王會(huì)陽 *，李承宇，晁兵，倪雅，李萍，劉國彬

（1.中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇中礦大正表面工程技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221008）

電弧噴涂技術(shù)在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用

王會(huì)陽1,*，李承宇1，晁兵2，倪雅2，李萍2，劉國彬2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇中礦大正表面工程技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221008）

介紹了電弧噴涂技術(shù)的原理、特點(diǎn)及在國內(nèi)外橋梁建設(shè)防腐中的應(yīng)用，敘述了電弧噴涂技術(shù)的施工工藝，并展望了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展前景。

電弧噴涂；橋梁；防腐；應(yīng)用；前景

1 前言

橋梁鋼結(jié)構(gòu)長期暴露在戶外環(huán)境中，經(jīng)受風(fēng)吹雨淋日曬，江河湖海水氣的蒸發(fā)冷凝，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)形成比一般大氣更潮濕、更惡劣的腐蝕環(huán)境，而在沿海地區(qū)的跨海橋梁，更遭受含鹽潮濕海風(fēng)的強(qiáng)烈腐蝕，因此只有選擇合適的腐蝕防護(hù)方法，同時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制，才能保證橋梁鋼結(jié)構(gòu)的長效防護(hù)，確保橋梁的長壽命運(yùn)行[1-2]。維護(hù)壽命 20年以上的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，各國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都推薦使用電弧噴涂技術(shù)。電弧噴涂是20世紀(jì)80年代再次興起的表面處理技術(shù)，經(jīng)濟(jì)節(jié)能、效率高、污染小，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，受到愈來愈多工業(yè)部門的重視，成為目前熱噴涂技術(shù)中最有前途的技術(shù)之一[3]，而電弧噴涂技術(shù)作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的一種腐蝕防護(hù)手段，以其優(yōu)異的防護(hù)效果也逐漸得到人們的認(rèn)可和肯定[4-6]。

2 電弧噴涂技術(shù)的原理和特點(diǎn)

2. 1 原理

電弧噴涂是利用燃燒于兩根連續(xù)送進(jìn)的被噴涂金屬線材之間的電弧作為熱源來使金屬線材熔化，用高速氣流把熔化的金屬霧化成微粒，并使霧化金屬粒子加速，霧化粒子射流高速沉積到工件表面形成涂層的技術(shù)[7]。電弧噴涂時(shí)，兩根金屬線材相交成一定的角度(通常為25° ～ 45°)并連續(xù)送進(jìn)，分別接通電源的正負(fù)兩極；兩根線材的端部在短接的瞬間因接觸而產(chǎn)生電?。辉陔娫吹淖饔孟?，電弧保持穩(wěn)定燃燒；在電弧發(fā)生點(diǎn)的背后，經(jīng)霧化噴嘴加速后的高速氣流使熔化的熔滴脫離線材并霧化為粒子，在高速氣流的作用下噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基材表面形成涂層[7-8]。

2. 2 特點(diǎn)

鋅、鋁及其合金噴涂層是最常用的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂層，電弧噴涂工藝是這類防腐涂層大面積涂裝施工的最經(jīng)濟(jì)和最高效的熱噴涂方法。電弧噴涂技術(shù)是新興的表面工程學(xué)科中熱噴涂技術(shù)的重要分支，與其他熱噴涂技術(shù)相比具有防腐壽命長、與基體結(jié)合力高、涂層質(zhì)量好、可修復(fù)性強(qiáng)、適應(yīng)性好、操作靈活、不受工件尺寸限制、既可手工噴涂也可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工、對(duì)環(huán)境條件要求低等眾多特點(diǎn)[7,9-14]。

基于以上特點(diǎn)，電弧噴涂技術(shù)已經(jīng)成為一種極為廣泛應(yīng)用的表面工程技術(shù)，隨著電弧噴涂設(shè)備、工藝和材料的發(fā)展，電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，不僅可取代普通火焰噴涂，甚至可以部分取代等離子噴涂和超音速火焰噴涂。

3 電弧噴涂技術(shù)在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用

目前針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁長效防腐涂層配套系統(tǒng)主要是重防腐蝕涂料涂層體系和電弧噴涂復(fù)合涂層體系兩種，在國內(nèi)外橋梁上均有大量應(yīng)用實(shí)例。從科學(xué)研究成果、工程應(yīng)用效果以及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求來看，為保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用的長壽命，國內(nèi)外對(duì)大型橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)長效防腐方法更趨向于采用電弧噴涂技術(shù)。

