冷涂锌/聚脲复合涂层体系在氯碱化工厂钢结构防腐设计与应用
时间：2023-04-25 12:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
樊金元
（湖南海利工程咨询设计有限公司，湖南长沙 410007）
与一般大气腐蚀环境相比，化工厂的腐蚀环境更为严峻，对涂料的防腐性能要求很高。影响钢材腐蚀的两个主要因素①腐蚀介质；
②湿润时间。在氯碱化工厂中SO2、Cl-浓度更高，因此大多数常规的重防腐涂层都经不住考验。针对氯碱化工厂的强腐蚀环境，推出冷涂锌底漆、环氧中间漆和聚脲面漆复合涂层体系方案，满足了特殊环境的防腐需求，并取得良好的效果。
1.1 腐蚀环境
氯碱化工厂的腐蚀环境十分严峻，在日常的生产作业中会有大量酸、碱、盐、水、气等泄漏、排放，这样会导致大气中SO2、Cl-等污染物含量升高。Cl-能增强液膜的导电性并破坏钢的钝化膜使得钢铁更容易被腐蚀，促进钢铁基材铁的溶解，并且在反应过程中Cl-自身不被消耗，反而起到“催化剂”作用。SO2能吸附到钢表面与液膜结合生产H2SO3，进而被氧化成H2SO4，它们与Fe反应生产FeSO4同时水解产生微量H2SO4，继续腐蚀钢基体，在局部形成“酸的循环”；
另外氯碱化工厂附近的大气湿度相对较高，氯碱化工厂内的装置、设备、框架、支架、管道等钢结构，在大气相对湿度超过70%时，腐蚀会进一步加速[1–2]。
1.2 防腐要求
针对氯碱化工厂的腐蚀环境，所用的防腐涂料必须具有优异的防腐性能同时具有良好的附着力、耐热性、抗拉强度、硬度、耐磨性能、抗老化等。
2.1 长效重防腐复合涂层体系的选择
氯碱化工厂选用冷涂锌涂层+环氧中间漆+聚脲面漆涂层的复合涂层保护措施。冷涂锌涂层干膜锌含量达96%可为钢结构提供优异的防腐性能，环氧中间漆致密的漆膜能有效延缓腐蚀介质接触钢结构，聚脲面漆具备出色的物理化学特效如抗拉强度、延伸率、柔韧度、耐磨性能、抗老化、耐腐蚀等且具备优良的耐热性，可在120℃下长时间应用，可经受350℃的短时热冲击。
2.2 长效重防腐复合涂层体系的组成
氯碱化工厂最终确定选用冷涂锌+环氧中间漆+聚脲面漆的复合涂层体系，各涂层的最小厚度见表1。
表1 氯碱化工厂长效防腐复合涂层体系中各涂层的最小厚度
2.3 长效重防腐复合涂层体系的施工
2.3.1 钢结构表面缺陷的处理
确保钢结构无焊接飞溅物，焊缝光顺，无深0.8mm以上凹坑，无缺陷宽度小于深度的咬边；
锐边上的尖角毛刺，需用砂轮打磨成半径不小于2mm的圆弧；
当边缘大于1mm的峰谷，应打磨到1mm以下。研磨融化缝线的坚硬表面，表面层压、裂纹、混合物应打磨，如有必要，还应补焊。
2.3.2 除钢构件表面喷砂或抛丸处理应达到GB/T 8923.1规定中的 Sa2.5级，并须在4h内喷涂冷涂锌
粗糙度（Rz）应达到40~70μm。在不方便喷涂和除锈的部分需要现场进行焊接，或者人工使用除锈工具除锈至GB/T 8923.1规定中的St3级[3]。
2.3.3 表面清洁
喷涂表面须除油污、除尘、除水渍等。
2.3.4 喷涂设备选择
喷涂机：由于冷涂锌底漆比重大需合适的喷涂设备，须使用富锌底漆专用无气喷涂机，喷气压力应控制12.0~15.0MPa。进气压力控制在0.4~0.5MPa，压缩比1：32。需注意的是当喷涂压力＞18.0MPa，易堵塞枪嘴。建议使用富锌底漆专用喷嘴（Z型喷嘴较常见），喷嘴孔径0.48~0.63mm。
2.3.5 复合涂层喷涂
预涂处理：冷涂锌预涂是喷涂前必不可少的工艺环节。对焊接部位、拐角、边缝等隐蔽部位，必须进行预涂。预涂需采用交叉刷涂的办法，不能用辊涂的办法，以防止该部位漏涂或者涂层厚度不足。
