钢结构的近海大气腐蚀研究

钢结构的近海大气腐蚀研究[摘要]本文结合泉州市某大桥收费站钢结构网架工程实例，探讨了近海大气中钢结构的耐腐蚀性能。分析了近海大气环境中，影响钢结构腐蚀的原因，钢结构腐蚀的类型和机理，并提出了近海大气中钢结构的防腐措施。[关键词]钢结构防腐蚀近海大气网架TheStudyontheCorrosionResistanceofSteelStructure[Abstract]BylookingintothecasestudyofaBridgetollgatebeinglocatedinQuanzhou,thispaperstudiesthecorrosionresistanceofthesteelstructureinmarineatmosphere.Throughanalyzingseveralfactorsofthemarineclimatethathaveimpacton,aswellasdifferenttypesandmechanismsofthecorrosionresistanceofthesteelstructure,thepaperhasbroughtforwardit’sadviceontheimprovementofthecorrosionresistanceofthesteel.[Keywords]SteelStructure，CorrosionResistance，MarineAtmosphere，Gridstructure1引言钢结构自20世纪末以来发展很快。一些超高层建筑、工业厂房建筑、大桥建筑、高架立交、体育和文化场馆的网架结构、塔桅建筑等，采用钢结构的越来越多。现已开始进入住宅领域。伴随我国国民经济的发展，钢产量的不断增长和钢结构施工技术水平的不断提高，钢结构建筑必将成为新的建筑经济增长点。但是，钢结构的广泛应用也暴露出其一系列缺点。易腐蚀是钢结构的致命缺点之一。钢结构一旦被腐蚀，其强度、塑性等主要力学性能指标显著下降，严重地降低了钢结构构件和建筑物的安全性和耐久性。我国东南沿海地区，经济发展迅速，近几年钢结构在该地区应用已经十分普遍，在沿海地区海洋气候条件下，钢结构的腐蚀尤为严重。因此，从节约有限资源和能源的角度出发，研究钢结构的近海大气腐蚀对国民经济的发展显得十分重要。2工程实例泉州市某大桥收费站〔Fig.1〕，地处晋江入海口。设计使用年限五十年，主体结构为钢基金项目：福建省科技重大专项前期项目（2005ZY1016）；福建省自然科学基金项目（E0510022）；福建省泉州市科技重点项目（2007G7）结构网架，采用普通碳素钢，使用热喷铝仿腐处理，外刷防锈漆，屋面板采用彩色压型钢板，1997年建成投入使用，迄今为止，10年间未进行防锈维护。Fig.1.泉州某大桥收费站钢结构网架该工程地处泉州地区，经度118.6，纬度24.9，环境类型为亚热带湿润区海洋大气。据调查，主体钢结构网架锈蚀程度十分严重，节点管壁均出现整体锈蚀（Fig.2）。屋面水槽完全损坏，出现脆性断裂（Fig.3）。与之形成对比的是屋面彩色压型板，受腐蚀程度轻，仅在局部出现若干点腐蚀。Fig.1.泉州某大桥收费站钢结构网架Fig.2.节点管壁整体锈蚀Fig.3.水槽Fig.2.节点管壁整体锈蚀Fig.3.水槽3导致钢结构严重锈蚀的原因3.1湿度该工程所处地区空气湿度RH>75%。钢铁的临界湿度一般在60％一70％之间。研究表明，低于临界湿度时，钢铁表面受到的是化学腐蚀，其锈蚀速度不大。当高于临界湿度时，其腐蚀类型由化学腐蚀转变为电化学腐蚀，锈蚀速度突然增加，此时锈蚀影响是很大的。3.2温度地处亚热带，年平均气温19.5℃～21℃。大气的水蒸含量随气温的升高而增大。同时气温高促使锈蚀加剧，尤其在潮湿的环境里，气温越高锈蚀越快。相对湿度较低的时候，温度的影响还不大明显，但高于临界温度时，随气温升高，锈蚀程度急剧增大。另外，大气与钢材之间的温差导致在刚才表面形成冷凝水，也加剧了3.3大气中所含的介质近海大气中含有大量的，钢材上盐分的沉积量大。同时，泉州市空气中含量高，年降酸雨频率大于90%。空气中的腐蚀性粉尘等因素也加速了钢材在大气中的腐蚀。该大桥为泉州主要交通干道，车流量年均7百万辆次以上，大量的汽车尾气也是大桥钢结构腐蚀源之一。3.4镀锌层厚度不够及未定期涂刷防锈漆维护 该工程主体钢结构网架，采用电镀锌防锈蚀，研究表明，锌层对钢铁的保护寿命与锌层厚度成正比。根据该地区的环境，锌层厚度，才能有效保护钢材。防锈漆应一至两年一次，而该工程自建成以来未重刷防锈漆。4．结构腐蚀类型和机理分析4.1.大气腐蚀Fig.4.大气腐蚀该结构中最普遍的为大气腐蚀〔Fig.4〕。主要是由空气中的水和氧气等的化学和电化学作用引起的。