黃俊

(陜西廣播電視大學(xué)教學(xué)支持服務(wù)中心，陜西 西安 710119)

工業(yè)閥門是我國重要的通用機械類外貿(mào)產(chǎn)品，其出口貨值逐年提高，未來也將有更多的中國閥門企業(yè)加入到全球流體控制設(shè)備供應(yīng)鏈。然而，在設(shè)計、加工生產(chǎn)和質(zhì)量控制中，由于對外方貫徹標(biāo)準(zhǔn)和閥門裝置運行環(huán)境缺乏深入了解，導(dǎo)致供應(yīng)的產(chǎn)品因外部防腐涂裝質(zhì)量不過關(guān)而過早腐蝕失效的情況時有發(fā)生，常引發(fā)不良貿(mào)易爭端，損失巨額質(zhì)量保證金，弱化國產(chǎn)閥門市場競爭力，阻滯相關(guān)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)進一步做大做強。

一般而言，產(chǎn)品的早期失效與制造商未考慮用戶裝置運行環(huán)境因素且也未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織施工導(dǎo)致閥體外表面防腐涂裝質(zhì)量低劣有密切關(guān)聯(lián)。本文試對碳鋼閥門外部遭受環(huán)境大氣嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致早期失效的原因作一初步探析，并結(jié)合國外應(yīng)用最廣的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)和美國防護涂料學(xué)會(SSPC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及國內(nèi)涂料技術(shù)現(xiàn)狀就出口型產(chǎn)品涂裝提出推薦工藝路線。

一、碳鋼閥體的大氣腐蝕機理

1、影響碳鋼閥體大氣腐蝕速度的主要因素。

(1)氣候因素。主要指年平均空氣相對濕度(RH)，閥體表面持續(xù)潤濕時間，日照強度，降雨量，風(fēng)向與風(fēng)速以及浮塵分布等，這些因素與碳鋼閥體表面腐蝕液膜的凝結(jié)形成及其厚度、覆蓋范圍等直接相關(guān)。另外，氣溫變化幅度、干濕交替等對碳鋼結(jié)構(gòu)件在大氣中的腐蝕速度也有顯著影響。

(2)污染物因素。碳鋼閥體在大氣中發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的前提條件是其表面腐蝕性電解質(zhì)薄液膜的持續(xù)存在，運行環(huán)境周遭空氣中常見的污染性物質(zhì)正是促進薄液膜電解化的重要原因，如海洋性或濱海大氣中的NaCl鹽分，石化工業(yè)廠區(qū)大氣中富含的硫化物、碳化物、氮化物以及工業(yè)固體粉塵等。另外，大氣污染物會降低空氣中水分凝聚析出的臨界濕度，促使水膜更易在閥體表面形成，繼而污染物質(zhì)又大量溶解，使碳鋼閥門外部腐蝕狀況愈發(fā)嚴(yán)重。

(3)閥體金相組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計因素。碳鋼基材發(fā)生大氣腐蝕的實質(zhì)是受閥體表面形成的腐蝕電池的電化學(xué)作用，完整的腐蝕電池包括低電位陽極區(qū)、高電位陰極區(qū)、電解質(zhì)溶液和導(dǎo)電回路四個不可分割的部分。當(dāng)碳鋼材料因復(fù)雜的化學(xué)構(gòu)成和不當(dāng)熱處理工藝導(dǎo)致基體金相組織不均勻時，閥體表面將形成無數(shù)電位不同的微陽極和微陰極，一旦被大氣析出的導(dǎo)電薄液膜連通，就會產(chǎn)生大量微觀電池腐蝕現(xiàn)象。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，當(dāng)不同材質(zhì)牌號甚至同牌號同廠家不同批次的碳鋼零件以焊、鉚、螺栓連接或其他形式裝配到一起時，如常規(guī)球閥左(中)右體采用雙頭螺柱螺母連接，因零件個體間材質(zhì)電位存在自然差異，從而在宏觀上形成腐蝕電池陰陽極，則當(dāng)閥體表面析出空氣水分液膜后，極易導(dǎo)致明顯的大氣電化學(xué)腐蝕損害。

