钢结构腐蚀的危害防护及其探测技术.doc

精选范本 摘要摘要 基于腐蚀对钢结构造成的危害极其严重 分析了钢结构腐蚀的原因 针对 其原因提出了钢结构防腐蚀的处理措施 以确保钢结构建筑在使用中不因腐蚀 损坏而引起质量问题 地下金属管及建筑物中的钢筋发生腐蚀不仅导致重大经济损失 而且还可 引发环境污染 并孕育安全事故隐患 为此 必须要对金属物体发生腐蚀的区 段实施防腐工程 为做到准确施工 必须在施工前查明腐蚀区段的分布 并确 定其位置 物探中的许多方法 如电化学方法 电阻率法和电磁法等均可在不 破坏介质的情况下 快速探测出金属物体的腐蚀区段 为防腐工程提供腐蚀定 位资料 此外 还介绍了由上述物探方法演变而成的金属腐蚀探测技术及其在 国外的应用实例 关键词 钢结构 腐蚀 处理措施 钢材 氧化膜 金属腐蚀 金属管 自然电场 极化阻抗 电阻率 精选范本 目录 1前言 3 2钢结构腐蚀的危害与防护 4 2 1钢结构的腐蚀与危害 4 2 1 1水引起涂膜的起泡脱落 4 2 2漆膜中溶剂引起的起泡脱落 4 2 2 1腐蚀的危害性 5 2 3钢结构的防腐蚀处理措施 6 2 3 1降低水剥离的方法 6 2 3 2降低溶剂起泡的方法 6 2 3 3加强设计选择和施工质量的控制 7 3金属腐蚀探测技术 8 3 1自然电场法 8 3 1 1金属管复试探测 8 3 1 2钢筋腐蚀探测 9 3 2极化阻抗探测技术 9 3 3充电法探测技术 10 3 3 1电位差测量 11 3 3 2磁场测量 12 3 4电阻探测技术 13 4金属腐蚀探测技术的应用 14 4 1探测石油管道腐蚀 14 4 2探测金属管涂层模拟破损试验 14 4 3充电法电位测量探测煤气管道涂层破损 15 4 4码头桥钢筋腐蚀探测 16 4 5极化抗阻法的应用试验 16 5结论 18 精选范本 1前言前言 金属腐蚀 即金属与其相接触的介质 作为电解质的水 发生电化学作用引 起金属的破坏 金属腐蚀的范围相当广泛 几乎涉及国民经济所有部门 腐蚀的危害已涉及到各行各业 全世界每 90 s 就有 1 t 钢铁腐蚀成铁锈 而炼制 1 t 钢所需的能源则可供一个家庭用 3 个月 由此可见 腐蚀实际上是对 自然资源的极大浪费 腐蚀破损或断裂不仅引起有害物质的泄漏 污染了环境 还会引起突发的灾难性事故 危及人类的安全 给国民经济带来极大的损失和 危害 在钢结构工程中 钢结构构件的防腐蚀非常重要 一个小腐蚀坑常常会 造成应力集中 引起裂纹折断 从而造成结构整体的失效 可见对钢结构的防 护是非常重要的 应引起高度重视 腐蚀监测被认为是实现现代工业文明生产的重要手段 腐蚀监测技术是由 实验室腐蚀试验方法和设备的无损检测技术发展而来的 其目的在于揭示腐蚀 过程以及了解腐蚀控制的应用情况和控制效果 当地下输送石油 天然气等流体物质的金属管和建筑物中的钢筋发生腐蚀 时 不仅使被输送的流体物质大量泄漏 导致重大经济损失 而且还会引发环 境污染并孕育安全事故隐患 为此 必须对金属物体的腐蚀区段实施防腐工程 达到防患于未然 这就需要在施工前查明腐蚀区段的分布 并确定其位置 为 防腐工程提供准确的腐蚀区段定位资料 物探方法是探测金属腐蚀的有效方法之一 世界上一些工业发达国家很早 就应用物探方法探测金属腐蚀 如前苏联在 20 世纪 30 年代就开始应用自然电 场法和电阻率法探测石油管道腐蚀 时至今日 物探中的许多方法 如充电法 瞬变电磁法 探地雷达法等均获得了有效应用 