3. 1 電弧噴涂技術(shù)在國外橋梁建設(shè)中的應(yīng)用

電弧噴涂長效防腐技術(shù)在鋼鐵橋梁上成功應(yīng)用已成為世界典范。20世紀(jì)50年代以后北美及歐洲建造的橫跨大江、大河和跨越海峽的鋼橋大多采用熱噴涂防腐蝕，均取得25年以上的長效防腐蝕效果[9]。美國俄亥俄州、伊利諾伊州、北興羅那州、印第安納州、康涅狄格州等大橋管理部門經(jīng)過應(yīng)用調(diào)查得出結(jié)論：電弧噴涂是最長久的防腐蝕方法，至少可以獲得50年以上防腐蝕效果[15]。美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)對(duì)鋼橋梁的防腐蝕方法進(jìn)行了長期的研究，其研究報(bào)告──FHWA/IN/JTRP-98/21《美國鋼橋保護(hù)政策》認(rèn)為，噴涂鋅、鋁或鋅鋁合金涂層外加封閉涂層的復(fù)合涂層可以最長久有效地保護(hù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)[7,9]。數(shù)十年來，美國已有上百座鋼橋采用金屬噴涂防腐蝕技術(shù)[7]。表1列出了電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用在國外橋梁中的部分實(shí)例[7,9,15]。

表1 電弧噴涂技術(shù)在國外橋梁建設(shè)中的應(yīng)用(部分實(shí)例)Table 1 Application of arc spraying technology to bridge construction abroad (some examples)

3. 2 電弧噴涂技術(shù)在國內(nèi)橋梁建設(shè)中的應(yīng)用

1965年，南京長江大橋下層鐵路枕木下面的主梁“上蓋板”采用了噴鋅涂層外加 6層耐磨涂料的防護(hù)工藝，這是我國第一次嘗試對(duì)大型橋梁的部分鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬噴涂防腐蝕處理[9]。近年來，電弧噴涂長效防腐技術(shù)在我國的鋼橋梁上獲得成功的推廣應(yīng)用。到目前為止，我國應(yīng)用電弧噴涂長效防腐技術(shù)所完成的鋼橋梁已有百余座，表2列出了電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)橋梁中的部分實(shí)例[9]。

電弧噴涂純Al或Zn涂層都能為陸地和海洋環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)提供長效防腐，這些涂層系統(tǒng)適當(dāng)封孔或刷漆后能極大地減少維修量，應(yīng)用十分廣泛。較厚的金屬涂層和封閉層能延長涂層使用壽命，可以提高涂層在惡劣環(huán)境下的耐腐蝕性能。電弧噴涂長效防腐涂層可以達(dá)到以下效果：20年內(nèi)不需要任何維護(hù)，40年內(nèi)只需很小的維護(hù)[9]。鋼橋梁采用電弧噴涂長效防腐技術(shù)將獲得長達(dá)30 ～ 50年以上的使用壽命，如果表面的有機(jī)涂層能得到良好的維護(hù)，則該復(fù)合涂層甚至可以獲得更長的使用壽命，這將節(jié)約大量橋梁維護(hù)費(fèi)用，減少油漆防腐維護(hù)所帶來的環(huán)境污染，確保鋼橋梁的耐久性和安全性，因此將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[15-16]。

4 電弧噴涂技術(shù)施工工藝

電弧噴涂技術(shù)施工一般分5個(gè)流程：表面預(yù)處理─噴砂處理─電弧噴涂─封孔─涂層質(zhì)量檢測[7-8]。

4. 1 表面預(yù)處理

基體金屬表面預(yù)處理狀況決定著防腐涂層與基體的結(jié)合性能，對(duì)防腐涂層的使用壽命具有決定性影響。首先利用工具清除鋼鐵表面污物，并用有機(jī)溶劑或金屬清洗劑清洗鋼結(jié)構(gòu)表面的油污。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)外表面上的刺屑、焊渣、飛濺物、氧化皮鐵銹以及其他雜物要徹底清除干凈并保持鋼結(jié)構(gòu)外表面干燥，達(dá)到噴砂的要求，具體技術(shù)參數(shù)參照GB/T 11373–1989《熱噴涂金屬件表面預(yù)處理通則》。

