文字|宋光宇 杭州泽宇喷涂工程有限公司总经理
上海顺迪实业有限公司技术总监 张作华
资深主持人
钢铁是世界上应用最广泛、储量最丰富的金属材料，也是腐蚀危害最严重的金属。全球每年生产的钢材约有1/10会生锈，30%的钢铁设备因腐蚀而损坏。国际公认，各国腐蚀损失占国内生产总值（GDP）的3%-5%，国际权威机构估计2016年腐蚀总成本为2.5万亿美元。
2016年，我国中国工程院公布，2014年腐蚀总成本预计超过2.1亿元，相当于每个中国人1500多元。如此惊人的腐蚀成本只是经济损失。如果因腐蚀造成的灾难性事故付出的代价更是难以估量，如：切尔诺贝利核电站核泄漏事故、日本福岛核电站爆炸事故、青岛石油管道泄漏引发的爆炸事故等。
面对钢铁腐蚀造成的资源浪费和灾难性事故的发生，防护是最经济有效的节约措施和安全保障。
钢材防护的主要方法有以下几种：
其中3、4、5显然不适合大型构件和现场施工，而1、涂膜隔离保护虽然操作方便，但容易剥落，不环保，易燃易爆。不安全，耐腐蚀时间不长。短的只有3-5年，2017年长效重防腐只持续了10-15年。塑料在户外会迅速老化并且成本高昂。 2、阴极保护需要专用电源和辅助材料，必须与其他保护措施有效结合才能发挥最大效果。如阴极保护基材涂层等。
采用金属热喷涂技术是当今和未来钢构件、钢设备或储罐等钢配件表面保护的理想工艺之一。热喷涂表面使用的金属材料也采用阴极保护原理，主要有锌、铝、锌铝合金或伪锌铝合金、不锈钢等。通过热喷涂金属锌、铝、锌-铝合金或不锈钢在钢材表面添加封闭剂，可实现长效防腐复合涂层。有效防腐寿命达到20-30年，国外最长记录为60-70年。
如今，桥梁钢结构或箱梁热喷涂涂膜的防腐寿命要求已提高到100年。热喷涂使用的金属材料有很多。本文以最常见的锌、铝、锌铝合金或不锈钢为代表进行技术总结。暂时涉及到锌和铝，因为这两种是最常用、最成熟的，其他的这个稍后再说。
国外锌铝镀层的应用比较早。 1910年，瑞士的肖普博士提出热喷涂锌和铝的建议。 1922年，法国巴黎圣但尼运河的水闸闸门采用了镀锌。后来又在各种水闸门、污水架、排放阀、门、窗、船体、桥梁和液化石油气上热喷涂锌层。我国在20世纪60年代也将热喷锌应用于高压输电塔杆、广播电视输电塔、锅炉部件、化肥厂碳化塔、水下闸门等，并取得了良好的效果（大部分服役年限均为20岁以上）。
随着热喷涂技术的发展，我国已将热喷锌、热喷铝或其他合金热喷涂广泛应用于航空航天、水利工程、桥梁以及一切长期防腐钢结构。最著名的是三峡大坝的大坝闸门、长江、黄河的钢结构以及所有跨江跨海桥梁。
锌、铝镀层的优点如下：
锌镀层和铝镀层的防腐效果相似，但也有区别。锌的自密封性能和对钢的阴极保护性能均优于铝。铝在腐蚀介质中的化学稳定性比锌好，因此热喷涂铝更适合钢铁在腐蚀介质中的长期防腐。
锌铝镀层或锌铝伪合金镀层都起到阴极保护的作用，但锌镀层的腐蚀速度比铝镀层快。防腐寿命与涂层厚度成正比。为了达到同样的防护效果，锌层应比铝层厚。锌的沉积率约为70%，铝的沉积率约为50%。
施工过程中产生的氧化锌粉尘对人体健康有害。锌和铝的腐蚀产物不同。锌腐蚀产物ZnO易溶于雨水或自然水，而铝腐蚀产物Al2O3在任何条件下都不溶解，因此锌层的有效保护期完整。取决于涂层的厚度，而铝涂层依赖于表面致密的氧化膜，其化学性质特别稳定，也是密封涂层的惰性基体。但如果镀锌密封涂料选择不当，可能会引起皂化反应，导致油漆脱落。气泡等缺陷。
在海洋、海水和工业大气环境中，铝涂层更有效。在弱碱性环境介质中，镀锌层提供更好的保护。为了使锌和铝金属的优点互补，形成锌铝合金或锌铝伪合金可以弥补上述缺陷。如果按照合金丝热喷涂（电弧喷涂）锌铝比为85/15，如果是伪合金，锌和铝会分开发送。丝绸，体积比为1：1，重量约为7：3。
了解钢材热喷涂的意义，特别是锌、铝或锌铝合金（包括伪合金）热喷涂的意义。除了金属材料本身的热喷涂外，施工工艺对于钢材的保护也非常重要。在热喷涂施工工艺中，通常有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂甚至超音速喷涂。具体工艺为钢材表面处理------金属热喷涂------封孔处理。钢材表面处理是金属热喷涂中最关键的一步。处理是否到位对金属热喷涂层的附着力有着决定性的关系。