并在测量方法 信息提取与处 理和资料的解释等方面得到前所未有的发展 从而形成了由物探方法组成的金 属腐蚀系列探测技术 本论文将先介绍钢结构表面腐蚀的危害以及防护措施 然后介绍几种腐蚀 探测技术及其应用 以对金属腐蚀研究领域的成果做一简明的展示 精选范本 2钢结构腐蚀的危害与防护钢结构腐蚀的危害与防护 2 1 钢结构的腐蚀与危害 钢材在环境下的腐蚀属电化学过程 它的腐蚀速度与环境 湿度 温度及 有害介质的存在有关 其中湿度是 个决定性的因素 2 1 1水引起涂膜的起泡脱落 通过化学或机械处理的钢材表面接触空气时 立即生成一层氧化膜 其厚 度为 1 mm 3 mm 氧化物多以三价状态存在 如钢暴露在湿度大的环境或水 中时 阳离子铁与羟基在表面上沉积 当钢表面与水接触时 少量钙和钠离子 以表面杂质存在 当钢与含有氟化物水接触时 钢表面会含氟 当钢暴露到海 水或表面有含氯溶液时 钢表面含有氯 另外钢表面也有一定的镁及少量的硫 和硅 但钢表面最大的环境杂质是碳类物质 在钢材表面涂刷有机涂料 因表面存在许多有角度的缝隙和微小空穴 高 分子聚合物和低表面涂刷不能完全湿润这些缝隙 这样金属与有机涂膜之间存 在有非粘结处 水通过扩散或涂膜中的毛细管或孔隙 迁移通过涂膜到达金属 底材表面 聚积在那些非粘结处 在一定水压下涂膜就起泡 随着聚集水的增 多 压力增大 涂膜和金属的粘结处施加一个剥离力 使积聚水向侧面扩展引 起更多的界面失去粘结 一般情况下 相对湿度在 65 80 时 粘结力开始 下降 在湿度达到 90 时 就迅速降低 2 2 漆膜中溶剂引起的起泡脱落 1 泡胀引起的起泡 所有的有机漆膜浸渍在水中或暴露在湿度环境下都 会吸水 防腐蚀用的有机潦膜的吸水率为 3 左右 有填料的漆比清漆吸水更 多 水位于填料与粘结料的界面上 由于吸水漆膜泡胀引起相对于金属底材的 横向变形 但仍能维持相对稳定 当漆膜与底材界面上的应力带来的变形使漆 精选范本 膜失去粘结时 就会产生漆膜起泡 2 渗透起泡 在钢材表面上的保护漆膜起泡可以通过渗透机理分析 当 漆膜暴露在湿环境时 水分子可以通过漆膜到达涂膜与底材界面 并溶解水可 溶的组分 如漆膜 底材上的盐或亲水溶剂 水聚积在膜内 直至体积增至漆 膜不能再容纳时 漆膜失去粘结力起泡 如果涂了漆膜的钢结构开始受到腐蚀 时 由于受腐蚀区 低电位 和保护区 高电位 之间电位梯度的作用 湿气更容易 被吸收起泡 3 漆膜形成过程中引起的起泡剥落 保护膜不是多孔的 但掺入的溶剂 不能完全溶解树脂时 会形成微孔结构 如在漆膜中的挥发性溶剂先挥发 留 下难挥发的非溶剂的稀释剂 当树脂涂料的浓度接近 100 时 树脂在溶剂中 的溶解度较低 当聚合物发生化学交联以及聚合物的分子量在固化的后期急增 时 树脂溶解度变得较低 对漆膜形态结构在溶剂与非溶剂平衡作用的试验表 明 当留在漆膜中易挥发的物质是非溶剂占主导作用时 可以在漆膜中形成小 孔或微孔 在底材界面附近存在的微孔可以作为溶剂吸附的地方 如溶剂是亲 水的 在渗入漆膜的位置会形成气泡 4 金属基体引起的起泡 涂膜在实际运行中还会因金属基体的腐蚀过程 产物的积聚 阴极反应形成的碱 而导致涂膜的鼓泡 裂缝和脱落 在海洋环 境中生物的污损作用也可加速涂膜的失效 2 2 1腐蚀的危害性 钢结构的腐蚀危害性在于它是一种不均匀的破坏 损伤发生在阳极表面 一旦出现腐蚀坑 多会向纵深发展 有腐蚀产物的腐蚀坑的底部位是小阳极 