港口起重机械腐蚀原理及防腐措施研究

港口起重机械腐蚀原理及防腐措施研究

王璐

王璐

广东省特种设备检测研究院珠海检测院广东珠海519000

摘要：起重机械在港口设备中具有举足轻重地位置，本文基于海港环境下的工况，分析了诱发金属腐蚀的化学机理，并提出了相应地防止措施，为我国港口起重机械防腐工作的开展提供了理论依据。

关键词：腐蚀机理；防腐措施；起重机械；涂装

随着“一带一路”战略的深入推进，港口作为重要的物流节点，其重要性不断增加。我国目前沿海年吞吐量超过亿吨的港口达到16个，是世界上拥有亿吨港口最多的国家。根据2017年交通运输部发布的全国规模以上港口生产快报统计的数据显示，近年来全国规模以上港口生产运行总体保持稳步增长态势，全国规模以上港口完成货物吞吐量已经超过120亿吨，连续多年位列世界前列，已经迈入世界港口强国之列。

港口发展水平的提高也带动了港口机械生产与应用规模的逐步增长，而起重设备在其中占据着至关重要的地位。起重机械结构中大部分都属于金属结构，这部分起重机械设备安装并运行在港口，面临的海洋性气候环境恶劣，长期工作在空气湿度大、盐雾作用强、紫外线辐射量大的环境中、某些部位甚至处于浪溅区，同时，港口机械设备特殊的工况、超载作业导致的金属疲劳、以及大重货物的磕碰，破坏了金属结构表面的防腐材料，从而都导致了起重设备极易受到金属腐蚀作用的影响。加速了腐蚀的成型与扩散。因此，研究其腐蚀机理并提出相应的措施具有重要的研究意义与经济价值。

本文针对现役港口起重机械实际的工作和维护状况和面临的金属腐蚀问题，探讨了产生腐蚀的机理并提出了相应的防治措施。

1.港口起重机械金属腐蚀机理

金属结构的腐蚀过程较为复杂，主要是指结构中的金属材料与所处环境中的化学（氧、碳酸盐等）、物理（温度、风速等）、生物等介质发生相互反应或作用而引发变质，进而导致机械结构的失效。按照不同金属腐蚀诱因，可以按多种分类标准。

通常按照金属腐蚀的作用机理，由化学介质引起的腐蚀可分为化学腐蚀与电化学腐蚀。化学腐蚀包括在完全干燥环境下的气体腐蚀、金属表面在非电解质溶液中产生的液体腐蚀。这类腐蚀在港口起重机械腐蚀也有发生，但所占比例和造成的不良影响较小。电化学腐蚀主要可分为大气腐蚀、电解腐蚀、海水腐蚀、盐浴腐蚀等。其主要原理是金属在电解质溶液中有电流产生，形成了原电池并加速了金属的腐蚀速度。港口起重机械因为长期暴露在潮湿度大的富水环境中，昼夜温差变化大，水汽凝结在金属表面产生的凝露使得起重机械的金属结构极易发生电化学腐蚀，同时各类氧化性气体、灰尘、化学污染物、和其他容易与金属反应的物质也会融入凝露当中，加快水膜中的电子交换速率，侵蚀金属表面化学不敏感的氧化物涂层，使得内部深层金属的腐蚀风化速度被大大提高，此外由于海水的蒸发分散，当有海风时，大量海洋盐分水汽被携带至其中机械表面，大部分水分蒸发后，使得大气（低空）中富含大量氯、钠等卤族元素离子，这些金属离子大量溶解水溶液中，形成连续电解质溶液，存在着固相带负电，液相带正电的界面双电层，从而加速金属的腐蚀，造成金属结构表面短时间内出现大面积锈蚀。其反应原理如下：

金属在电解质溶液中的溶解

（1）

其中M为被腐蚀金属，为不稳定的含水化合物，然后金属阳离子会与溶解在水中的氧或碳酸盐进一步反应，最终生成质地疏松的腐蚀产物。若是相对湿度达到了一定数值，就会推动金属腐蚀的速度加快，该数值被称为‘临界相对湿度’，一旦相对湿度达到了这一临界相对湿度，那么温度对于锈蚀的影响就会加剧，即每当温度提升10°C，则锈蚀速度都会提升2倍左右，因此在气温较高、空气较为潮湿的热带、沿海地区，锈蚀相比干燥、内陆区域更加严重。

除了化学腐蚀之外，一些由物理因素引起的原因同样会导致机械结构的腐蚀。例如焊接时的应力腐蚀、受循环作用下的疲劳腐蚀、氢脆等。但是由于此类腐蚀多是由于材料成型过程中制造缺陷引起的，防治措施较为有效，故本文着重讨论海港环境下化学腐蚀的应对措施。

2.防腐处理的工艺与措施

本文以港口常见的门座式起重机为例，按照《起重机械安全规程》（GB6067.1-2010）和《起重机械检查与维护规程》（GB/T31052.5-2015）中关于起重机锈蚀程度定义为依据开展防腐措施研究工作，具体原理为以起重机械腐蚀机理作为研究基础，将消除化学反应实现防腐方式作为研究方向，利用对电解溶液凝结的阻止措施，保护起重机械不会受到腐蚀介质的侵入，并进一步提升金属结构的安全，延长起重机械使用寿命。下列为目前市面上的主要防腐措施分析：