2、大氣腐蝕環(huán)境分類。

大氣腐蝕環(huán)境通常按氣候自然特征或環(huán)境腐蝕嚴(yán)酷程度進行分類。按氣候自然特征劃分的主要衡量指標(biāo)是當(dāng)?shù)啬昶骄諝庀鄬穸萊H值，因為這是影響閥體表面電解液薄膜形態(tài)的關(guān)鍵要素，當(dāng)空氣中水分含量處在一定區(qū)間時，由于毛細(xì)管凝聚、吸附凝聚、化學(xué)凝聚等作用，暴露在空氣中的金屬表面就會形成液膜，觸發(fā)碳鋼閥門發(fā)生大氣腐蝕;按環(huán)境腐蝕嚴(yán)酷程度進行劃分，一般是將金屬標(biāo)準(zhǔn)試樣片置于環(huán)境中進行自然暴露試驗獲得腐蝕速率(質(zhì)量與外形尺寸年均損失量)后，結(jié)合區(qū)域環(huán)境大氣特征污染物濃度 (如二氧化硫年平均含量值，氯化物年平均沉積量)和金屬表面潤濕時間 (根據(jù)年均平均空氣相對濕度RH計算)進行分類，這種方法更接近于應(yīng)用實際從而被廣泛推薦。ISO12944－2《色漆和清漆 ─ 保護漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐保護——環(huán)境分類》 (引用ISO9223量值)和SSPC技術(shù)報告指出的大氣腐蝕環(huán)境分類與實例分列如下:

ISO12944－2大氣腐蝕環(huán)境分類

SSPC大氣腐蝕環(huán)境分類

3、碳鋼閥體大氣腐蝕基本反應(yīng)過程。

當(dāng)含有游離氧的空氣水膜在碳鋼閥體表面出現(xiàn)后，會引起基材發(fā)生如下電化學(xué)腐蝕基本反應(yīng):

初步反應(yīng)式:2Fe+2O2+2H2O→2Fe(OH)2

進一步氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe (OH)3→2Fe2O3+6H2O

通常碳鋼閥體鐵元素的陽極腐蝕反應(yīng)極易在其表面硫化物夾雜、氧化斑痕、微裂隙等瑕疵處發(fā)生。當(dāng)閥體表面開始出現(xiàn)較不致密的孔隙度高的銹層后，空氣液膜會持續(xù)滲透至碳鋼基材使其發(fā)生進行性腐蝕，空氣濕度越高，污染越重，電解液膜覆蓋影響范圍就越大，腐蝕速率也相應(yīng)提高。

二、出口型碳鋼閥門外防腐涂裝對策

1、影響外涂層防腐效能的主要因素。

(1)涂前表面處理工藝。由于閥體表面與涂層直接接觸，則其涂前表面處理效果至少應(yīng)達到涂料廠商要求的施工標(biāo)準(zhǔn)，如處理不到位使工件表面存在大量熱處理氧化黑皮、銹蝕斑坑、油污等缺陷，則防腐涂料本身結(jié)合性能再高也無法形成有效附著涂層。

(2)涂層保護體系設(shè)計。合理的碳鋼閥體涂層保護體系一般是通過涂刷數(shù)層不同涂料配套組合為復(fù)合涂層以實現(xiàn)最佳防腐功效，最終涂層通常由底層、中間層和面層構(gòu)成，設(shè)計時需統(tǒng)籌考慮三層涂料的相互匹配性和層間相容性。底層直接與碳鋼基體接觸，要求必須具有很強的附著力和良好的防銹性能，同時對中上層涂料也要有很好的結(jié)合力，最常用的底層涂料是環(huán)氧漆類。中間層應(yīng)與底層和面層良好結(jié)合，要求能有效增加總涂層干膜厚度DFT(Dry film thickness)值，阻止電解液向基層滲透，最好能選用含“鱗片狀”填料的高抗?jié)B樹脂基涂料以加強涂層防滲性能，如選擇片狀云母氧化鐵、玻璃鱗片、不銹鋼鱗片、石墨鱗片填充涂料，以加長外部腐蝕介質(zhì)滲透路徑，盡量隔阻大氣腐蝕性液膜到達基體。面層由于直接與大氣環(huán)境相通，應(yīng)具有極低的親水性，良好的耐大氣腐蝕性能，并能抵抗紫外線照射，目前應(yīng)用廣泛的面層涂料品種有丙烯酸聚氨酯涂料、改性環(huán)氧涂料等。