而暴露在大气中的金属表面是大阴极 阳极表面积小 电流密度大 造成的腐 蚀速度快 腐蚀坑底部由于缺氧而酸化 形成自催化作用 加快向坑底纵深发 展的速度 这就是所谓的闭塞电池的现象 引起应力集中 又促使腐蚀坑底电 位变负 加快腐蚀进程 这种相互反馈的连锁反应是应力腐蚀的典型形式 引 起钢材抗冷脆性能下降 在无明显变形征兆的情况下 突然发生脆性断裂 尤 其在冲击荷载作用下危险性更大 因此 钢结构如不重视环境及采取必要防护 必将加速锈蚀速度 忽视日常的维护保养同样会发生由于严重锈蚀而引起承重 精选范本 构件丧失承载能力 造成钢结构的安全使用隐患 2 3 钢结构的防腐蚀处理措施 2 3 1降低水剥离的方法 1 增加金属表面的粗糙度 铝和钢分别经脱酯和喷砂处理后各自涂刷两 种不同涂料 在干燥相同时问后 将试件放入水中 然后测定粘附力变化 测 得数据见表2 1 从表2 1中可以看出 在暴露到水中前 喷砂处理的粘附力比 脱酯处理的好得多 两种涂膜到水后的变化基本相似 铝稍高一些 而钢明显 降低 但喷砂除锈比脱酯的附着力要高 暴露到水前后的粘附力 kg cm 2 脱酯处理喷砂处理金属品种涂料品种 暴露水前暴露水后暴露水前暴露水后 聚氨酯117118281288 铝 聚酰胺固化的环氧207255281281 聚氨钢 聚酰胺固化的环氧199177264222 表2 1 和钢经不同表面处理粘附力变化情况 2 在涂膜前对金属表面进行预处理 也能在很大程度上提高涂料与金属 的粘结和防腐性能 预处理的作用是 代替金属表面常见的氧化物 为有机涂 膜提供具有不同化学特性的转化物 使金属和有机涂层之间的界面对氧气的阴 极还原反应更弱 使金属和有机涂膜的界面区具有较低的导电性 可显著减弱 界面上阳极和阴极反应 3 对钢材表面用硅烷进行处理 会使涂膜的阴极剥离灵敏度降低 2 3 2降低溶剂起泡的方法 以溶剂为主的油漆涂膜在较长时间内残留一些溶剂 常会高于涂膜的使用 时间 有机漆膜防止腐蚀失去保护作用的第一个标志是漆膜起泡 认真选择涂 料的配方可以显著减少气泡的生成 以延长涂膜的时间 精选范本 选择涂料的溶剂挥发必须保持平衡 在烘烤漆膜时 溶剂挥发的不平衡 有时会在涂膜中产生气泡 溶剂的亲水和疏水也会影响漆膜的耐起泡能力 亲 水溶剂有利于加快气泡的形成 特别是渗透起泡 在油漆中使用活性溶剂 在 水中的溶解度和漆膜的耐起泡能力之间有相反的关系 亲水性溶剂易引起起泡 所以选择疏水性溶剂亦能减少气泡的生成 现已生产的低挥发性烷基醋酸酯作 为高性能保护油漆优选疏水性溶剂 这种高沸点的烷基醋酸酯溶剂具有能为漆 膜耐起泡能力所需的特性 为合成油漆树脂提供良好溶解能力的醋酸酯 2 3 3加强设计选择和施工质量的控制 钢结构的防腐蚀是钢结构设计 施工和使用要重点解决的问题 它涉及安 全使用的耐久性 腐蚀是一种自然现象 显然要消除钢材表面的腐蚀是非常困 难的 但如果使用绝缘性的保护层把钢结构与腐蚀介质隔开 腐蚀原电池不能 产生 可达到防腐蚀目的 除上述的防腐蚀方法外 钢结构的防腐蚀还应采用 钢材本身的抗腐蚀 即采用具有抗腐蚀能力的钢材 长效防腐蚀方法 即采用 热镀锌 热镀铝复合涂层进行钢材表面处理 使钢材的防腐蚀年限达30年或更 长 对地下及水中钢结构采用阴极保护 即电化学保护方法 涂层保护 即刷 防护膜保护 依靠简单的屏蔽作用的涂层难以有效地阻止腐蚀的发生 一旦水和氧通过 漆层缝隙进人金属表面 锈蚀依然发生 因此 