学习土木工程的林志炫转行做歌者，钢铁腐蚀损失惊人

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全球每年生产的钢铁约有十分之一变成锈蚀，30%的钢制设备因腐蚀而损坏。国际上公认各国腐蚀损失约占国内生产总值的3%至5%。2016年，国际权威组织公布，腐蚀造成的总成本预估达2.5万亿美元。[1]

2016年，中国工程院公布的数据显示，2014年腐蚀造成的损失总额超过2.1万亿元，相当于每个中国人均损失1500多元[2]。如此惊人的腐蚀损失还只是经济方面的表现，如果考虑到因腐蚀引发的灾难性事故的损失，这个损失更是不可估量。

钢闸门、启闭机等金属结构设备在水利水电行业中尤为重要，承担引水、泄水、排沙、导流等控制功能，除其本身结构安全外，还必须耐腐蚀、安全。对金属结构设备涂装防腐涂层是保护其免受腐蚀的重要方法之一。水利水电工程金属结构防腐指导性文件有：《水利水电工程金属结构防腐规范》SL 105-2007、《水电水电工程金属结构设备防腐技术规程》DL/T 5358-2006。防护涂层通过屏蔽作用、抑制作用或牺牲作用中的一种或两种作用，对钢结构起到短期或长期的保护作用。在所有防护涂层中，含锌涂层是必不可少的。 它们也是长期重防腐保护的主力军，最常用的是环氧含锌涂料或无机硅酸锌涂料，此外，用锌（铝）保护钢材的其他方法还有热镀锌、电镀锌、热喷锌（铝）和冷涂锌。

本文拟结合国际标准组织、国家标准体系及国际公认的防腐技术文件，对锌（铝）及涂层双重防护的要求作简要探讨，供水利水电工程金属结构从业人员参考。

（本文为第一部分，共三部分）

1 金属表面的金属防护措施[3]

（1）热镀锌

根据《GB/T 13912-2002金属覆盖钢件热镀锌技术要求及试验方法》，热镀锌是指将经过预处理的钢件或铸铁件浸入熔融的锌槽中，使其表面形成锌或锌铁合金镀层的工艺和方法。热镀锌有时也简称为热镀锌或热浸镀锌。对于钢件和铸铁的热镀锌层，GB/T 13912-2002第6.2节“厚度”规定，钢材的热镀锌层厚度局部至少为35~70μm，平均至少为45~85μm。

图1 热镀锌层金相照片（横截面）

（2）电镀锌

电镀锌，工业上又称冷镀锌，是通过电解作用在工件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的工艺过程。《GB/T 9799-2011金属和其他无机覆盖层-钢铁上处理过的电镀锌》介绍指出，在酸性氯化锌、碱性无氰锌、碱性氰化锌溶液中电镀锌，可获得锌电镀层，用于钢铁的防护和装饰。锌电镀层的防护性能与镀层厚度、工件暴露处的使用条件类型有关。

从整体防腐性能上来说：热镀锌优于电镀锌；热镀锌的锌层厚度远远大于电镀锌；热镀锌的过程一般是物理变化，而电镀锌是化学反应；

热镀锌致密性、光滑性较低，一般用于重防腐；电镀锌致密性、光滑性较高，一般用于室内用途，如家电、电脑机箱、接口设备等。金属结构设备的金属涂装防护主要以热喷锌（铝）为主。

（3）热喷涂锌（铝）

热喷涂锌（铝）是将熔融的锌、铝或锌铝合金用火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂（超音速火焰喷涂）等方法喷涂到钢铁表面的过程。热喷涂层通过机械、冶金化学和物理方式与钢铁结合。

热喷涂过程中，由于熔融的喷涂材料与钢铁表面发生碰撞，导致热喷涂涂层表面变得很粗糙，类似喷砂，如图2所示，表面粗糙度一般为30~100μm。

图2 铝热喷涂后形成的粗糙表面

为了降低喷涂层固有的孔隙率，热喷涂涂层需要进行封孔处理，有人认为封孔厚度应为30~60um[4][5][6][7][8]，也有人认为封孔剂应填满金属空隙，且涂覆后金属涂层表面不应有可测量的封孔剂涂层[9]。

