钢铁防腐蚀材料及方法选择

钢铁防腐蚀材料及方法选择

赛化云防腐蚀技术总监     51防腐蚀论坛资深版主  张作华

中国科学院金属研究所王长罡在SELF格致论道讲坛说到：我国每年因为腐蚀而造成的经济损失，相当于两个汶川大地震造成的损失。中国工程院院士柯伟也在《中国工业与自然环境腐蚀调查》中指出：我国每年腐蚀总损失可达4979元以上，约占GDP的5%，分摊到每个公民每年要承担1555元的经济负担，其中尤以钢铁腐蚀最为突出和明显，而且体量最大。据统计，作为世界上钢铁产量最多的国家，我国2005年钢铁产量为37117.02万吨；而被腐蚀的钢铁占到钢铁总产量的1/10。因此，避免钢铁腐蚀对国民经济的意义重大，控制钢铁腐蚀的发生不仅与国计民生息息相关，也体现着整体科学技术的发展水平。

防腐蚀专家普遍认为，如果能够应用当代腐蚀与防护知识和技术对腐蚀进行控制，可以将腐蚀造成的损失降低25%-30%,我国至少可以减少腐蚀损失约1500亿元,占GDP的1%―1.5%。如果加强管理，对腐蚀防护科学更加重视，控制技术会进一步提高，由腐蚀造成的经济损失将会更低。对于金属钢铁来说，就可以避免占总产量1/10的钢铁损失，既带来巨大的经济效益；也对节能减排，实现双碳目标具有重大的社会意义。作为使用频率最高，应用最普遍的通用金属---钢铁，其腐蚀控制，特别是防腐蚀材料选择及方法备受关注。金属防腐蚀防腐虽然很多；但是由于造价和工艺条件的限制，或者人们宣传了解不够，很多防腐蚀方法在实际工程上得不到普及应用。目前工程上应用比较多的防腐蚀选材及方法大致有：选用耐蚀材料、有机涂料覆盖层保护、金属覆盖层和表面处理、电化学保护等等。20世纪80年代，美国防腐蚀以耐蚀材料和覆盖层保护为主，其防腐蚀投资花费耐蚀材料为54.24%，有机材料4.5%，覆盖层保护29%，缓蚀剂保护3.4%，电化学保护4.5%，其他占1%；而中国和日本采用的防腐蚀方法主要方法是有机涂料覆盖层、表面处理及耐蚀材料，显然，还有许多比较理想的，具有实用条件的防腐蚀方法未能得到推广应用，也是我们国家防腐蚀领域今后待以开发和推广使用的“处女地”。钢铁防腐蚀材料选择及方法经常受到造价因素的影响，例如要求钢铁使用寿命常造价高，反之则短；防腐蚀材料性能及质量高造价高，反之质量差的造价则低；工艺方法与成熟程度复杂造价高，反之则造价低；另外对于施工环境施工条件，比较好的造价比较节省，相对差的则浪费，造成造价高。通过大量的钢铁防腐材料及方法选择案列可以比较，单位面积费用按下列顺序递增：缓蚀剂<有机涂层<无机涂层<有机涂层加阴极保护<金属层<金属（或者是转化膜）加有机涂料层<包覆层<耐蚀材料<高耐蚀材料。从中可以看出钢铁防腐选择材料及工艺方法，高耐蚀材料造价比较高，缓蚀剂很低。因此，防腐蚀施工技术人员可以根据实际要求耐腐蚀年限来确定防腐蚀材料和方法，有时候也可以将造价高的和低的材料进行复合使用，综合各自耐腐蚀性能，既满足生产正常运行需要也降低了整体造价。比如在选择高耐蚀材料时，可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，减少腐蚀强度，延长高耐蚀材料的使用寿命。

钢铁作为通用的金属材料，使用广泛，体量巨大，是防腐领域最多的保护对象。控制钢铁不被腐蚀历来是广大防腐蚀科技工作者的最为光荣而又艰巨的使命，有目的的消除钢铁腐蚀带来的危害和损失，只有通过对防腐蚀材料的选择和施工工艺管理及后期维护，才能真正把占到钢铁总产量1/10的腐蚀量降低下来，乃至一定使用期限内不被腐蚀。目前，根据大量的实践应用案列和典型的成功经验，选择和使用较为成熟的防腐蚀材料及方法有以下一些种类，可以在防腐蚀设计和施工时选择参考选用：
一．内陆及工业环境下钢结构防腐蚀材料选择及防腐蚀方法