为了长效防腐的目的 常采用 电化学的保护方法 即阴极保护 在大气环境中 由于腐蚀介质 水膜 的不连 续性 不能形成回路 无法应用普通电化学保护方法 只有采用牺牲阳极功能 的涂层 才能达到保护阴极的作用 普通油漆只具备屏蔽功能 保护时间很短 锈蚀会在漆膜下发生 引起漆 层起泡脱落 加上漆层为有机物 在大气中易老化丧失保护能力 对于大气环 境中长期使用的钢结构 国外多采用锌或铝金属涂层保护 除了有一定的屏蔽 功能外 更具有阴极保护作用 但随着锌 铝的消耗 保护性能会降低 为此 采用同时兼备阴极保护 屏蔽 缓蚀三大功能 老化寿命长的无机涂层是钢结 构在大气环境中最好的防腐方法 精选范本 3金属腐蚀探测技术金属腐蚀探测技术 3 1 自然电场法 金属腐蚀是金属与其相接触的介质 主要是作为电解质的水 发生电化学作 用的结果 因此 在金属腐蚀空间存在着氧化 还原电位 即自然电位之一 通过测量其分布 则可推测腐蚀的位置 由于金属管和钢筋所在的介质和分布 特征不同 探测技术亦不一样 3 1 1金属管复试探测 为了快速探测地下金属管腐蚀 Deskins和Waits 1983 等曾提出硫酸铜电极 鞋 图3 1 a 与不极化电极拐杖测量方法 两者均是边走步边测量 但由于测量 结果误差大 故而只适合大面积粗查 为了进一步提高测量效率 石川等 1981 又 提出了自动电位测量方法 图3 1 b 在长距离金属管道上的地表预先准备好许多 测点 由主控台按顺序向各子台发出开始测量信号 利用管道作信号传输体 各分台将测得的结果传输给主控台 该方法的最大特点是无需另备电缆 如中 途设置中继装置 使信号传送不受距离限制 图3 1 不极化电极鞋 a 和自动电位测量 b 示意图 精选范本 在实际工作中应用较多的是3电极法 它们垂直管道等距排列 测量电极始 终保持在管道上 并为记录点 根据沿管道测得的记录点上的电位变化曲线 则可推断管道腐蚀区段 3 1 2钢筋腐蚀探测 钢筋腐蚀的自然电场探测技术包括自然电位测量技术和腐蚀评价技术 1 自然电位测量技术 测量设备包括输入阻抗大于100 M的直流电位计和接触性能良好的参考 不极化电极 按图3 2所示 连接后即可进行测量 仪器读数减去不极化电极的 基准电位值即为测点的电位 根据此电位值绘制等电位分布图 图3 2 自然电场法的测量装置布置图 山本 悟 1998 2 腐蚀评价技术 腐蚀评价即根据自然电位特征 推测钢筋的腐蚀几率 当前 主要依据已 制定好的腐蚀评价标准 利用电位值的大小进行评价 如美国ASTM C876腐蚀 评价标准中指出 自然电位测量值低于 350 mV 钢筋发生腐蚀的几率大于 90 其他国家 如日本亦有类似的标准 此外 应用电位分布特征及其随时间变化规律的评价方法尚处在研究之中 3 2 极化阻抗探测技术 根据电化学腐蚀理论 极化阻抗能有效地表示金属腐蚀程度 精选范本 当给钢筋或金属管输入一个小信号扰动 电位 mV 电流 与电 E 20 I 位存在直线关系 即 极化 3 1 E R I 式中 极化称为极化阻抗 它与腐蚀电流腐蚀的关系为 RI 腐蚀 极化 3 2 I k 1 R 式中 称为换算系数 其值由金属种类和环境决定 根据公式 3 1 和 3 2 k 通过测量 极化即可对金属腐蚀进行评价 R 极化阻抗测量电极装置见图3 3 在图3 3 a中 有3个电极 CE RE WE 即连接钢筋的工作电极 WE 参考电极 RE 和辅助电极 CE 这种装置的缺点 是 