4. 2 噴砂處理

進(jìn)行噴砂除銹施工時(shí)，基體的溫度至少高于大氣露點(diǎn)3 °C。磨料采用棱角鑄鋼砂，粒度0.5 ～ 1.5 mm，表面必須清潔、干燥、無油污、無可溶性鹽類等。采用壓力式噴砂機(jī)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)外表面進(jìn)行噴砂除銹，除去表面全部銹蝕產(chǎn)物和焊渣等濺射物，表面清潔度達(dá)到Sa2.5或Sa3級(jí)、粗糙度Rz25 ～ 100 μm。對(duì)構(gòu)件的焊縫處因焊接而硬度增大，在除銹時(shí)應(yīng)予以特別注意。

表2 電弧噴涂技術(shù)在國內(nèi)橋梁建設(shè)中的應(yīng)用(部分實(shí)例)Table 2 Application of arc spraying technology to bridge construction in China (some examples)

噴砂的工藝參數(shù)[7]如下：

經(jīng)噴砂除銹后的鋼結(jié)構(gòu)表面用目視法檢驗(yàn)，與預(yù)先制作好的標(biāo)準(zhǔn)樣塊進(jìn)行對(duì)比，按照GB/T 8923–1988《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》和 GB/T 11373–1989進(jìn)行。

4. 3 電弧噴涂

使用電弧噴涂設(shè)備對(duì)噴砂合格的表面進(jìn)行電弧噴涂，對(duì)于面積大且平整的鋼箱梁底面等部位，推薦使用機(jī)械化工裝和大功率二次霧化電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行電弧噴涂，其他部位采用手持二次霧化電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行電弧噴涂。電弧噴涂的工藝參數(shù)[7]如下：

注：相鄰噴涂區(qū)應(yīng)有1/3寬度重疊。

4. 3. 1 環(huán)境要求

當(dāng)待噴涂工件表面處在凝露狀態(tài)下時(shí)，不能進(jìn)行噴涂。待噴涂工件表面的溫度應(yīng)保持在比露點(diǎn)溫度高3 °C以上、環(huán)境相對(duì)濕度小于85%才能進(jìn)行噴涂。噴砂后應(yīng)在4 h內(nèi)進(jìn)行電弧噴涂工作。相對(duì)濕度增大時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步縮短噴砂和電弧噴涂的時(shí)間間隔。

4. 3. 2 原材料要求

電弧噴涂用鋁絲依據(jù)GB/T 3190–2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》進(jìn)行檢驗(yàn)，鋁絲純度應(yīng)達(dá)到 GB/T 9793–1997《金屬和其他無機(jī)覆蓋層 熱噴涂 鋅、鋁及其合金》規(guī)定的99.5%以上；電弧噴涂用鋅絲依據(jù)GB/T 470–2008《鋅錠》進(jìn)行檢驗(yàn)，鋅絲純度應(yīng)達(dá)到 GB/T 9793–1997規(guī)定的99.99%以上；電弧噴涂用鋅鋁合金絲依據(jù)GB/T 12608–2003《熱噴涂 火焰和電弧噴涂用線材、棒材和芯材 分類和供貨技術(shù)條件》進(jìn)行檢驗(yàn)，鋅鋁合金絲成分應(yīng)達(dá)到GB/T 9793–1997規(guī)定的典型鋅鋁合金85%Zn–15%Al要求。所有絲材應(yīng)表面光滑，無氧化，無油脂和其他污垢，不允許有較嚴(yán)重的表面缺陷，線材盤繞不允許有折彎和嚴(yán)重扭彎。

4. 4 封孔

由于電弧噴涂是采用電弧將合金絲材熔化后，將霧化后的合金絲材以極高的速度附著在工作表面，因此熔化后的合金絲材仍是顆粒狀態(tài)，它們之間仍有一定的空隙。當(dāng)涂層暴露于大氣、蒸汽、工業(yè)氣氛、化學(xué)活性物質(zhì)、腐蝕氣體及高溫環(huán)境中時(shí)，孔隙引入腐蝕元素使涂層與基體發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)侵蝕，導(dǎo)致涂層失效，在這種情況下，必須對(duì)涂層進(jìn)行封孔，從而使涂層能夠達(dá)到更好的防磨、防腐效果，提高表面光潔度。

