陈星斌 毛锦荣 汪有韬 周叶平 冷庆虎
江西省特种设备检验检测研究院 南昌 330096
摘 要：针对起重机械金属结构表面在恶劣环境中易腐蚀的问题，从起重机械服役环境、检验要求等出发，指出起重机械适用的表面防护技术，延长其使用寿命的重要意义。分析了起重机械金属结构腐蚀形式、腐蚀机理及腐蚀原因，综述了近年来国内外的起重机械防护技术研究及方法，提出了一种新的起重机金属结构表面防护涂层。最后通过分析聚脲防护涂层研究现状及发展方向，进一步说明该涂层具有广阔的应用前景。
关键词：起重机械；腐蚀；防护涂层；聚脲
中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）16-0041-04
0 引言
近年来，随着我国工程建设的发展，起重机械在船舶、航空航天、电力、基材、冶金、桥梁铁道等现代化生产中的应用越来越广泛[1]。起重机数量的增多给制造企业带来了机遇，同样也带来许多挑战。据权威数据统计，在国内起重机数量逐年增多的同时，每年拆除报废的起重机数量也显著增加，其中80% 以上的起重机报废是因为其金属结构腐蚀失效导致[2]。由于起重机械使用频率高，工作环境相对恶劣，常被搁置于露天环境或潮湿腐蚀的环境中，其表皮油漆保护层经常会因损坏而丧失防护功能，使金属结构被腐蚀。枣庄市曾发生过两起门式起重机因主要受力构件严重腐蚀，加以使用单位违规强行超载使用，造成金属结构损坏，出现机毁人亡事故。国外的情况同样不容乐观，以发达国家美国为例，据统计每年约50 多人因起重机事故遇难，起重机械金属结构材料腐蚀不仅容易引发安全事故，同时也对金属材料造成了巨大浪费[3，4]。GB6067.1—2010《起重机械安全规程 第1 部分：总则》中3.9 条明确规定起重机主要受力构件发生腐蚀时，应进行检查和测量。当主要受力构件断面腐蚀达设计厚度的10% 时，如不能修复，应报废[5]。
由此可见，在恶劣环境下，如何提高起重机金属结构的抗腐蚀性能，降低起重机的能耗，是当前迫切需要解决的问题。另外，文献[6] 提到服役于石材加工基地和强化学腐蚀等恶劣环境中的起重机械，其金属结构采用普通的油漆涂料很难达到寿命预期值，进一步说明油漆涂装难以满足恶劣环境下起重机防腐要求。因此，研究起重机械适用的表面防护处理技术，延缓其腐蚀速率，延长其使用寿命具有重要的意义。
本文结合国内外起重机金属结构防护方法及相关研究进行分析，提出了一种新的起重机械金属结构防护技术，进而有效提高起重机金属结构的使用寿命，节省更换起重机的生产成本，同时提升了起重机生产企业在起重机领域的创新能力。
1 起重机械金属结构腐蚀行为及原因分析
起重机械主梁及其他主体部分材质主要采用的是普通碳素钢Q235，且对于起重机金属结构的重要承载构件规定要采用Q235B、Q235C、Q235D，对于一般起重机械金属结构，当设计温度不低于-25℃时，允许采用沸腾钢Q235F。对于普通碳素钢腐蚀形式主要可分为均匀腐蚀、孔腐蚀和晶间腐蚀[7]。均匀腐蚀的危害性较低，由于金属构件都有一定的截面尺寸，微小的均匀腐蚀一般不会明显降低金属的机械性能。但对于起重机械的箱形金属结构（箱形梁、箱形支腿、箱形臂等）内腔表面若脱掉一层“皮”，使腹板及壁板结构变薄，易发生安全事故，均匀腐蚀如图1a 所示。孔腐蚀和晶间腐蚀是在金属体的局部范围内发生的腐蚀。这两种腐蚀会减小构件的有效截面积，使零件易发生突然断裂，这两种腐蚀行为危害性较大，如图1b、图1c 所示。研究表明，晶间腐蚀主要是由材料内部的残余应力或者外界施加的应力，导致材料受应力应变和腐蚀共同联合作用而导致破坏[8]，这种腐蚀导致金属结构破坏失效的后果极为严重。
（a）均匀腐蚀
（b）孔腐蚀
（c）晶间腐蚀
图1 起重机金属结构腐蚀形式
起重机械金属结构腐蚀机理主要为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指材料与非导电性的介质直接发生纯化学腐蚀而导致材料的破坏，而电化学腐蚀是通过产生电化学反应产生腐蚀，是一种最普遍、最重要的金属材料腐蚀类型。起重机械钢结构在正常环境下，表面一般生成铁锈Fe3O4 和Fe2O3。但在高温的情况下，钢结构却易形成氧化铁皮FeO。另外，钢铁中的Fe3C 组织在高温下与气体易发生如下反应[9]
3 2 2 Fe C + O = 3Fe + CO ↑
3 2 Fe C + CO = 3Fe + 2CO ↑