CE的电流进入混凝土后即发生扩散 不能有效地流入钢筋 为了克服此缺 点 1987年 John等提出了4个电极的新装置 图3 3 b 在该装置中 环状辅助 电极CE外又增加了一个环状电极CE1 又称屏蔽电极 起作用是防止电极CE中 的电流发生扩散 为了减轻装备重量 缩短测量时间 又研制了便携式双矩形脉冲 160 Hz和 0 25 Hz 的测量新装置 但目前 极化阻抗探测技术在室外仍处于应用试验阶段 图3 3 3个 a 和4个 b 电极装置图 望月紀保 1999 精选范本 3 3 充电法探测技术 充电法在金属腐蚀探测中具有非常广泛的应用 它通过测量充电电流在管 道被腐蚀穿透点产生的电位和磁场变化对腐蚀定位 从而形成了电位和磁场测 量法 3 3 1电位差测量 国产较先进的电位差测量仪是SL系列地下管道防护层探测检漏仪 SL 6型 仪器的检测精度达到了0 25 mm 最新的SL 2098型具有对管道腐蚀部位定位 测深和识别 腐蚀部位 大小等多种功能 国外最新研制出的电位测量仪型号很多 其中 迈克尔 1和MS迈克尔型比 较先进 图3 4为其组成示意图 在管道涂层破损部位 即腐蚀部位的上方 充 电电流产生的电位最大 而电位梯度为零 因此 根据测量出的电位梯度信号 强度 振幅 及其相位变化曲线即可确定涂层破损位置 从而对腐蚀定位 精选范本 图3 4 迈克尔 1 a 和迈克尔型 b 测量系统 在迈克尔 1型测量系统中 对金属管输入低频正弦波信号 用带通滤波器 进行信号鉴别 开展信号强度测量 由于受信号鉴别方式的制约 提高测量灵 敏度比较困难 为此 在MS迈克尔探测系统中 输入信号改用M系列随机模拟 信号 通过对由地面电极检测出的信号和输入的M系列信号 以及相同的参考 信号进行相关处理 可有效抑制干扰 并有可能检测出地面电位梯度信号相位 反转 在相关处理中为了克服波形畸变 宜采用正弦波M系列代替矩形波M系 列信号 这样做的好处是 使信号在传送中不受频率波段限制的影响 使波形 畸变得以控制 从而获得稳定的相关波形 MS迈克尔型检测仪具有许多技术特征 如输出电压可在0 100 V之间调节 车载测量装置其导电性车轮作为电机等 精选范本 3 3 2磁场测量 图3 5 充电法磁场测量系统方框图 奥野和男 1999 国外磁场测量仪器型号也很多 如雷迪PCM DCVD RD 432 莱康8875 等 图3 5是日本最新进入市场的一种 其最大技术特征是采用2个倾斜线框接 受磁场信号 信号被放大器 AMP 增强后 带通滤波器 BPF 消除非信号频率杂 音 移相电路将其移相后 乘积电路完成各信号间的相关演算 低通滤波45 器 LPF 从乘积电路得出的相关输出信号中消除交流成分 提取直流成分 平方 电路给出直流相关输出和 从加法器即可得到平方和输出 E1E2 采用2个倾斜接受线框比只用一个要好 可将灵敏度提高2倍 3 4 电阻探测技术 土壤对金属管的腐蚀性取决于其含腐蚀因子 如水 盐离子等 的多少 含 腐蚀因子多时 腐蚀性大 电阻率反而减小 因此 可将土壤电阻率作为判断 其腐蚀程度的指标 如美国把具有低腐蚀性土壤的电阻率指标定为50 m 高 腐蚀性土壤定为7 10 m 前苏联将低腐蚀的定为100 m 高腐蚀的定为 5 10 m 在实际工作中 也将电阻率值激烈变化的土壤定为具有高腐蚀性 电阻率探测技术可为铺设新管选择线路 又可与其他方法联合应用查明管 道腐蚀区段 工作时无需采用新装置 但供电和测量电极距应适当缩短 