（4）冷镀锌

冷镀锌自1975年开发成功以来，在电力、石化、通讯、桥梁防腐等领域的钢结构上得到广泛应用。冷镀锌在防腐行业又称为冷喷锌、冷镀锌、镀膜锌、锌基涂层。2015年，工信部发布了《冷镀锌》HG/T 4845-2015标准；2019年，交通运输部发布了《桥梁钢结构冷喷锌防腐技术条件》JT/T 1266-2019标准。

冷镀锌涂料是由锌粉、有机树脂、溶剂组成的单组份高锌涂料，HG/T 4845要求不挥发物中总锌含量≥95%，金属锌含量≥92%。目前冷镀锌所用的成膜树脂主要有聚苯乙烯、聚硅氧烷、丙烯酸、环氧酯等。

冷镀锌涂层除具有一般有机涂层的屏蔽保护作用外，还具有良好的电化学保护功能。与其他双组份富锌涂料如环氧富锌涂料、无机富锌涂料和其他单组份富锌涂料相比，冷镀锌涂层中的锌含量极高。冷镀锌涂层施工方便，使用前无繁琐的混合工序，混合后无使用时间限制，不需特殊技术，只需搅拌即可保证所需的涂层厚度，为钢材提供良好的保护。与热镀锌、热喷锌（铝）相比，冷镀锌涂层在表面处理要求、施工方法、施工难度、能耗、效率、环保安全以及重涂维护等许多方面更具有优势。

当然它的缺点也是显而易见的，一是由于冷涂锌的锌粉含量较高及树脂性能缺陷，导致冷涂锌与钢材的结合力或自身粘结力较差，结合强度变化很大，从1.0Mpa到14.0MPa不等；二是涂层与其他涂层的匹配性能较差，常常由于匹配漆的溶剂性强，造成冷涂锌层脱落，防腐失效。

2. ISO 12944，一项广泛认可的防护涂层标准

在众多的重防腐涂层标准中，ISO 12944《用色漆和清漆涂装钢结构防腐涂层系统》（以下简称ISO 12944）是防腐领域最基础的系列标准，重防腐领域的其他标准一般都是在此标准的基础上制定的。该标准由国际标准化组织为从事防腐工作的业主、设计方、咨询方、涂装承包商、涂料生产和施工公司等编制。该系列标准对钢结构在各种腐蚀环境和耐久性条件下防腐涂层系统的选择和施工、钢结构的设计、基材类型和表面处理方式、涂层系统的性能评价、涂层的实施和管理、项目技术规范的制定等都具有重要的指导作用。

尽管 ISO 12944 不处理商业和合同问题，但如果不遵循该标准的要求和建议并采用不适当的防腐措施，可能会造成严重的经济后果。

（1）ISO 12944概述

ISO12944由八个部分组成，自1998年制定以来，已在世界范围内得到广泛有效的应用，2007年对其核心部分“第五部分：保护涂层系统”（ISO 12944-5:2007）进行了修订。

2014年，我国涂料和颜料标准化技术委员会在ISO 12944的基础上制定了相应的国家标准《色漆和清漆防护漆体系对钢结构的防腐保护》GB/T 30790-2014（现行版），共8个部分，封面上明确标注了MOD，表示修改。

2017年至2018年，ISO 12944进行修订，在原有8个部分的基础上增加了第9部分（并入ISO20340，参见本文第3部分），如图3所示。

图3 ISO 12944“油漆和清漆保护涂层体系对钢结构的防腐保护”