1.普通大气（内陆大气，日晒雨淋），案例如电力，通讯铁塔，支架等，可选择热浸，喷涂金属层（锌-铝），无机，有机层及其复合层。
2.工业或城市污染大气（日晒雨淋，酸碱性气体污染），案列如工矿企业区外露设施，支架，管道等，可选择热浸，喷涂金属层（锌-铝，铝），无机，有机层及其复合层等。
3.常温，中温，高温的酸碱性气体（含有硫化氢，二氧化硫，氧化氮，氨气，氯气等酸碱性气体条件下，温度有室温，40-150℃，150-400℃，400-900℃）。案列如化工容器，管道，反应排放系统，净化，加热设施，炉道等，可选择耐蚀散热材料，复合材料，热扩散，热浸，喷涂金属层（铝，镍，硅，钛，铬）有机，无机覆盖层及其复合层。
4.常温，中温，高温的酸碱性液体（氢氧化铵，氢氧化钠，盐酸，硝酸，硫酸，磷酸等，温度<40℃，50-200℃，>200℃），案例如酸碱液储槽，罐体，化工设施等，可选择耐蚀材料，复合材料，有机层，包覆金属，无机层，阳极保护等。
5.淡水（河水或者<40℃的常用水），案列如饮水容器，水封槽，水工闸门等，可选择缓蚀剂，金属层（锌，锌-铝），有机无机覆盖层等。
6.高温淡水（40-100℃高温水，高温蒸汽），案例如冷却水系统管路设施，城市供热系统等，可选择缓蚀剂，金属层（锌，锌-铝，铝）有机，无机覆盖层，耐腐蚀材料，复合材料等。
7.海淡水（含盐度低于海水的河口水），案列如河口码头，闸门设施等，可选择金属层（锌，锌-铝）有机无机覆盖层，耐蚀材料，复合材料等。
8.小于100℃的高纯水（去离子水，蒸馏水），案列如高温锅炉用水系统等，可以选择有机，无机覆盖层，耐蚀材料，复合材料等。
9.污水（小于60℃酸碱性污泥浊水排放系统）案列如化工厂排放管道，矿井排放管等，可以选择有机，无机，金属高强层，耐蚀材料，复合材料等。
10.高速水（产生磨蚀，空泡腐蚀的高流速淡水或者海水），案列如在海水，河水中船舶的螺旋桨叶，水轮机叶片等，可以选择耐空蚀材料，有机，金属高强度复合层等。
11.高潮湿污染大气（80%-90%湿度，并含有硫化氢，二氧化硫，二氧化氮，氯气，甲烷等污染气体），案列如煤矿，天然气矿井井下设施，隧道，坑道设施等，可以选择金属有机复合层，有机，无机覆盖层，缓蚀剂等。
二．海洋环境下钢结构防腐蚀材料选择防腐蚀方法

1.海洋大气区（高盐度海洋气候，风吹雨打，强日光照射），案列如海船，钻井平台，浮标等的上层建筑和岸边港工设施等，可以选择有有机，无机，金属覆层（锌，铝，锌-铝，镍，铜，镉）金属与有机复合层，转化膜加有机层。
2.水线与飞溅区（高盐度海洋气候，海水间浸干湿交替，海浪排击冲刷，强光日照，海生物附着），案列如海船，钻井平台，浮标等的水线上下1-2m部位区，可以选择重防腐金属（锌-铝）或有机层，金属（铝，镍，铜-镍）或非金属包覆层，金属（锌-铝）与有机复合层等。
3.海水全浸区（海水浸泡，海流冲刷，海生物附着），案列如海船，钻井平台，浮标等水下全浸部位区，可选择有机覆层加阴极保护，金属（锌，锌-铝）与有机复合层或者加阴极保护，阻锈混凝土层加阴极保护等。
4.浅近海底和岸滩土壤（海水和土壤生物基矿物质），案列如钻井平台基座，港工设施基础等，可以使用覆盖层加阴极保护。
5.海上特殊工况（a高浓度海盐，潮湿，酸碱气候；b高浓度海盐气候，燃烧废气和热温；c海水油污加振动和微热；d海水和淡水积存处）案列如海船化学储舱和电瓶舱内；海船燃烧废气排烟管道和尾喷口等；海船主机舱底，油船内舱底等；船上压载舱和淡水舱等，可以选择a有机与金属（铝，镍）覆盖层或包覆层，复合材料等；b耐蚀材料，复合材料，金属（铝，锌-铝，镍）有机，无机覆盖层及其复合层；c耐蚀材料，复合材料，金属（铝，锌-铝）有机，无机覆盖层及其复合层或者添加缓蚀剂等；d覆盖层加阴极保护，阻锈混凝土层，金属（锌-铝，锌）有机，无机覆盖层及其复合层，缓蚀剂等。

通过以上钢结构在不同腐蚀环境下防腐蚀材料及方法的选择，可以有效的阻止腐蚀的发生，避免安全隐患带来的风险，大大延长了钢结构的使用寿命，节约了大量的资金，并且为实现“双碳”目标做出了积极的贡献。防腐蚀技术工程人员在实际防腐蚀施工中，科学谨慎的对钢铁防腐蚀材料及方法选择，可以将腐蚀造成的损失降低25%-30%,也就是说等于GDP增长将近1500亿元。除了上述成熟的钢结构防腐蚀材料及方法外，具有前瞻性的新技术新材料应用将会刷新防腐蚀工程技术人员的观念，钢铁腐蚀带来的损失和危害将会变得更低，甚至最低，从而赋能快速增长的工业化进程，促进防腐蚀材料及方法的飞速发展，为我国整体科学技术的发展水平屹立于世界之林打下坚实的基础。

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