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1、 1 热喷涂技术在钢结构桥梁的防腐蚀领域的应用热喷涂技术在钢结构桥梁的防腐蚀领域的应用李承宇1，王会阳1，晁兵2， 倪雅2， 李萍2， 刘国彬2（1 中国矿业大学材料学院，徐州 221008； 2 江苏中矿大正表面工程技术有限公司，徐州 221008）摘要：热喷涂层技术广泛用于钢结构桥梁的腐蚀防护领域，相关的研究涉及工艺、材料、检测等方面。本文简单介绍了国内外热喷涂层技术在钢结构桥梁上的应用，并就其复合涂层的特点做了论述，最后举例说明了这项技术在具体桥梁上的应用现状。关键词：钢桥梁；防腐蚀；热喷涂；应用 Application of Thermal spraying in the area o
2、f steel bridges anti-corrosion Li Cheng-yu1, Wang Hui-yang1, Chao Bing2, Ni Ya2, Li Ping2, Liu Guo-Bin2 (1 School of materials science and technology CUMT, Xuzhou 221008; 2 Jiangsu CUMT Dazheng surface Engineering Technology Co. Ltd, Xuzhou 221008) Abstract: The technology of Thermal spray coating i
3、s widely used in the field of corrosion protection of steel structure bridges, related studies involving technology, materials, testing, etc. This paper introduces the thermal spray coating technology applications on the steel bridges in home and abroad, and then discusses the characteristics of the
4、 composite coating. At last some examples of this technology applications on the status of the bridge are given. Key words: steel bridge; thermal spray; anti-corrosion; application随着我国基础设施建设步伐的加快，我国桥梁的建设取得了飞速的发展，仅长江上就已建成几十座大桥。桥梁几乎都建在江河湖海之上或中心城市之中，桥梁承受着交变载荷和 SO2、雨水、凝露、海水甚至台风等多种因素的影响，使桥梁的腐蚀防护问题已成一个重要的
5、课题1。钢桥梁具有跨越能力大、强度高、建设速度快、施工期限短等特点2，被世界各国广泛采用。钢桥梁外表面直接暴露于所处区域的大气环境中，环境因素（如风雨、潮湿、大气污染等）和使用过程（如桥梁振动、承受动载和静载等）直接影响到钢结构的腐蚀进程，所以选择合适的重防腐配套体系，同时进行细致的涂装施工，才能保证涂层结构的长效防护3。在 20 世纪 2030 年代以前，欧洲和北美发达国家建造一些钢桥，因为当时防腐技术不能提供长久的腐蚀保护，这些钢桥投入运营后腐蚀严重，及时进行定期的刷油漆维护也不能获得满意的保护，只能将这些钢桥降级使用，或续建第二座桥，造成巨大的经济损失。世界上，好多地区都存在桥梁遭受严重
6、腐蚀而出现严重事故的范例，美国俄亥俄州大桥使用 40 年后，在 1967 年突然断裂，导致 46 人丧生，调查表明，倒塌原因是大气腐蚀造成的应力腐蚀开裂4。腐蚀不仅浪费了大量的人力物力，也大大缩短了桥梁的使用年限。桥梁钢结构的腐蚀防护日渐成为人们关注的课题，只有在设计建造的同时，对其进行有效的防腐保护，才能确保钢桥的长久寿命。热喷涂防腐蚀复合涂层技术作为钢桥梁长效防腐的有效方法，得到世界上大多数国家的认可5,6,7。1 国内外桥梁钢结构腐蚀防护技术国内外桥梁钢结构腐蚀防护技术热喷涂技术经 100 年的发展至今，已具有多种多样功能的涂层类型和相应的喷涂方法，并以其独特的有点，在国民经济各部门（从
