鋼結(jié)構(gòu)的近海大氣腐蝕研究

鋼結(jié)構(gòu)的近海大氣腐蝕研究[摘要]本文結(jié)合泉州市某大橋收費(fèi)站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工程實(shí)例，探討了近海大氣中鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能。分析了近海大氣環(huán)境中，影響鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的原因，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的類型和機(jī)理，并提出了近海大氣中鋼結(jié)構(gòu)的防腐措施。[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕近海大氣網(wǎng)架TheStudyontheCorrosionResistanceofSteelStructure[Abstract]BylookingintothecasestudyofaBridgetollgatebeinglocatedinQuanzhou,thispaperstudiesthecorrosionresistanceofthesteelstructureinmarineatmosphere.Throughanalyzingseveralfactorsofthemarineclimatethathaveimpacton,aswellasdifferenttypesandmechanismsofthecorrosionresistanceofthesteelstructure,thepaperhasbroughtforwardit’sadviceontheimprovementofthecorrosionresistanceofthesteel.[Keywords]SteelStructure，CorrosionResistance，MarineAtmosphere，Gridstructure1引言鋼結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)末以來發(fā)展很快。一些超高層建筑、工業(yè)廠房建筑、大橋建筑、高架立交、體育和文化場(chǎng)館的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、塔桅建筑等，采用鋼結(jié)構(gòu)的越來越多?，F(xiàn)已開始進(jìn)入住宅領(lǐng)域。伴隨我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼產(chǎn)量的不斷增長和鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)水平的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)建筑必將成為新的建筑經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。但是，鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用也暴露出其一系列缺點(diǎn)。易腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)的致命缺點(diǎn)之一。鋼結(jié)構(gòu)一旦被腐蝕，其強(qiáng)度、塑性等主要力學(xué)性能指標(biāo)顯著下降，嚴(yán)重地降低了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物的安全性和耐久性。我國東南沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，近幾年鋼結(jié)構(gòu)在該地區(qū)應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，在沿海地區(qū)海洋氣候條件下，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕尤為嚴(yán)重。因此，從節(jié)約有限資源和能源的角度出發(fā)，研究鋼結(jié)構(gòu)的近海大氣腐蝕對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展顯得十分重要。2工程實(shí)例泉州市某大橋收費(fèi)站〔Fig.1〕，地處晉江入?？凇ＴO(shè)計(jì)使用年限五十年，主體結(jié)構(gòu)為鋼基金項(xiàng)目：福建省科技重大專項(xiàng)前期項(xiàng)目（2005ZY1016）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E0510022）；福建省泉州市科技重點(diǎn)項(xiàng)目（2007G7）結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，采用普通碳素鋼，使用熱噴鋁仿腐處理，外刷防銹漆，屋面板采用彩色壓型鋼板，1997年建成投入使用，迄今為止，10年間未進(jìn)行防銹維護(hù)。