封閉處理前，電弧噴涂涂層表面不得有污染或水氣，如不符合要求，應(yīng)進(jìn)行表面清理，直到符合要求才能進(jìn)行封閉涂裝。施工應(yīng)在露點(diǎn)溫度3 °C以上、相對(duì)濕度 85%以下進(jìn)行，雨天應(yīng)停止封閉涂裝作業(yè)。封閉應(yīng)在通風(fēng)良好的環(huán)境下施工，風(fēng)速超過10 m/s時(shí)應(yīng)停止噴漆作業(yè)或采取適當(dāng)措施，比如使用防雨布遮擋等辦法，減少刮風(fēng)對(duì)噴漆的影響后再進(jìn)行噴漆作業(yè)。

4. 5 涂層質(zhì)量檢測

4. 5. 1 外觀

電弧噴涂層外觀應(yīng)均勻、致密，無漏噴和附著不牢的涂層，無大熔融顆粒黏附，可采用目視法檢驗(yàn)。

4. 5. 2 厚度

使用磁性測厚儀用“十點(diǎn)法”測量電弧噴涂層厚度，按GB/T 9793–1997和GB 11374–1989《熱噴涂涂層厚度的無損測量方法》進(jìn)行。

4. 5. 3 結(jié)合力

電弧噴涂層的結(jié)合力決定了涂層能否長久有效地為鋼鐵提供耐腐蝕保護(hù)。如果涂層結(jié)合不牢，無論多么耐腐蝕的涂層，都將失去意義。因此，電弧噴涂層與鋼鐵基體結(jié)合力應(yīng)是第一類質(zhì)量控制指標(biāo)。鋁涂層結(jié)合力的檢測都是破壞性的，通常的檢測方法有定量測量法和定性測量法。定量測量法一般用于施工工藝評(píng)定和相應(yīng)試驗(yàn)，按照GB/T 8642–2002《熱噴涂 抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測定》執(zhí)行；定性測量法一般用于現(xiàn)場施工時(shí)檢測涂層結(jié)合力，按照GB/T 9793–1997進(jìn)行。

5 展望

(1) 電弧噴涂作為20世紀(jì)80年代再興的技術(shù)，以其靈活、突出的經(jīng)濟(jì)特性及涂層性能取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)效益成為經(jīng)濟(jì)生活中的主要目標(biāo)，電弧噴涂會(huì)在長期內(nèi)比其他熱噴涂技術(shù)更適合我國的國情。目前國內(nèi)電弧噴涂技術(shù)日趨成熟，正處于大量應(yīng)用的階段。

(2) 電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展主要圍繞理論研究、噴涂新材料的開發(fā)和電弧噴涂新技術(shù)的應(yīng)用等方面，其中理論研究主要集中在噴涂過程、涂層性能、涂層熱應(yīng)力等方面[17-18]。為適應(yīng)不同環(huán)境下的腐蝕防護(hù)、耐磨、耐高溫等性能要求，開發(fā)新型噴涂絲材也是擁有良好發(fā)展前景和活力的方向，同時(shí)也拓寬了電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域[18-20]。近年來，隨著傳統(tǒng)電弧噴涂技術(shù)的不斷完善，又涌現(xiàn)出了許多電弧噴涂新技術(shù)，如高速電弧噴涂[13,20]、高速脈沖電弧噴涂、復(fù)合電弧噴涂、保護(hù)氣氛電弧噴涂、真空電弧噴涂、等離子轉(zhuǎn)移電弧噴涂及單絲電弧噴涂。這些電弧噴涂新技術(shù)的出現(xiàn)，提高了噴涂的效率，改善了電弧噴涂涂層的質(zhì)量，進(jìn)一步拓寬了電弧噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Application of arc spraying technology to bridge construction //

WANG Hui-yang*, LI Cheng-yu, CHAO Bing, NI Ya, LI Ping, LIU Guo-Bin

The principle, characteristics and application of arc spraying technology in bridge construction at home and abroad were introduced. The construction technology of arc spraying was described. The prospect of arc spraying technology was forecasted.

arc spraying; bridge; anticorrosion; application; prospect

School of Materials Science and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

TG174; TQ639

B

1004 – 227X (2011) 09 – 0074 – 04

2011–06–11

2011–06–23

王會(huì)陽（1987–），男，山東濟(jì)寧人，在讀碩士研究生，主要從事金屬、非金屬加工及表面工程技術(shù)方向的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) wanghuiyang123321@126.com。

[ 編輯：吳杰 ]