7、航空航天、机械、动力、冶金、化工和石油、交通运输、铁道、轻工纺织、电子仪器以及建筑、水利等领域）获得广泛的应用8。在欧洲和北美地区钢桥的防腐蚀发展过程是：20 世纪 40 年代以前为油漆防腐为主；5070 年代为重防腐涂料防腐、热浸锌防腐、火焰喷涂防腐、电弧喷涂防腐并存，80 年代后，随着电弧喷涂技术的不断发展，工艺的不断完善，电弧喷涂防腐与火焰喷涂相比涂层结合力高、生产效率高，因而得到了广泛的应用， 2 初期大多为喷涂锌，现在电弧喷涂铝及锌铝合金日渐成为防腐蚀发展的趋势。1.1 英国钢桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用英国钢桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用1939 年，英国首次采用热喷涂锌涂层保护新建的威
8、尔士 Menai 海峡大桥的钢链和部分钢结构，经过50 年的使用，到 1989 年其钢铁基体仍然收到很好的保护8。苏格兰 Qucesferry 公路桥，长 3.6km，处于多风的海洋环境；该桥采用的防腐工艺是热喷涂锌涂层+磷化底漆+云母氧化铁面漆。大桥使用 13 年后仅对部分油漆脱落处进行少量维修。1986 年，该大桥的管理负责人说：“热喷涂防护非常有效”，其维修工程师说：“热喷涂锌涂层可以有效保护恶劣环境下的钢结构，尤其是大桥上一些难以接近的部位”9。1.2 美国钢桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用美国钢桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用美国利用热喷涂方法对钢结构桥梁进行防腐保护也比较早，早在 1936 年
9、，美国密苏里州堪萨斯城的一座桥就利用氧乙炔焰喷涂了 0.250.3mm 厚的纯锌涂层，40 年后检查其防腐效果良好。美国费城的一座钢结构桥梁，在处于恶劣的腐蚀环境中蒸汽机车、内燃机车、公路上汽车尾气都增加了大桥的腐蚀因素。1937 年，大桥被喷涂了 0.25mm 的纯锌涂层。55 年后，检查人员发现锌涂层仍然很好地保护着钢铁基体10。1.3 日本刚桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用日本刚桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用鉴于热喷涂在多个领域应用的成功经验，欧洲、北美的许多国家以及日本也认识到热喷涂防腐技术的优越性和巨大的市场潜力。他们纷纷参加到研究、开发和应用热喷涂防腐蚀技术的行列。从 1963 年开始，日本
10、就对一些新建的在海洋环境下服役的大桥采用了热喷涂防腐蚀方法。如皇居二桥、神户大桥等都是采用火焰喷涂 75m 的锌涂层，外面涂磷化底漆和云母氧化铁中间漆以及氯化橡胶面漆的涂层8。1.4 国内钢桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用国内钢桥梁防腐蚀热喷涂技术的应用在国内，热喷涂技术应用于防腐领域始于 20 世纪 50 年代，用的最成功的防腐涂层是锌、铝涂层。几十年来，热喷涂技术已得到了较大程度的应用和发展，热喷涂行业已逐渐形成规模，并进入到新的快速发展的阶段。热喷涂技术最早应用在钢结构桥梁上是 1965 年在南京长江大桥的钢梁顶面，采用了热喷涂锌涂层外加 6 层耐磨涂料的防护工艺，防护效果相当不错11。近年来
11、，我国的许多座新建的刚桥梁都采用了热喷涂防护方法，例如武汉军山长江大桥、广东深圳湾大桥等百座都采用了热喷涂防腐技术 12。钢结构桥梁数量与日俱增，相应地钢材的腐蚀问题也日益突出，由此引发的损失也不断增加，腐蚀给社会和国家带来了损失，所以开发和推广钢结构长效防腐技术有很大的意义。热喷涂技术在防腐领域中的应用，无论在国内还是国外、技术还是工艺都有较快的发展，比如在工艺和设备方面向高能高速方向发展、在喷涂材料方面向高品质、专业化和系列化方向发展、在高薪技术组合方面向自动化方向发展等，总之，热喷涂在防腐蚀领域有举足轻重的作用，其防腐效果也都收到了很好的经济效益和社会效益。2 热喷涂复合涂层体系热喷涂复