Fig.1.泉州某大橋收費(fèi)站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架該工程地處泉州地區(qū)，經(jīng)度118.6，緯度24.9，環(huán)境類型為亞熱帶濕潤區(qū)海洋大氣。據(jù)調(diào)查，主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架銹蝕程度十分嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)管壁均出現(xiàn)整體銹蝕（Fig.2）。屋面水槽完全損壞，出現(xiàn)脆性斷裂（Fig.3）。與之形成對(duì)比的是屋面彩色壓型板，受腐蝕程度輕，僅在局部出現(xiàn)若干點(diǎn)腐蝕。Fig.1.泉州某大橋收費(fèi)站鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架Fig.2.節(jié)點(diǎn)管壁整體銹蝕Fig.3.水槽Fig.2.節(jié)點(diǎn)管壁整體銹蝕Fig.3.水槽3導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重銹蝕的原因3.1濕度該工程所處地區(qū)空氣濕度RH>75%。鋼鐵的臨界濕度一般在60％一70％之間。研究表明，低于臨界濕度時(shí)，鋼鐵表面受到的是化學(xué)腐蝕，其銹蝕速度不大。當(dāng)高于臨界濕度時(shí)，其腐蝕類型由化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀瘜W(xué)腐蝕，銹蝕速度突然增加，此時(shí)銹蝕影響是很大的。3.2溫度地處亞熱帶，年平均氣溫19.5℃～21℃。大氣的水蒸含量隨氣溫的升高而增大。同時(shí)氣溫高促使銹蝕加劇，尤其在潮濕的環(huán)境里，氣溫越高銹蝕越快。相對(duì)濕度較低的時(shí)候，溫度的影響還不大明顯，但高于臨界溫度時(shí)，隨氣溫升高，銹蝕程度急劇增大。另外，大氣與鋼材之間的溫差導(dǎo)致在剛才表面形成冷凝水，也加劇了3.3大氣中所含的介質(zhì)近海大氣中含有大量的，鋼材上鹽分的沉積量大。同時(shí)，泉州市空氣中含量高，年降酸雨頻率大于90%?？諝庵械母g性粉塵等因素也加速了鋼材在大氣中的腐蝕。該大橋?yàn)槿葜饕煌ǜ傻溃嚵髁磕昃?百萬輛次以上，大量的汽車尾氣也是大橋鋼結(jié)構(gòu)腐蝕源之一。3.4鍍鋅層厚度不夠及未定期涂刷防銹漆維護(hù) 該工程主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，采用電鍍鋅防銹蝕，研究表明，鋅層對(duì)鋼鐵的保護(hù)壽命與鋅層厚度成正比。根據(jù)該地區(qū)的環(huán)境，鋅層厚度，才能有效保護(hù)鋼材。防銹漆應(yīng)一至兩年一次，而該工程自建成以來未重刷防銹漆。4．結(jié)構(gòu)腐蝕類型和機(jī)理分析4.1.大氣腐蝕Fig.4.大氣腐蝕該結(jié)構(gòu)中最普遍的為大氣腐蝕〔Fig.4〕。主要是由空氣中的水和氧氣等的化學(xué)和電化學(xué)作用引起的。大氣中水汽形成金屬表層的電解液層，空氣中的氧溶于其中作為陰極去極劑，二者與鋼構(gòu)件形成了一個(gè)基本的腐蝕原電池。在鋼構(gòu)件表面形成銹層后，腐蝕產(chǎn)物會(huì)影響大氣腐蝕的電極反應(yīng)，進(jìn)一步加劇腐蝕。Fig.4.大氣腐蝕4.2局部腐蝕局部腐蝕也是常見的破壞形態(tài)〔Fig.5〕，主要包括電偶腐蝕、縫隙腐蝕。電偶腐蝕主要發(fā)生在不同金屬組合或者連接處，其中電位較負(fù)的金屬腐蝕速度較大，而電位較正的金屬受到保護(hù)，兩種金屬構(gòu)成了腐蝕原電池。研究表明，接觸金屬的電位差為電偶腐蝕的驅(qū)動(dòng)力，兩種金屬的電極電位差愈大，電偶腐蝕愈嚴(yán)重?？p隙腐蝕，發(fā)生多發(fā)在具備腐蝕條件的縫隙，縫隙中必須有一定的液體?？p隙寬度必須窄到可以使得液體在縫內(nèi)停滯，鋼結(jié)構(gòu)的縫隙腐蝕最敏感的縫寬0．025－0.01mm。最常見的縫隙腐蝕形式有鉚接、襯墊和顆粒沉積等。4.3應(yīng)力腐蝕Fig.5.局部腐蝕相同條件下，受載結(jié)構(gòu)比未受載結(jié)構(gòu)腐蝕程度大得多。經(jīng)過一段時(shí)間構(gòu)件會(huì)發(fā)生突然斷裂，且事先沒有明顯的征兆，往往造成災(zāi)難性后果。Fig.5.局部腐蝕5近海大氣中鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕措施5.1防腐材料采用耐候鋼。耐候鋼的優(yōu)點(diǎn)是不需維護(hù)，雖然價(jià)格偏高，但在結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的總費(fèi)用卻較普通鋼材低。