如要 获得土壤真电阻率 可采用温纳 Wener 装置 此时电阻率计算公式为 精选范本 3 3 2 aR 式中 指地电阻仪读书 R 测量电极MN距离 cm m a 由于温度影响电阻率测量结果 还要应用下式对其进行温度校正 3 4 15 1 t 15 式中 温度为15 时的土壤电阻率 15 测量时土壤温度 t 温度系数 一般为2 精选范本 4金属腐蚀探测技术的应用金属腐蚀探测技术的应用 4 1 探测石油管道腐蚀 图4 1是前苏联应用自然电场法和电阻率法在一段石油管道上方测量的结果 图4 1中的 1 为电阻率曲线 2 为自然电位曲线 在254 260 m之间 电阻率曲 线高低变化较大 而自然电位基本为负值 这种变化特征表明 此区段的金属 管已被腐蚀 而260 264 m区间为完好管道 经揭露验证 测量结果与实际情况 相符 图4 1 石油管道腐蚀与非腐蚀区段电阻率和自然电位实测曲线 达赫诺夫 1953 4 2 探测金属管涂层模拟破损试验 图4 2 管道涂层破损磁场测量 奥野和男 1999 精选范本 金属管涂层破损处往往发生腐蚀 所以在图4 2所示的管道上 距坐标原点 12 m处的涂层面设计一个模拟破损 按图所示 向金属管道输入电流 镁为电防 腐蚀装置的一个电极 在管道上方地表 采用2个与地面成角的倾斜线框接45 收磁场 从图4 2可清楚地见到距金属管破损的上方 测量到一个3 V的磁异常 最大值 在13 m以外涂层完好的金属管道上 磁场平稳 且接近零 在5 10 m 异常为电缆产生的磁场干扰 4 3 充电法电位测量探测煤气管道涂层破损 在长600 m一段煤气管道 管径155 m 上方的地表进行测量 向管道输入M 系列信号 信号强度为1 A 测量仪器为MS迈克尔型 测量前应向地面撒水 以减少车轮电极与地面之间的接触阻抗 图4 3是实际测量结果的一段纸带记录 这是对连续测得的信号随即进行相关处理后得到的 纵轴表示信号强度 横轴 表示距离 电位梯度强度曲线与相位曲线的交点为电位梯度零点 即为涂层破 损点 亦即金属管腐蚀点 图4 3 管道涂层破损电位实测结果 根据电位梯度 还可以进一步推算涂层破损面积 其计算公式如下 4 1 A 2 V Vp 2 1 d 1 1 d2 式中 破损面积 m2 A 金属管对地电位 V Vp 金属管埋藏深度 m d 精选范本 测量电压值 V V 4 4 码头桥钢筋腐蚀探测 国外某海港一座码头桥长期处于亚热带海洋气候环境 在其服役的23 a中 海水引起的钢筋腐蚀威胁着工人的安全 为此 应用自然电场法对桥梁钢筋腐 蚀进行评价 于是在桥面开展测量 测量点距为50 cm 测量结果见图4 4 图4 4 码头桥桥板自然电位分布图 山本 悟 1998 测量点距为50 cm 1 200 mV 2 250 200 mV 3 300 250 mV 4 350 300 mV 5 400 350 mV 6 450 400 mV 7 450 mV 根据美国ASTM C876和日本的腐蚀评价标准 在自然电位值 400 200 mV 之间分布的钢筋 其腐蚀几率 90 因此 整个测区 即全部钢筋都在发生不 同程度的腐蚀 为了获得码头桥钢筋被腐蚀的准确资料 应该采用多种方法进行综合探测 4 5 极化抗阻法的应用试验 为开展方法试验 在具有亚热带气候的海岸建立一个专供方法试验用的构 筑物 为了进行探测结果的对比 一部分混凝土加入一定量的食盐 称为含盐 部分 靠近海岸的混凝