12、合涂层体系2.1 热喷涂技术热喷涂技术热喷涂技术是指利用不同的热源来加热各种被喷涂的材料（如金属、合金、陶瓷、塑料及复合材料等）至熔融状态，并借助于雾化气流的加速使其形成“微粒雾流”，高速喷射到经过表面预处理的工件上，形成与基体紧密结合的堆积状喷涂层的技术。图 1 是热喷涂原理示意图，固态的喷涂材料通过热喷涂设备后被热源加热至熔融态，然后被雾化气流高速喷射到基体表面形成涂层。这个热喷涂过程又可分为四个部分：材料熔化、雾化和加速、粒子束飞行和涂层形成13。 3 图图 1 热喷涂原理示意图热喷涂原理示意图 1材料熔化；材料熔化；2雾化和加速；雾化和加速；3粒子束飞行；粒子束飞行；4涂层形成涂层形成
13、2.2 热喷涂复合涂层体系热喷涂复合涂层体系目前，桥梁钢结构防腐结构主要是喷涂锌、铝及其合金等，然后在金属涂层上面涂专用的防腐封闭涂料进行封闭处理，最终形成由金属喷涂层+封闭涂层+面漆组成的重防腐体系，从而达到理想的防腐效果14。热喷涂防腐复合涂层的特点是：（1）耐腐蚀寿命长，其防腐寿命可以达到 3050 年。（2）热喷涂层与钢材基体结合良好，即使受到一定的外力损坏也能确保防腐涂层不脱落、不起皮、结合牢固。（3）热喷锌、铝涂层防腐原理为阴极保护，在腐蚀环境下，即使防腐涂层局部破损，仍具有保护钢体的效果。（4）喷涂涂层(阳极)与钢铁基体(阴极)的面积比1，优于富锌涂料防腐涂层15。热喷涂所选用的
14、防腐金属丝材一般为铝、锌或锌铝合金，原因是铝和锌的标准电极电位都比铁低（锌为-0.76V，铝为-1.67V，铁为 0.77），因此 Al、Zn 涂层具有牺牲阳极的阴极保护作用；Al 涂层还有很强的钝化作用，因此 Al、Zn 及其合金涂层在腐蚀介质中；腐蚀比较缓慢，具有良好的耐腐蚀性能。从理论上分析 Al 的自腐蚀电位比 Zn 低；能与钢材基体构成较大的腐蚀电位差；防腐蚀效果较为理想；在热喷涂铝的工艺中，铝与钢材基体形成机械和冶金相结合的涂层，金属铝在雾化过程中，与气流中的氧气反应，在涂层中形成致密的氧化铝保护层，有效隔离外部腐蚀介质对钢材基体的腐蚀。然而金属喷涂涂层也有其致命的缺点，那就是涂层
15、一般都具有一定的孔隙率，因此当喷涂层是作为防腐蚀涂层时，对金属喷涂层进行封闭处理是必要的一项后处理过程。对金属喷涂层进行封闭处理，即在涂层上加封闭涂料做封孔处理，尽可能地将涂层孔隙封住，以此来获得防腐寿命更长更理想的涂层体系，形成复合涂层。封闭涂料作用一方面是填补了金属喷涂层中的微小孔隙，隔绝腐蚀介质对金属喷涂层和基体材料的侵蚀，同时它对腐蚀也起到一定的抑制作用，封闭涂层可以渗透到涂层的孔隙中，将金属喷涂层的孔隙封闭住，并在金属喷涂层表面形成一种隔离保护涂层，阻止腐蚀介质透过涂层孔隙形成穿孔腐蚀，不仅钢基体不被腐蚀，同时也保护了金属喷涂层，所以明显延长了金属喷涂层的防腐蚀寿命16。；另一方面，
16、在复合涂层中，金属铝喷涂层对钢铁基体具有阴极保护作用，同时有机涂料本身的耐腐蚀性能还会与 Al 涂层发生协同效应，这种在金属喷涂层上进行封闭处理后所组成的复合涂层可以获得最佳协同作用，其耐蚀寿命比金属喷涂层和封闭涂层两者单独耐蚀寿命之和要高 50% 130 %，从而使复合涂层的耐腐蚀性能大大提高17。由电弧喷涂金属涂层和有机封闭涂层组合在一起的防护涂层体系，就称为电弧喷涂复合涂层体系。复合涂层体系的结构如图 2 所示，它是由阳极性金属喷涂层+涂料封闭底层+涂料封闭中间层+涂料封闭面层组成。涂料封闭底层主要起封孔作用，应与金属喷涂层有良好的相容性，能充分渗透并填充金属喷涂层的孔隙并附着良好。涂料封闭中间层是封闭和隔离层，耐蚀性好。涂料封闭面层应对腐蚀环境有适应性，能耐腐蚀和耐大气老化。根据国际公认的最佳协同效应，这种复合涂层体系的防腐蚀寿命是单一阳极性金属涂层与单一防腐蚀涂料涂层之和的 1.52.3 倍12。 4 图图 2 电弧喷涂复合涂层体系结构示意图