笔者建议金属热喷涂中必须采用干式喷砂进行表面处理。最佳磨料粒度为0.5-2mm冷喷钢砂。粒度混合约0.5-1㎜约占30%，1-2㎜约占40%-50%，粗磨料约占10%-15%。喷枪喷嘴直径约为8-12mm，除锈等级符合GB8923标准中的Sa2.5级钢结构防腐蚀设计年限，表面粗糙度为RZ（50-80）μm。根据干喷砂活化钢材表面并防止二次返锈的能力，金属热喷涂必须在干喷砂后按国家标准在4小时内、按ISO标准在8小时内进行。
在晴朗天气或恒温恒湿条件下，如基材表面无浮锈，可适当延长，否则需再次喷砂。热喷涂材料金属锌、铝、锌铝合金丝直径1.6-3mm。按GB/T12608-2003热喷涂火焰和电弧喷涂用线材、棒材和芯材分类及供货技术条件，锌含量≥99.99%，铝含量≥99.5%，无油污。锌铝合金推荐使用Zn85Al。
火焰喷涂是利用乙炔和氧气燃烧熔化金属丝，以空气为动力将其吹到钢材表面的原理。常用的火焰喷枪型号有QX-1和SAP-1。气压在0.5Mpa以上，最佳参数为0.6Mpa，氧气压力为1.2Kg/c㎡，乙炔压力调整为1.5Kg/c㎡，施工温度必须在15℃以上，湿度必须低于 80%。送丝速度120-150㎝/min，喷涂角度80度，喷涂距离100-120㎜，喷枪匀速移动。大面积喷涂时，喷涂后应保持各区域清洁。手不得接触喷涂表面。每层喷涂完成后，10-15分钟后才能进行下一次喷涂。对于大面积喷涂，将工作区域划分为若干个小区域，火花束的喷射角度小于40度，束宽为4-5cm，喷涂时喷射束重叠1/3。
电弧喷涂是利用金属丝电源的正负极产生电弧并将其熔化。压缩空气通过位于两个焊丝喷嘴之间的空气喷嘴喷出，使熔化的焊丝雾化并喷射到钢材表面。考虑到安全性、喷涂效率和涂层密度，广泛采用恒压和直流电源。
由于电弧温度高，热喷涂速度快，是火焰丝喷枪的4-5倍。当喷涂电流为180A左右时，每小时可喷锌量达30Kg。电弧喷涂是各种金属热喷涂方法中能源利用最经济的，因此成本较低。由于温度高，涂层与基体结合强度高，具有冶金结合的功能。
电弧喷涂设备一般有推丝式和拉丝式两种。例如QD7-250为拉丝型，CMD-AS6000为推丝型。这些设备最适合现场施工。直流电压为22-40V，电流为300-600A，正负导电喷嘴之间的角度在30-60°之间。喷射距离和喷射角度与火焰热喷涂基本相似。缺点是电弧喷涂噪音较大。大，喷枪较重，不如火焰喷枪轻。相信随着金属热喷涂技术的发展，轻量化、高效、智能化的电弧喷枪将会层出不穷。
相关电弧热喷涂参数表如下，供施工方参考：
等离子和超音速等离子金属热喷涂是所谓的压缩电等离子体，而超音速等离子金属热喷涂是所谓的压缩电弧。其温度可达30000K钢结构防腐蚀设计年限，除了喷涂丝材外，还可以高速喷涂金属粉末。速度更快，涂层硬度高，涂层孔隙率小于1%，而电弧喷涂孔隙率达到5%左右。智能机器人一般在工厂使用较多。
钢材热喷涂后，厚度低于250μm（有的说300μm）必须进行密封。厚度在250μm以上（或300μm以上）由于自密封不需要密封。
封孔处理可以增强金属热喷涂抗强腐蚀的能力，也可以缓解金属涂层与有机涂层的性能差异。密封材料包括重铬酸盐、磷酸盐溶液或粘度很低的树脂。具体选择由环境介质决定。在化学腐蚀环境下，选择密封树脂液的顺序为硅树脂>环氧树脂>聚乙烯树脂较为合理。 。
根据施工经验，笔者推荐铝涂层采用乙烯基铝漆，锌涂层采用富锌环氧漆。建议先喷涂一层或两层底漆，然后再喷涂几层面漆。不建议滚刷。在海洋环境或化学大气环境中，喷涂铝或锌铝合金是主要方法。一般来说，喷锌是大气腐蚀或淡水腐蚀防护的主要方法。
热喷涂厚度对钢材的保护程度与使用寿命成正比。一般来说，随着厚度的增加，防腐寿命也会延长。施工单位可根据以下数据表选择热喷涂厚度甚至增加设计厚度，以最大限度地延长防腐使用寿命。
钢材的长期防腐工艺不断创新，如冷涂锌、锌粉树脂化流化床涂料的发明等；然而，钢铁热喷涂防腐仍然是当今的主力军，因其效果长、成熟、冶金或高活化能等诸多优异性能而受到防腐工程师的青睐。为了更长时间地延长钢材热喷涂防腐的使用寿命（生命周期），许多裸喷金属涂层采用有机和无机覆盖或隔离的方法，例如密封剂或具有高耐候性和耐候性的涂料。耐腐蚀（聚氨酯、氟碳漆、聚硅氧烷等）。
金属热喷涂生命周期与涂层厚度对应表