喷涂冷涂锌：第一道薄喷30μm左右，待表干后第二道喷涂至设计厚度80μm。喷涂封闭中间漆：冷涂锌喷涂后间隔6~24h（低温潮湿环境时间较长），再喷涂封闭中间漆。先雾喷一道约20μm，待表干后再喷涂至设计厚度100μm。聚脲面漆：封闭中间漆喷涂后间隔约24h，再喷涂聚脲面漆，第一道喷4μm0左右，待表干后第二道喷涂至设计厚度80μm。
3.1 复合涂层特点
冷涂锌，又称冷镀锌和冷喷锌，固体锌含量极高，里面含有95%以上的全锌，而金属锌含量约97.5%，主要由含锌粉、溶剂和多种有机树脂的混合物组成[4]。与其他类型的镀锌涂料不同，冷涂锌含锌量最大，可以为钢结构提供更好的阴极保护，同时工艺更简单，施工更容易。冷镀锌比热镀锌和热喷锌在施工时需要的设备简单、成本低，对环境污友好。我国冷涂锌使用较少，在钢结构等领域应用较为广泛，随着时代的发展，冷涂锌、聚脲复合涂层配套体系逐渐被应用到化工厂等腐蚀环境严峻、防腐要求苛刻的地方[5]。此项工艺的有效应用，不仅可以保持化工厂整体的美观还能有效保护化工设备，预防其因生锈而损坏，降低日常维护设备的成本，而且能够起到良好的防腐效果，提高整个化工厂的安全度。
聚脲广泛应用于防腐、防水、防爆等领域，是二十世纪末期一种“高端”涂料，聚脲按组分分为单组分和双组分，按施工类型分为刷涂型和喷涂型，按用途分为防腐、防水、防爆等。本文采用的是喷涂型双组分防腐类聚脲：是由羟基与异氰酸酯通过化学反应转化成的一种双组分物质[6–7]。异氰酸酯双组分能够是单体、聚合体、化合物、预聚物和半预聚物。预聚物和半预聚物是由端羟基或是端羧基化学物质与异氰酸酯反应制取。在其中的羟基化学物质双组分务必是由端氨基树脂和端羟基扩链剂构成，在端氨基树脂中，不可带有一切甲基成分和金属催化剂，但可能带有有利于色浆分散性的改性剂。聚脲防腐涂料具备以下特点：①迅速结垢，可喷涂在任何表面，无需催化剂，倾角，平面和垂直平面，无任何流动悬浮效应，10s左右初凝，1min就可以上人行走；
②涂料具有“荷叶效应”可以隔绝水并且对湿度要求高，施工时基本不受环境温度、湿度的影响；
③无接缝基础原型保持良好，整体施工，涂层连续，致密，美观实用；
④聚脲固体分高，挥发性有机物VOC含量低，对环境基本无污染；
⑤理化特性优良，在拉伸强度、断裂伸长率、柔韧性、抗冲击性、耐磨损、抗老化、防腐蚀等方面效果显著；
⑥耐候性能好，抗高温冲击、耐低温、在户外基本不会出现粉化、龟裂等现象。
3.2 复合涂层防腐机理
冷涂锌涂料中含有大量的锌粉，锌颗粒与钢表面的接触较强，具有比铁更大的腐蚀电位，使锌原子在电解质溶液中失去电子而成为阳极，而铁原子变为阴极。阳极区锌因失去电子而受到损伤，阴极区钢表面的铁因得到电子而受到保护，形成稳定的原电池[8]。而封闭中间漆涂层中含有大量有序排列的云铁可以有效地阻止水分的渗入起到屏蔽保护的作用。聚脲面漆涂层致密，分子结构紧密，形成无缝、紧密、类似橡胶的涂层，紧紧地包裹住基础面。隔绝了腐蚀介质和基础面的接触，保护了基础面不会受到腐蚀介质的侵害；
另一方面，聚脲材料喷涂过程中形成的聚脲涂层与各类酸、碱、盐等腐蚀介质都不会发生反应，并且即便在酸、碱、盐的环境下，聚脲涂层的性能也不会发生变化，不会出现被腐蚀介质腐蚀掉的情况，提供屏蔽保护的作用[9]。涂层自愈合保护机理如图1所示，复合涂层保护原理图如下图2。
图1 “三重”保护及“自愈合”保护原理图
图2 复合涂层保护原理图
4.1 自然气候曝露试验
制作干膜厚度（80±5）μm的样板（200mm× 150mm×2mm），按照GB/T 9276—1996《涂层自然气候曝露试验方法》养护14d后，放置在屋顶的样品架上。在达到规定时间后，观察涂膜是否有起泡、裂纹、生锈、变色、脱落等现象[10]。
4.2 中性盐雾实验