研究表明，耐候鋼中添加了一定量的銅Cu、鎳Ni、鈷Co等合金元素，產(chǎn)生富集，內(nèi)銹層形成的結(jié)晶程度降低、晶粒細(xì)化的FeO連續(xù)致密銹層，能將陽極活性點(diǎn)覆蓋起來，是非靜態(tài)的穩(wěn)定銹層，能阻礙有腐蝕性的氣氛和介質(zhì)向基體滲透，使氧在銹層中擴(kuò)散反應(yīng)速度慢，而且也抑制了陽極過程。但是，耐候鋼因加入了各種元素，影響其焊接性能，因此必須重視焊接熱影響部位的低溫裂縫。5.2防腐技術(shù)5.2.1熱浸鋅、熱噴鋁熱浸鋅是將除銹后的鋼構(gòu)件浸600℃左右高溫融化的鋅液中，使鋼構(gòu)件表面附著鋅層，從而起到防腐蝕的目的。此方法耐久年限長，生產(chǎn)工業(yè)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。大量用于受大氣腐蝕較嚴(yán)重且不易維修的室外鋼結(jié)構(gòu)中。熱噴鋁相對(duì)于熱浸鋅，構(gòu)件形狀尺寸幾乎不受限制，受熱區(qū)域是局部的，不會(huì)產(chǎn)生熱變形，工業(yè)化程度較低。此法鍍鋅層厚度宜，方能有效防護(hù)。5.2.2涂料防腐涂料是目前最常用的方法。普通的防腐涂料必須定期維護(hù)，在近海洋大氣環(huán)境中，一到兩年需重新涂刷，并注重施工工藝。新型無機(jī)富鋅、聚氨酯系列涂料，適用于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的室外鋼結(jié)構(gòu)，為高性能長效防護(hù)涂料。Table1截面形式與相對(duì)腐蝕速度的關(guān)系Table1截面形式與相對(duì)腐蝕速度的關(guān)系5.3防腐設(shè)計(jì)5.3.1鋼結(jié)構(gòu)的形狀 對(duì)該工程的研究進(jìn)一步證實(shí)：處于同一腐蝕環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)，不同截面形狀腐蝕速度相差很大，Table1以圓管截面的腐蝕速度為參照，列出不同截面形式與圓管截面相對(duì)腐蝕速度的關(guān)系。 在應(yīng)力集中的部位，腐蝕程度也較為嚴(yán)重。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合強(qiáng)度和應(yīng)力的平衡設(shè)計(jì)，避免承載部件產(chǎn)生應(yīng)力集中。為了減少應(yīng)力腐蝕傾向，鋼構(gòu)件不應(yīng)有切口、尖角等形狀出現(xiàn)，而應(yīng)有足夠的圓形過渡。5.3.2避免異種金屬材料直接接觸，在相接觸的金屬材料間插入絕緣材料。盡可能選擇電位相近的材料進(jìn)行匹配。采用加入第三種金屬材料，降低異種金屬材料的電位差。改變異種金屬材料的陰陽極面積比。對(duì)該工程的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，焊接部位的腐蝕程度相對(duì)較嚴(yán)重〔Fig.6.〕。注意焊條成分，應(yīng)與母體材料一致，或按材料種類選擇合適的焊條，以防止電偶腐蝕的發(fā)生。5.3.3結(jié)構(gòu)上盡量避免縫隙、死角Table2避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縫隙死角的方式Fig.6.焊接部位電偶腐蝕 縫隙會(huì)引起腐蝕，特別是鋼結(jié)構(gòu)部件的連接和支撐處是造成縫隙和死角的場(chǎng)所，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予充分考慮（Table2）。選擇不易形成縫隙的法蘭結(jié)構(gòu)，使用不吸濕墊片，墊片內(nèi)徑應(yīng)與法蘭盤內(nèi)徑相同；盡量避免使用鉚接結(jié)構(gòu)，鉚接的結(jié)構(gòu)存在縫隙。一定要用鉚接方法的話，應(yīng)加墊片；Table2避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縫隙死角的方式Fig.6.焊接部位電偶腐蝕參考文獻(xiàn)：[1]王振堯,于國才,韓薇.我國自然環(huán)境大氣腐蝕性調(diào)查[A].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2003,24(8):323-344.[2]蕭以德,李興廉.電鍍鋅層的大氣腐蝕行為研究[J].防腐科學(xué)與防護(hù)技術(shù).1995,7(3).:187-191.[3]張啟富,郝曉東.鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2006(9):22-26.[4]劉人儀.管型鋼屋架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕分析[J].四川建筑.2000,20