(3)涂層干膜厚度 (DFT)。涂層的化學(xué)惰性相對金相活躍的碳鋼而言更耐大氣侵蝕，但在多數(shù)情況下，涂層對閥體的防腐保護一是依靠其對氣液相腐蝕性介質(zhì)的隔絕防滲作用，二是通過優(yōu)先消耗其自身內(nèi)容的“犧牲陽極”組分 (如最常見的鋅粉)以換取對碳鋼基體的保護，因此涂料層有效厚度值愈大，則其對大氣腐蝕液膜的隔絕防滲路徑愈長，“犧牲陽極”成分也相應(yīng)增多，產(chǎn)品的耐腐蝕壽命自然也就愈久。在涂層檢測領(lǐng)域，衡量或表征閥體涂層有效厚度的參數(shù)是涂層干膜厚度(DFT)。當(dāng)然閥體涂層DFT也不是越厚越好，涂層太厚，容易因固化過程漫長、固化程度不均引起內(nèi)部應(yīng)力開裂導(dǎo)致干涂層出現(xiàn)大量裂隙，反而降低其防腐保護效果，具體DFT值的設(shè)計應(yīng)按照涂料廠商有關(guān)手冊進行選取。

2、出口型碳鋼閥門外防腐涂裝工藝推薦。

制造廠在選擇閥體防腐涂裝工藝時，除了首先要充分考慮如何適配用戶應(yīng)用環(huán)境，還應(yīng)綜合涂料產(chǎn)品本身在國內(nèi)的技術(shù)成熟度、施工難度、經(jīng)濟性等因素，在選擇質(zhì)量過硬的優(yōu)質(zhì)涂料的同時，還要嚴(yán)格按照供應(yīng)商規(guī)定參數(shù)條件組織施工，保證涂裝環(huán)境清潔度，留足前道涂層固化時間間隔。

(1)ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦工藝路線。根據(jù) ISO12944第二部分腐蝕環(huán)境分類標(biāo)準(zhǔn)，戶外型碳鋼閥門的運行環(huán)境應(yīng)定義為以C3、C4和C5－I分級為主。

用戶將產(chǎn)品應(yīng)用在如大多數(shù)中等污染戶外條件和非化工型廠區(qū)的C3級環(huán)境時，可按照ISO12944－5表A.3選擇涂裝工藝路線，較適合國內(nèi)應(yīng)用的涂裝體系編號為A3.11，即:閥體外表面噴砂處理至ISO8501－1 Sa2.5近白級 →第一道環(huán)氧富鋅防腐底漆 (DFT=60～80微米)→第二道環(huán)氧類中間漆 (DFT=80～100微米)→第三道環(huán)氧類面漆 (DFT=80～100微米)。

若碳鋼閥門運行在C4級環(huán)境下，如化工廠、高濕度地區(qū)、濱海地區(qū)等，推薦按照ISO12944－5表A.4選用A4.14號涂裝體系:閥體外表面噴砂處理至ISO8501－1 Sa2.5級 → 第一道環(huán)氧富鋅防腐底漆 (DFT=60～80微米)→第二道環(huán)氧類中間漆 (DFT=100～120微米)→ 第三道環(huán)氧類面漆 (DFT=100～120微米)，注:若考慮擔(dān)保更長的閥體防腐壽命，需增加中間層和面層厚度值至至少240微米，并分3次涂刷，如參照A4.15號涂裝體系規(guī)定。

當(dāng)閥門裝置運行在腐蝕條件更加惡劣的C5－I級環(huán)境中，則應(yīng)在ISO12944－5表A.5中選擇涂裝體系，如A5I.02號工藝:閥體外表面噴砂處理至ISO8501－1 Sa2.5級→ 第一道環(huán)氧或聚氨酯類防腐底漆 (DFT不低于80微米)→至少分3道涂刷環(huán)氧或聚氨酯類中間漆和面漆層 (DFT不低于320微米)。

(2)SSPC推薦工藝路線。美國防護涂料學(xué)會(SSPC)制定的涂裝標(biāo)準(zhǔn)已納入美國國家標(biāo)準(zhǔn)(ANSI)體系，是國際上最具權(quán)威性并被廣泛采用的鋼結(jié)構(gòu)涂裝標(biāo)準(zhǔn)之一，常被國際閥門采購商明示作為產(chǎn)品交貨狀態(tài)驗收條款。