反应生成的气体逸出钢铁表面，钢结构表面便形成了脱碳层，从而影响起重机械的使用性能。在恶劣环境下，很容易满足电化学腐蚀必须的三个条件：存在电位差、电解质溶液、发生接触。只要同时满足上述三个条件，就可以形成电化学腐蚀，从而破坏起重机械金属结构。
2 起重机械金属结构防护方法分析
目前，起重机金属结构防腐蚀方法主要有金属结构表层涂装法和牺牲阳极保护法[10]。牺牲阳极保护法通常在涂料中添加比钢铁活性度更高的填料（如锌），通过电化学原理能达到牺牲阳极保护金属结构不受腐蚀的作用，这种方法虽无需外部电源，但对防腐涂层质
量要求极高，同时会消耗有色金属，需定期更换阳极，成本高，且过程复杂[11]。表层涂装方法主要分耐腐蚀金属覆盖法和非金属覆盖法两种，耐腐蚀金属覆盖法一般有电镀法、包镀法、热镀法、渗镀法、喷镀法等，这些方法工艺要求高，工本费高，适用于小型工件，而对于已投入实际应用的大型起重机械，非上述方法所能及，故未被广泛采用。非金属覆盖法是用基础防锈油漆涂抹在金属表面，此方法成本低、操作简便，虽被广泛用于起重机防腐蚀，但是单一的油漆膜不能完全阻止水份和氧气渗透至金属的表面，容易老化和受损，加上涂油漆时工艺上的差距，会导致油漆不能很好的起到长期有效防护作用。在非金属覆盖法研究方面，汪洪峰等人[12]具体分析了起重机械金属结构腐蚀的原因，并且提出了一种新的油漆涂装工艺，但也只是将起重机械的耐蚀年限提高至5 a 左右。可见上述众多防护方法存在着各自的优缺点，目前尚无法找到一种可以有效提高起重机械金属结构的防腐办法。
3 喷涂聚脲弹性体技术应用及分析
热喷涂技术发展较快，作为一种材料表面改进技术在众多工程领域中得到广泛应用[13]，这种方法主要是将配好的材料装入喷涂设备，通过加热将其达到半熔化或熔化状态，再用喷枪将其喷射到所选的基体表面而形成一层涂膜，这种涂层的某些性能比基材都要好，故可有效提高基体材料表面的性能，或使基体材料具备几种自身所没有的表面性能的涂层膜状组织[14，15]。喷涂聚脲弹性体(SPUA) 技术就是其中之一， SPUA 技术是国外近十几年来开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术[16]，符合当前国家关于生态环保、节能减排的政策要求。SPUA 技术的出现为防腐界提供了一种新型材料和施工技术，也为工程应用找到了一种新的捷径。聚脲弹性体是一种集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢等特点于一身的新型万能涂装材料，与其他传统涂层相比较，具有明显的性能优势：如不含催化剂，能快速固化，在任何面喷涂都不产生流淌现象；施工性较好，造价便宜，适合大面积涂装；涂层致密无缝隙，耐酸碱盐，油等介质长期腐蚀；耐紫外线老化，在户外长期使用不开裂等等，其与传统涂装技术相比的优缺点如表1 所示[17-20]。
在喷涂聚脲弹性体(SPUA) 研究中，上世纪60 年代苏联学者Fedotova 就对聚脲合成的进行了研究，到上世纪80 年代中期，著名的化学专家Primeaux 先生首先成功研制出来SPUA 技术[21]。该技术于上世纪90 年代初期在美国某些州区投入使用，由于其优异的综合性能广受企业及用户欢迎，紧接着韩、日也引入SPUA 技术并相继投入研究及应用。我国于1997 年引进该喷涂设备，研发出具有自主知识产权的耐磨、防腐、柔性防撞材料等系列产品，当前国内研究机构主要研究聚脲涂层实用性。孙志恒等[22] 相应的提出了聚脉弹性体技术，具有优异的防腐、耐磨及防渗透效果，在我国水利建筑工程中具有广阔的应用前景。国内对起重机械聚脲涂层涂装工艺等许多关键技术探索与研究仍不完善，相关研究报道甚少，已有文献仅在起重机金属结构喷涂聚脲涂层后的力学性能做了相关研究[23]，结果发现当聚脲涂层厚度为0~0.6 mm 时，聚脲涂层的抗拉强度、最大应力、断面收缩率、表面硬度值逐渐增大；而当厚度大于0.6mm 时，涂层表面硬度基本不变，抗拉强度、最大应力值逐渐下降。若要使聚脲涂层在起重机械领域产业化应用，国内专家学者还应该对该涂层的耐腐蚀性能及退化行为作更深入的研究。
4 结语
随着时代进步及科技发展，根据前瞻产业研究院发布的《2015-2020 年中国起重机制造行业市场需求预测与转型升级分析报告》数据显示，2015 年以后整个起重机制造市场逐渐回暖，年复合增长率达到6.96%，到2020 年，随着上一波起重机的老龄化以及国内各类大型项目的开启，起重机销量将会接近4.4 万台。因此，开展起重机械适用的表面防护处理技术研究，提高起重机金属结构的使用寿命，不仅可以节省更换起重机的生产成本，而且可提高起重机生产企业在起重机领域的竞争力。文中通过分析起重机械腐蚀机理及当前防腐方法的不足，提出了一种新型起重机械金属结构防护涂层，并指出了国内外研究现状及发展方向。 根据国内节能减排政策，提高起重机的防腐性能，推动我国起重机行业的技术进步势在必行， SPUA 防腐蚀技术在起重机行业将具有广阔的前景。
