限以2年計算)，表3所列設(shè)計方案(服役年限以5年計算)的工程總費用僅增加了10%左右，年均費用投入可節(jié)省約150萬元。

表3 不同鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施上涂層體系的設(shè)計方案Table 3 Design of coating systems for different steel structure facilities

3.2 施工質(zhì)量控制

除設(shè)計有效的防腐涂裝方案外，施工質(zhì)量直接決定了防腐涂裝項目的成敗。

招標前期，確認施工隊伍必須有防腐蝕施工資質(zhì)，并由防腐涂裝設(shè)計人員進行針對性培訓(xùn)。

在施工過程中，建立“工序檢驗與簽字確認制度”，嚴格進行施工監(jiān)管。除有第三方監(jiān)理外，必須有防腐蝕涂裝方案設(shè)計人員現(xiàn)場督導(dǎo)。嚴格執(zhí)行施工工藝，執(zhí)行工序間驗收制度，上道工序不到位，沒通過驗收的，決不能進行下道工序，整個過程由專人負責記錄。

施工質(zhì)量控制的主要注意事項如下：除銹等級必須達到設(shè)計要求；涂料品牌需選擇名譽較好、市場占有率較高的生產(chǎn)廠家；涂料種類按照設(shè)計方案要求搭配，雙組分涂料嚴格按說明書搭配比例調(diào)配；涂裝的溫度、濕度等氣候環(huán)境條件符合涂料說明書要求，雨天不施工；每道次干膜厚度都必須達到設(shè)計厚度方可進行下一道涂刷工序，總干膜厚度必須達到設(shè)計要求范圍，不低不超。

施工項目總體驗收由所有參與防腐項目的人員共同完成，包括業(yè)主單位、施工方、涂裝方案設(shè)計方、監(jiān)理等，并共同審核施工工程記錄，隨后存檔，以便涂層出現(xiàn)提前失效問題時進行質(zhì)量追蹤，建立質(zhì)量責任追查制度。

4 應(yīng)用效果

該廠部分煤氣管道和管廊支架按照上述設(shè)計方案進行涂裝和施工，目前已有2年，現(xiàn)場跟蹤記錄涂裝效果，尚未發(fā)現(xiàn)鋼材基體銹蝕及涂層老化現(xiàn)象。

[1]冶金工業(yè)建設(shè)工程定額總站.冶金工業(yè)建設(shè)工程預(yù)算定額: 第八冊──刷油、防腐、保溫工程[M].2012年版.北京: 冶金工業(yè)出版社, 2013: 87-150.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Analysis on failure of the coatings for steel structures in a coking plant and re-coating design

CAI Jia-xing*,FAN Yi, LI Suo-yun, ZHANG Wan-ling

TQ639; TG174.4

B

1004 – 227X (2017) 18 – 0988 – 04

2016–11–23

2017–05–25

蔡佳興（1986–），男，河南夏邑人，碩士，工程師，研究方向為腐蝕與防護。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) caijx200@qq.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.007