根據(jù)SSPC技術(shù)報告對工業(yè)腐蝕環(huán)境的分級定義，國外為戶外型裝置采購的碳鋼閥門運行環(huán)境應(yīng)至少定義為“淡水濺射區(qū)域 (Zone 2A)”或“鹽水濺射區(qū)域 (Zone 2B)”，即經(jīng)常性地有新鮮水或鹽水濺濕 (冷凝、濺射、噴濕)碳鋼閥門表面，包括大部分溫和型氣候地區(qū)或濱河濱海地區(qū)室外環(huán)境，SSPC相應(yīng)推薦了代號為B、C、E、G和R的涂裝方案供制造商選擇，國內(nèi)廠家可優(yōu)先選用涂料技術(shù)與市場更加成熟、涂裝成本相對低廉的B號工藝，具體路線為:閥體涂前進行SSPC－SP－6標(biāo)準(zhǔn)噴砂基本處理程序 → 第一道無機 (或有機)富鋅防腐底漆 (DFT=50～75微米)→第二道環(huán)氧類中間漆 (DFT=100～150微米)→ 第三道聚氨酯面漆 (DFT=50～100微米)。

若閥門裝置運行于高污染工業(yè)區(qū)或大氣腐蝕環(huán)境苛刻地區(qū)，如石化廠、化肥廠、制酸制堿廠、紙漿廠、海上平臺等，則應(yīng)按SSPC“酸性化工環(huán)境(Zone 3B)”或“堿性化工環(huán)境 (Zone 3C)”選擇其代號為F或P的涂裝推薦方案，須特別注意無機富鋅或含鋅涂料已不適合這些應(yīng)用環(huán)境，相對簡單的P號工藝路線為:閥體涂前進行SSPC－SP－6標(biāo)準(zhǔn)噴砂基本處理→第一道環(huán)氧酚醛清漆 (DFT =100～200微米)→ 第二道環(huán)氧酚醛清漆 (DFT =100～200微米)，注:涂層總DFT值不低于300微米。

三、結(jié)語

1、充分的用戶應(yīng)用環(huán)境調(diào)查分析是準(zhǔn)確制定碳鋼閥門外防腐涂裝工藝的前提條件。

廠家若未考慮國外用戶所處濱海地區(qū)大氣富含氯化鈉鹽分、空氣RH值較高、煉化廠區(qū)環(huán)境含酸性硫化重污染物質(zhì)等因素，對產(chǎn)品外涂裝僅簡單地選擇涂施單層且DFT較薄的富鋅涂料，顯然不能滿足用戶裝置運行環(huán)境要求。

2、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈y體涂前處理工藝是確保碳鋼閥門具有較長防腐壽命的基礎(chǔ)。

廠家若不按通行標(biāo)準(zhǔn)和涂料廠商施工規(guī)范處理閥體表面，而是敷衍地采用手工打磨方式，將不能適應(yīng)合格產(chǎn)品的防腐涂裝要求。

3、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效減小碳鋼閥體腐蝕速率。

特別是在閥門各配合 (連接)部件材質(zhì)選用方面，應(yīng)盡可能選擇同牌號同成分碳鋼，對確因零件適用標(biāo)準(zhǔn)不同而造成接觸電位差異的 (如采用美標(biāo)重型螺栓螺母連接分片式閥體時)，需在裝配調(diào)試工作完成后實施嚴(yán)格的表面涂裝封閉與隔離措施，阻止零件間互相連通，避免日后運行過程中在這些位置迅速出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。

我國是世界公認(rèn)的工業(yè)閥門生產(chǎn)大國，對于占相當(dāng)大部分比例的中小型制造企業(yè)，要想在日趨激烈的全球化貿(mào)易競爭中勝出并獲得持續(xù)發(fā)展，必須重視碳鋼產(chǎn)品外防腐涂裝技術(shù)細(xì)節(jié)，不斷提升裝備保障與生產(chǎn)研究水平，嚴(yán)格按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)辦事，保證產(chǎn)品最終質(zhì)量，累積良好的商業(yè)信譽，盡早實現(xiàn)全行業(yè)向世界工業(yè)閥門生產(chǎn)經(jīng)營強者地位的升格轉(zhuǎn)變。

［1］BS EN ISO 12944:Paints and varnishes－Corrosion protection of steel structures by protective paint systems.

［2］SSPC－Paint COM:Commentary on Paint Specifications.

［3］饒興鶴，張振儒.美國腐蝕性環(huán)境分類及涂料選用［J］.化工設(shè)備與防腐蝕，2000，(06):2－6.

［4］陳入領(lǐng)，范家峰，王曉偉.閥門腐蝕失效分析與處理［J］.閥門，2002，(02):30－32.

［5］于少堂.工程機械用涂料與涂裝發(fā)展方向 ［J］.上海涂料，2010，(2):37－41.