参考文献
[1] 韦陈清. 起重机械腐蚀机理及其防腐办法研究[J]. 黑龙江科技信息，2016(19)：1 673-1 328.
[2] 申强. 浅谈起重机械零件的失效模式及预防措施[J]. 科技向导，2012(11)：179，180.
[3] 王宝柱，黄微波，陈酒姜，等. 喷涂聚脉超重防腐涂层的应用[J]. 聚氨酷工业，2004，19(6)：30-34.
[4] 李鑫茂. 聚脲防护涂层耐候老化及耐介质腐蚀性能研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2011.
[5] GB6067.1—2010 起重机械安全规程 第1部分：总则[S].
[6] 周叶平，廖志雄. 石材加工基地起重机械金属结构腐蚀现状分析[J]. 全面腐蚀控制，2017(8)：58-60.
[7] 郑学良. 门式起重机金属结构的腐蚀及防腐[J]. 铁道货运，2000(3)：43，44.
[8] 向佳瑜. 水利工程防护用聚脲涂层附着性能研究[D].青岛：青岛理工大学，2012.
[9] 谢远伟. 钢结构防护用聚脲涂层耐海洋大气环境腐蚀研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2013.
[10] 孙建宇，冀延君. 大气污染对起重机的腐蚀与防腐措施[J]. 环境技术，2000（30）：20-24.
[11] 黄微波，刘旭东. 桥梁混凝土聚脲防护涂层配套底漆性能研究[J]. 混凝土，2009（12）：121-125.
[12] 汪洪峰，王立涛，张光胜，等. 港口机械防腐及涂装[J]. 现代零部件, 2017 (9): 70-72 .
[13] 华绍春，王汉功，汪刘应，等. 热喷涂技术的研究进展[J].金属热处理,2008,33(5): 82-87.
[14] 贾文杰，吴金祥. 钻井机械零件热喷涂涂层机械加工[J].石油机械,1997,25(8):11-13.
[15] 张健全，徐晋勇，高清，等. 热喷涂技术的发展及应用[J].陕西焦煤科技,2006（8）: 19-22.
[16] 吴涛，朱流. 热喷涂技术现状与发展[J]. 金属热处理,2005，26(4)：2-6.
[17] Primeaux II D J.Polyurea spray teehnology in commercial [C].In：60 years of Polyurethanes: International symposium and exhibition.Univ
e rsity of Detroit mercy，1998.
[18]John Henningsen.Polyurea: Leading a revoluti on in Coating teehnology[J].Painting and Coatings Industry，2002(1)：58-63.
[19] Broekaert M.Polyurea spray coatings，the teehnology and latest developments，polyure thanes for high-performance coatings II[C]. ECC，Berlin，2002.
[20] Primeaux II D J.A study of polyurea spray elastomer systems [J].High Solids Coatings, 1994(15)：2-7.
[21] Primeaux II D J.Polyurea spray teehnology in commercial [C].In：60 years of Polyurethanes：International symposium and exhibition. University of Detroit mercy，1998.
[22] 孙志恒，岳跃真. 聚脉弹性体喷涂技术及在水利工程中的应用[J]. 大坝与安全，2005(1)：63-66.
[23] 廖志雄，周叶平，张伟洪，等. 起重机械金属结构喷涂聚脲涂层的力学性能研究[J]. 热加工工艺，2017,46(20)：158-160.