2019年ISO发布了ISO 12944-5:2019版本，如图4

图4 ISO 12944-5:2019版本封面

（2）ISO 12944腐蚀环境与耐久性分类

现行ISO 12944根据典型金属的质量或厚度损失，将大气腐蚀环境分为C1、C2、C3、C4、C5、CX六类，并给出了典型环境条件下内外部条件的示例；根据钢结构周围介质，将水和土壤的腐蚀等级分为：Im1(淡水)、Im2(盐水或微咸水)、Im3(土壤)、Im4(有阴极保护的盐水和微咸水)，并给出了示例，如图5所示。

图5 ISO 12944水和土壤的腐蚀分类

对于内陆淡水环境中的钢闸门，可以理解为Im1；对于内陆咸水区域钢闸门及近海潮汐闸门，可以理解为Im2和Im4；对于埋地金属管道，可以理解为Im3。

耐久性也从 1998 年版的三个耐久性范围修订为 2017 年的四个耐久性范围，并增加了 >25 年的超高 VH 水平，如图 6 所示。

图6 ISO 12944耐久性等级变化表

（3）ISO 12944对热喷涂和涂层双重防护的要求

ISO 12944-5:2007版:表A.8给出了热喷涂金属表面的涂层保护体系,如图7所示。

图7 ISO 12944-5:2007版热喷涂金属表面处理

以Im1环境为例，A8.03要求在热喷涂金属后，喷涂一层环氧封闭漆，漆膜厚度无法测量；再喷涂两层环氧EP涂层或环氧合成EPC涂层，总漆膜厚度为450um（共3层，两层，厚度450），达到高耐久性防护（>15a）。

值得注意的是，2018年修订版（包括2019年版）仅提供了在C4、C5大气环境中对热喷涂与涂层的组合防护，不再建议在水和土壤环境中对热喷涂与涂层进行组合防护，如图8所示。

图8 ISO 12944-5:2019版热喷涂金属表面处理

表格第 4 段注释的参考翻译为：在含氯化物环境中对热喷涂铝进行覆层时应特别小心。已记录了过早失效的情况。请参阅参考文献 13（见下文，2004 年 NACE 腐蚀会议发布的“涂漆 TSA 的快速失效”）。原因可能是因为当在热喷涂铝上施加涂层（尤其是厚涂层）时，铝会在有机涂层下腐蚀形成氯化铝，氯化铝在水中极不稳定，与水反应形成盐酸（pH < 4），这会导致更活跃的腐蚀。

图8附录E中表E.1注解的参考翻译为：

可以使用用于浸泡腐蚀环境中的热喷涂金属涂层涂料系统。但是，应特别注意确认其适用性。应用于热喷涂金属涂层表面的涂料系统不会自动防止早期故障的发生，在某些情况下，还可能导致保护系统过早损坏。在特定浸泡环境中选择热浸镀锌表面涂料系统时，应逐案分析，严格评估风险因素，并应根据在相同基材和相同浸泡条件（水类型、温度、流速、pH 值、硬度等）下的可靠应用记录做出决定。

此声明也出现在热浸镀锌钢涂层系统的附件 D 中。

以上解释与国内法规解释类似，可以沿用，但需具体问题具体分析，并做好后续记录。直译需谨慎使用。

在水和土壤环境中，现行ISO 12944标准附录C.6给出的推荐解决方案如图9所示。

图9 ISO 12944-5:2019 附件C.6

以I.02为例，喷涂含锌量80%以上的环氧（EP）富锌底漆（或聚氨酯PUR富锌或硅酸乙酯ESI富锌）一道，漆膜厚度60~80um；再喷涂1~4道环氧漆或聚氨酯漆，总漆膜厚度500um，在Im1~Im3环境中可实现>25年的超长期防护。