根据经验，100μm厚度的热喷涂锌丝一般消耗丝材1.5Kg左右。如果是锌铝合金（伪合金），铝丝消耗量约为0.6Kg。实际消耗量取决于粗糙度和施工人员的熟练程度。取决于喷涂设备的差异。我们收集了以下钢铁和金属热喷涂质量要求标准，供热喷涂行业参考和执行：
1 GB/T10123-2001 金属及合金腐蚀基本术语和定义
2 HG/T20679-1990 化工设备及管道外防腐设计规定
3 HGJ229-1991 工业设备及管道防腐工程施工及验收规范
4 GB/T8923—1998 钢材涂漆前表面腐蚀等级和除锈等级
5 GB/T11372-1989 除锈术语
6 GB/T11373—1989 热喷涂金属零件表面预处理通则
7 GB/T13288—1991 钢材涂漆前表面粗糙度等级评定
8 GB/T18838.1-2002 涂装前钢材表面处理喷淋清洗用金属磨料技术要求导则及分类
9 GB/T18839.1-2002 钢材涂装前表面处理通则
10 GB/T18839.2-2002 钢材涂装前的表面处理 表面处理方法 喷砂清理
11 GB/T18839.3—2002 钢材涂装前的表面处理 表面处理方法 手动和电动工具清洗
12 SY/T0407—1997 钢材涂漆前表面预处理规范
13 GB/T9793-1997 锌、铝及其合金上金属和其他无机涂层的热喷涂
14 GB/T12607—2003 热喷涂层命名方法
15 GB/T12608—2003 热喷涂火焰和电弧喷涂用线材、棒材和芯材分类及供货技术条件
16 GB/T18719—2002 热喷涂术语及分类
17 SH3022—1999 石油化工设备及管道防腐涂料技术规范
18 YB/T9256—1996 钢结构及管道涂装技术规定
19 SSPC-CS 23.00/AWS C2.23/NACE No.12：热喷镀铝、镀锌、镀铝锌合金工艺及铁腐蚀原因。
20 SSPC-PA 2：使用磁性漆膜计测量干膜厚度
21 SSPC-SP 1：溶剂清洗
22 SSPC-SP 5：喷砂至原始金属色
23 SSPC-SP 10：喷砂至接近金属色
24 SSPC-VIS 1：铁表面干磨料喷砂指南和参考图集
25 SSPC-TR 3：表面处理过程中的除湿和温度控制
26 SSPC-AB 1：矿物磨料
27 SSPC-AB 2：金属磨料的清洁和回收
28 SSPC-AB 3：金属磨料
29 ASTM D 4138：实践中固化涂层的膜厚测试
30 ASTM D 4285：压缩空气中水和油的检测标准
31 ASTM D 4417：喷砂表面粗糙度测试标准
32 ASTM D 4541：附着力拉伸测试标准
33 ASTM D 4940：喷砂磨料中可溶性盐的测试标准
34 ISO 2063：电弧热喷涂 - 金属和无机涂层 - 锌、铝和锌铝合金
35 ISO 8502：涂漆前金属表面的准备 - 表面清洁度等级评估标准。第 6 章：盐测试
36 ISO 8502：涂漆前金属表面的准备 - 表面清洁度水平评估标准。第 9 章：导电材料和可溶性盐的测试
37 ISO 11126：涂漆前金属表面的准备 - 非金属研磨工艺。
38 ISO 12944：通过涂料和油漆涂层系统对金属结构进行腐蚀防护。第 3 章：结构设计注意事项
39 ISO 14231：热喷涂：电弧喷涂设备的检查
40 ISO 14917：热喷涂：术语、类别
41 ISO 14918：热喷涂：热喷涂操作员测试
42 ISO 14919：热喷涂：火焰和电弧喷涂用丝材和柱填料 - 类别 - 工艺技术支持
43 ISO 14922：热喷涂：热喷涂的质量要求。第一章：材料选择与施工指导
44 ISO 14922：热喷涂：热喷涂的质量要求。第二章：综合质量要求
45 NSF 61：饮用水系统组件 - 对健康的影响
刚才我们总结了热喷涂防腐技术在钢铁金属上的应用。这只是冰山一角。大量一线施工人员最有发言权。他们在长期的热喷涂施工中总结了很多经验，并将好的方法付诸实践。该技术落实到具体项目中，大大提高了生产效率并最大限度地提高了材料覆盖率。我们也期待出现更新更好的钢铁金属热喷涂工艺，为我国钢铁的长效防腐共同努力。
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