将制备好的测试样板（150mm×70mm×2mm），干厚度（80±5）μm，养护14d放入盐雾试验箱，箱内温度（35±2）℃，NaCl溶液的质量浓度为（50±10）g/L、pH为6.5~7.2，按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》，达到既定时间后观察涂层是否有起泡、脱落、返锈等现象出现[10]。
4.3 划痕、柔韧性、冲击试验
根据GB/T 1720—1979《漆膜附着力测定法》，制作干膜厚度为（20±5）μm的样板（100mm× 70mm×0.3mm），测试漆膜的附着力。根据GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击测定法》和GB/T 1731—1993《漆膜、腻子膜柔韧性测定法》，制作干膜厚度为（80±5）μm的样板（100mm×70mm×0.3mm），经养护7d后测试漆膜的耐冲击性和柔韧性[10]。
4.4 存 贮稳定性试验
将制备好的冷涂锌涂料、封闭中间漆、聚脲面漆放入洁净的烧杯内，在恒温箱内放置24h，观察有无分层、硬沉等情况[10]。
4.5 拉拔附着力试验
制作干膜厚度（80±5）μm的样板（150mm× 70mm×3mm），养护7d后取10个测试点，按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉开法附着力试验》，黏上直径为20mm的锭子后采用BGD-500数显拉开法附着力测试仪进行测试，观察断裂位置，并取平均值判断附着力大小[10]。冷涂锌主要性能见表2。
表2 冷涂锌主要性能
由表2可以看出，冷涂锌底漆具有导电性好、附着力强；
硬度等物理性能优异；
耐盐雾性能优异等特点，非常适用于氯碱化工厂严峻的腐蚀环境。封闭中间漆主要性能见表3。
表3 封闭中间漆主要性能
由表3可知，冷涂锌配套的封闭中间漆的特点是①具有优异的附着力，耐水、耐酸、碱、盐等化学品的腐蚀；
②极优良的抗介质渗透性，它具有优良的耐水性能够防止腐蚀性介质渗入接触基材表面；
③坚固的漆膜具有优异的附着力，能够降低发生脱落、龟裂等现象出现的概率；
④有效成分高，无气喷涂一道干膜厚度可达200μm等特点，与冷涂锌底漆搭配可以极大延长防腐时效提高防腐性能。聚脲面漆主要性能见表4。
表4 聚脲面漆主要性能 H2SO4
由表4可知，聚脲面漆具有：①极高的抗张力以及抗冲击强度，柔韧性、耐磨性好，耐老化，防湿滑，防腐蚀性好；
②快速凝固，可在任意曲面施工等特点。其耐化学品性能优异，聚脲涂层坚固，连续，无缝线，具有“荷叶效应”可以将水和氧气隔绝在涂层外防止渗入接触基材，防腐和防护性能无与伦比。与冷涂锌底漆和封闭中间漆搭配使用，极大增强了防腐性能，延长了防腐时效，三涂层复合体系可完美应对氯碱化工厂的腐蚀环境。
4.6 复合涂层耐盐雾性能实验（见图3、图4）
图3 覆盖层与冷涂锌的盐雾实验
由图4可以看出，冷涂锌底漆、封闭中间漆和聚脲面漆复合涂层面对10 000h高强度盐雾实验无涂层脱落或腐蚀现象出现，因此对于氯碱化工厂严酷的腐蚀环境可选择该复合涂层体系。
图4 10 000h盐雾试验样板
冷涂锌底漆+封闭中间漆+聚脲面漆防腐维护实例见图5。
图5 华昌化工新材料公司及尿素车间钢结构防腐维护
冷涂锌底漆、封闭中间漆和聚脲面漆复合涂层体系具有优良的附着力，表干、实干时间适中，耐酸、碱、Cl-、SO2等多种化学介质，耐高温、抗拉强度高、硬度高、耐磨性能好、抗老化。该类复合涂层体系可广泛用于多类严峻环境下的防腐，各项技术指标完全满足氯碱化工特殊设备长效重防腐的要求。由于在氯碱化工厂恶劣腐蚀环境条件下的防腐都是十分有效的，因此该复合涂层体系前景广阔，在长效重防腐方面具有显著的经济和社会效益。
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