综上所述，根据ISO 12944的建议：钢闸门可以通过喷涂环氧底漆或富锌底漆辅以环氧漆或聚氨酯漆来防止腐蚀（业界不建议在水下环境中使用富锌底漆）。

也可以喷两遍环氧漆，最后喷一层聚氨酯面漆，但漆膜会更厚一些。

3. ISO 20340:2009，海上平台防护涂层系统性能要求

ISO 20340：2009 关注的环境类型包括：

◆常压级C5-M；

◆永久浸泡在海水中的环境Im2；

◆潮汐地区，周期性地受到海水和大气的共同影响；

◆浪花区：受波浪、飞溅物侵蚀的区域。

GB/T 31415-2015（IDT）采用ISO 20340，仍为现行版本。表3给出了保护系统的最低要求，如图10所示。

图10 GB/T31415-2015表3 保护系统最低要求

2017 年和 2018 年，ISO 12944 修订时，ISO 20340:2009 被纳入，并由ISO 12944-9:2018 取代。新标准强调了大气腐蚀等级 CX（海上）中 Im2 环境类别、浸没腐蚀等级 Im4（具有阴极保护的海水环境）和 CX+Im4 环境（对应于 NORSOK M501 中的 CX+Im4，参见本文第 6 部分）的推荐涂层保护系统。

再说船舶的阴极保护：船舶的外部结构是水线以上的部分；水线是满载水线和轻载水线之间的部分；船底通常有阴极保护，例如图11中的海底阀箱。海上建筑物应该类似，不只是说Im2，一般来说，浸没环境是海水Im4，有阴极保护。（此段只是我个人的猜想）

图 11 具有阴极保护的海底门

ISO 12944-9:2018的表3给出了保护涂层系统及其性能的最低要求，如图12所示。

图12 ISO 12944-9:2018 表3 推荐的防护系统

此热镀锌和热镀锌解决方案建议应用于CX（海上）环境，要求至少两层有机涂层，总干膜厚度为200um。

在其注a中，写到：……由于存在涂层剥落和TSA腐蚀的风险，不建议在TSA上涂复涂，只建议涂封闭涂层。有趣的是，表中的“热镀锌钢或热喷锌涂层钢”明明是“热镀锌钢或热喷锌涂层钢”，但注a上写的却是TSA（热喷铝）。看来，“热喷铝只封闭不涂漆”的观点深深地刻在了标准制定者的脑海里。

因此可以理解为： ①在CX气氛环境中采用镀锌或热喷涂TSZ。 ②在CX气氛环境中镀锌或热喷涂锌层可以被有机涂层覆盖。 ③热喷涂铝TSA封闭后，不存在有机涂层（有机涂层可能会腐蚀金属铝）。

[待续]

参考

[1] 张作华, 宋光宇. 钢铁金属热喷涂防腐技术[J]. 涂料与防护, 2020, 41(06): 42-46.

[2]林玉珍.金属腐蚀与防护简读[M].北京:化学工业出版社,2019.

[3] 邓本金. 锌(铝)及有机涂层对钢基材的双重防腐保护[J]. 涂料与防护, 2021, 42(07): 48-56.

[4] 邵世鹏, 廖方振. 水库分层取水口金属结构总体设计与布置[J]. 人民珠江, 2023, 44(S2): 97-102.

[5]刘冬梅.新疆双港航运枢纽工程三角闸门制造工艺研究[J].水科学与工程技术,2022,(01):42-45.DOI:10.19733/ki.1672-9900.2022.01.12.

[6] 张爱元, 刘守兵, 曹淑银, 等. 水电站大坝钢闸门芦笋聚脲中涂研究与应用[J]. 中国涂料, 2023, 38(10): 17-23. DOI: 10.13531/ki.china.coatings.2023.10.004.

[7]刘兴艳.水工钢闸门防锈喷涂施工工艺探讨[J].江西水利科技,2023,49(06):460-465.

[8] 李洪成,杨启明,李凯. 新阳港水闸闸门防腐修复技术[J]. 江苏水利, 2013, (06): 35. DOI: 10.16310/ki.jssl.2013.06.023.

[9]ISO 12944-5:2019，油漆和清漆—防护漆体系对钢结构的防腐保护。第5部分：防护漆体系。

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