2.1金属防腐的涂装法

在充分考虑港口水温、气象条件、地质条件以及港口码头所处的ISO12944C4~C5腐蚀环境的基础上，判定该环境为严重腐蚀环境，采用防锈底漆实现防腐工作。使用防锈底漆是一种容易实现且成本较低的防锈方法，当机械涂料达到一定厚度期间，就会通过其具备的致密性能，将大气环境和起重机械金属结构相互隔离，有效避免腐蚀现象的发生。在JT/T733-2008文件中，对港口的机械钢结构涂装的涂料种类、防腐配套以及涂装前的处理都做出了明确的规定，目前我国的港口机械设备钢结构防腐措施配套体系，包括防锈底漆、车间底漆、环氧中间漆、高性能防腐面。车间底漆主要由无机硅酸锌构成，它的力学性能与耐受性较好，主要应用于起重机械在车间制作中的临时保护期内。

防锈底漆包括富锌底漆、环氧磷酸锌底漆两大类别。其中富锌底漆是一种消耗型的防腐涂料，利用金属锌来保护钢铁，锌是一种活泼金属，电极电位低于钢铁，在水和氧的存在下，金属锌发生阳极反应起到牺牲阳极的的阴极保护作用。富锌底漆的机械强度高，漆膜坚固，防腐蚀效果好，目前应用的较为广泛。环氧磷酸锌底漆以磷酸锌作为主要防锈颜料。其作用机理主要是磷酸锌通过自身包含的结晶水以及环境或底材表面的微量水逐渐水解，生成和二代离子，与基材发生进一步反应，在金属表面生成了一层致密的磷化膜，并结合羧基和羟基以及腐蚀环境中的某些离子发生反应，生成络合物。这些附着在表面的物质可以起到保护金属的作用，能有效地阻止金属的进一步腐蚀。这种涂料对机构表面预处理要求不高，可以涂装在镀锌件或不锈钢的表面。

环氧中间漆是构成涂装防护体系中重要的粘结部分，单纯的有机涂层并不是一个完美的物理屏障，涂层在成膜过程中溶剂的挥发可能导致涂层内产生微孔和针孔等缺陷，这使得涂层对腐蚀介质存在渗透性。该涂装使用云母氧化铁作为主要原料，云母氧化铁在结构方面呈片状，以互相交叠覆盖，平衡取向排列的形式分布在漆膜当中，能将漆膜中的毛细孔有效切断，将腐蚀因子在漆膜中的扩散距离大幅度延长，实现迷宫效应，对机械钢结构起到有效的防腐功能。

脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆是目前应用最多的面漆涂装，其抗腐蚀性能优异，应用较为广泛。经大量实践摸索，一般在沿海地区对防护周期（8～15年）要求不高的钢结构表面的涂装，有效的搭配体系如表1所示。

值得注意的是，港口起重机需要在海洋环境下长期服役，通常在港口起重机械制造时会预先做施加涂装，但涂装会逐渐老化、剥落，且在日常服役中会不可避免的由于机械振动或外力损伤而产生裂纹和脱落，从而引起防护涂装的失效。因此，对机械设备防腐涂层的保养工作，及时进行涂层的损坏部位维修、保养工作，是进一步实现机械设备寿命延长的重要之举。

2.2金属防腐的油脂防锈法

油脂防锈法主要用于起重机械内部传动、减速机构的防腐。目前市面上的防锈油脂，具体可划分为溶剂稀释型、乳化剂、脂型、油型以及防锈润滑型等等。目前溶剂稀释性凭借自身干燥速度快、防锈性能好、膜体薄而透明的特性，被广泛应用到机械防腐中，这种油脂的防锈机理为将防锈剂以胶装的形式溶于油脂当中，在机械金属结构表面形成十分牢固的吸附膜，润滑油中的烃链能够同防锈剂结合成为混合多分子层，有效预防氧侵蚀和水侵蚀，避免金属结构表面生锈。在对机械金属结构涂刷防锈油之前，首先工作人员应当彻底清理机械结构表面，将表层杂质油渍物资去除干净，随后将经过钝化处理的防锈油均匀涂刷在机械结构表层，涂刷阶段保证没有遗漏部位、涂刷均匀平整。

2.3金属防腐的腐蚀介质处理法

对机械结构开展金属防腐处理，可以通过处理腐蚀介质来实现防腐目的，其原理为将机械结构上的腐蚀介质消除，即保持金属机械的干燥性，例如工作人员定期对机械进行结构清理，擦拭机械上的水珠，或是在精密仪器中放置各种干燥剂等，通过定期的防腐介质检查，对各部位实现防腐除锈工作。

3.结语

在沿海港口码头区域，起重机械设备是重点防腐对象，沿海区域恶劣的环境会严重造成机械金属结构的腐蚀生锈，这就对港口机械设备钢结构的防腐处理工作提出了明确的要求，在实际工况中，引发腐蚀的因素多种多样并非单一出现，因此在实际现场工作中，应当多管齐下，综合运用各种防锈手段，才能全面有效地防止金属腐蚀，减少事故发生概率，为港口稳定运行创造条件。

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