大气中水汽形成金属表层的电解液层，空气中的氧溶于其中作为阴极去极剂，二者与钢构件形成了一个基本的腐蚀原电池。在钢构件表面形成锈层后，腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应，进一步加剧腐蚀。Fig.4.大气腐蚀4.2局部腐蚀局部腐蚀也是常见的破坏形态〔Fig.5〕，主要包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在不同金属组合或者连接处，其中电位较负的金属腐蚀速度较大，而电位较正的金属受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。研究表明，接触金属的电位差为电偶腐蚀的驱动力，两种金属的电极电位差愈大，电偶腐蚀愈严重。缝隙腐蚀，发生多发在具备腐蚀条件的缝隙，缝隙中必须有一定的液体。缝隙宽度必须窄到可以使得液体在缝内停滞，钢结构的缝隙腐蚀最敏感的缝宽0．025－0.01mm。最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等。4.3应力腐蚀Fig.5.局部腐蚀相同条件下，受载结构比未受载结构腐蚀程度大得多。经过一段时间构件会发生突然断裂，且事先没有明显的征兆，往往造成灾难性后果。Fig.5.局部腐蚀5近海大气中钢结构防腐蚀措施5.1防腐材料采用耐候钢。耐候钢的优点是不需维护，虽然价格偏高，但在结构寿命期内的总费用却较普通钢材低。研究表明，耐候钢中添加了一定量的铜Cu、镍Ni、钴Co等合金元素，产生富集，内锈层形成的结晶程度降低、晶粒细化的FeO连续致密锈层，能将阳极活性点覆盖起来，是非静态的稳定锈层，能阻碍有腐蚀性的气氛和介质向基体渗透，使氧在锈层中扩散反应速度慢，而且也抑制了阳极过程。但是，耐候钢因加入了各种元素，影响其焊接性能，因此必须重视焊接热影响部位的低温裂缝。5.2防腐技术5.2.1热浸锌、热喷铝热浸锌是将除锈后的钢构件浸600℃左右高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，从而起到防腐蚀的目的。此方法耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定。大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中。热喷铝相对于热浸锌，构件形状尺寸几乎不受限制，受热区域是局部的，不会产生热变形，工业化程度较低。此法镀锌层厚度宜，方能有效防护。5.2.2涂料防腐涂料是目前最常用的方法。普通的防腐涂料必须定期维护，在近海洋大气环境中，一到两年需重新涂刷，并注重施工工艺。新型无机富锌、聚氨酯系列涂料，适用于严重腐蚀环境下的室外钢结构，为高性能长效防护涂料。Table1截面形式与相对腐蚀速度的关系Table1截面形式与相对腐蚀速度的关系5.3防腐设计5.3.1钢结构的形状 对该工程的研究进一步证实：处于同一腐蚀环境下的钢结构，不同截面形状腐蚀速度相差很大，Table1以圆管截面的腐蚀速度为参照，列出不同截面形式与圆管截面相对腐蚀速度的关系。 在应力集中的部位，腐蚀程度也较为严重。在结构设计的同时，应结合强度和应力的平衡设计，避免承载部件产生应力集中。为了减少应力腐蚀倾向，钢构件不应有切口、尖角等形状出现，而应有足够的圆形过渡。5.3.2避免异种金属材料直接接触，在相接触的金属材料间插入绝缘材料。尽可能选择电位相近的材料进行匹配。采用加入第三种金属材料，降低异种金属材料的电位差。改变异种金属材料的阴阳极面积比。对该工程的调查发现，焊接部位的腐蚀程度相对较严重〔Fig.6.〕。注意焊条成分，应与母体材料一致，或按材料种类选择合适的焊条，以防止电偶腐蚀的发生。5.3.3结构上尽量避免缝隙、死角Table2避免结构产生缝隙死角的方式Fig.6.焊接部位电偶腐蚀 缝隙会引起腐蚀，特别是钢结构部件的连接和支撑处是造成缝隙和死角的场所，在设计中应予充分考虑（Table2）。选择不易形成缝隙的法兰结构，使用不吸湿垫片，垫片内径应与法兰盘内径相同；尽量避免使用铆接结构，铆接的结构存在缝隙。一定要用铆接方法的话，应加垫片；Table2避免结构产生缝隙死角的方式Fig.6.焊接部位电偶腐蚀参考文献：[1]王振尧,于国才,韩薇.我国自然环境大气腐蚀性调查[A].中国腐蚀与防护学报,2003,24(8):323-344.[2]萧以德,李兴廉.电镀锌层的大气腐蚀行为研究[J].防腐科学与防护技术.1995,7(3).:187-191.[3]张启富,郝晓东.钢结构腐蚀防护现状和发展[J].中国建筑金属结构,2006(9):22-26.[4]刘人仪.管型钢屋架结构的应力腐蚀分析[J].四川建筑.2000,20