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有关钢缆的腐蚀及其防腐蚀方法

作者:朱嘉仪 廉政郡 陈梓心     发布时间:2019-5-6 点击数:866

 

有关钢缆的腐蚀及其防腐蚀方法


朱嘉仪 廉政郡 陈梓心

指导老师:陈蕙华


内容摘要:钢缆作为桥梁、索道等设施的重要组成部分,其安全性能尤为至关重要。本文围绕“钢缆”为中心,通过大量的文献资料整合,从钢缆材料、其受腐蚀因素及其防腐蚀方法等方面,全面地探究了钢缆的腐蚀以及各类防腐蚀方法,并结合小组对于“重庆过江索道”一例的实地考察和具体分析,期望以此提高钢缆的安全性能。

关键词:重庆过江索道;钢缆;腐蚀;防腐蚀

 

1、前言

在无数桥梁、索道中,钢缆作为其中的重要组成部分,与设施的安全有着密不可分的联系。

重庆长江索道是中国自行设计制造的第一条大型跨江客运索道,位于万里长江上,于198710月建成,后随之投入运行。它全长达到了1166米,时速6米每秒,运行时间4分钟,日运客量达1.05万人次,被誉为“万里长江上的第一条空中走廊”与"山城的空中公共汽车",是唯一的重庆都市旅游空中交通载体,同时也具有城市公共环保交通、国内旅游观光、特色立体化交通文化以及定点应急疏散的功能,被视作为重庆人生活中不可缺少的一部分。

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作为重庆唯一的空中交通载体,重庆长江索道的安全自然是极为重要的,于是钢缆的安全性能就是十分关键的了。而在上海,桥梁也是十分多见的。重庆属于亚热带季风性湿润气候,年平均气温在18摄氏度左右,热量充足,雨量充沛、常年降水量达到1000毫米以上,又因为环山而建,是个多雾的城市。而上海,紧邻东海,位于长江入海口,处于亚热带季风气候区,同样热量充足,平均年降水量同样超过了1000毫米。两者的环境相似,可以以此判断两处的钢缆受到的环境因素影响也相似。

而在这些自然因素之中,最令我们所关注的是空气湿度这一方面。空气中的水蒸气往往会附着在钢缆表面,从而加速钢缆材料的电解,进而腐蚀钢缆,这对建筑的安全是一个值得关注的危险点。

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于是我们小组决定探究“钢缆的腐蚀及其防腐蚀方法”这一课题,希望可以通过这次探究进而找到能更合适的能够提高钢缆的安全性能的防腐蚀方法。

为探究“钢缆的腐蚀及其防腐蚀方法”这一课题,小组对“重庆过江索道”进行了实地考察,并采访了其钢缆维修人员,并进行了实地检测。

而对于气候潮湿的雾都重庆,我们不禁从而想到,在不加任何特殊防腐蚀措施的情况下,索道仍能十年如一日的坚持下来,如果再加上一定的钢缆防腐蚀措施,那么这一重要交通工具的安全性定会大大增加。

同时,上海作为长江入海口,并且位于季风地区,其海水的蒸发及大量的降雨对于钢缆腐蚀也定有一定影响。正如重庆过江索道,我们希望能够以此为例,通过我们对于“钢缆的受腐蚀及其防腐蚀方法”所进行的探究,进而提高钢缆的安全性能。

2、钢缆

2.1钢缆材料

钢缆,是由多根、多股钢丝绳围绕一根纤维芯或钢丝绳芯捻制而制成的钢丝束。而钢丝绳则是一种具有自重轻、强度高、弹性好等特性的重要构件。

出于耐腐蚀性好,承重能力强且强度高,还有良好的力学性能及好的经济性能等方面的考虑,一般钢丝绳采用不锈钢材质的较多。

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不锈钢,即是不锈耐酸钢的简称。具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质的或者具有不锈性的钢种被称为不锈钢,而将拥有耐化学介质腐蚀特性的钢种称为耐酸钢。

不锈钢一般按组织结构分,会将其分为奥氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢等几大类。其中铁素体型不锈钢的耐腐蚀性较好,特别在氨水和硝酸中有较高耐蚀性,同时铁素体的抗氧性较好,可是却强度较低,主要用于化工管道的制造等。马氏体型不锈钢有较高的强度和耐磨性,主要被用作耐蚀机械零件与轴承等。而奥氏体型不锈钢则有着较高的耐蚀性与耐磨性,由于它有着良好的全面的综合性能,奥氏体型不锈钢在各行各业中都获得了广泛的应用。

2.2钢缆腐蚀——大气腐蚀

大气腐蚀是指金属在大气条件下发生腐蚀的现象,是最普遍的一种环境腐蚀形式。

对于桥梁、索道等长期暴露在潮湿空气中的建筑,大气腐蚀所带来的影响可是十分大的,因此我们将其视为重点探究内容。而通过在实地的湿度计的多次检测,重庆过江索道上空白日的相对湿度为65%左右,而夜间为70%左右,总体而言,重庆过江索道上空的空气是非常湿润的,而钢、铜、锌等金属的临界湿度(临界湿度是指导致金属腐蚀速率剧增的大气相对湿度临界值)为50%—70%,可见在此湿度下的钢索所受到的化学腐蚀程度也较深。

而由此,便可以想到复杂的大气腐蚀的影响因素中定有湿度与影响湿度的温度的影响,而大气中促进钢缆腐蚀的成分等气候条件。

大气的相对湿度:大气腐蚀是一种水膜下的化学或电化学反应,空气中的水分在材料表面凝聚而生成水膜,是发生大气腐蚀的基本条件之一,而水膜的形成与大气中的相对湿度密切相关。因而大气的相对湿度是一个非常重要的因素。

气温:环境温度及其变化无时无刻不影响金属表面水蒸气的凝聚、盐类的溶解度等等方面。而上海与重庆皆是位于亚热带地区,气温偏高,且日照时间长,更加会加速金属表面水膜的消失。同时综合考虑温度与大气相对湿度的影响,当相对湿度达到金属的临界相对湿度时,对于一般的化学反应而言,温度每升高10摄氏度,反应速度大约提高至2倍,因此可判断在热带、亚热带海洋地区中,大气腐蚀情况十分严重。而对于我国这个大部分处于热带、亚热带地区的国家,这一因素也显得十分关键。

金属表面的湿润时间:湿润时间,即能引起大气腐蚀的电解质膜,以吸附膜或者液态膜形式覆盖在金属表面的时间。而金属表面湿润则是由雨水、露水等凝聚等等因素引起的。可见长时间处于湿度极大的空气中所受腐蚀的严重程度。由此可知金属表面湿润时间这一因素的重要。

降雨:降雨不仅会增大大气中的相对湿度,而且其冲刷作用会破坏腐蚀产物的保护性,进而导致加快腐蚀。加之目前的环境问题,酸雨已然成为常态,更加导致了钢缆腐蚀的加速。

有害气体:空气中的大气污染物,如:二氧化硫、臭氧、氮氧化物等,也会污染金属表面液膜。其中二氧化硫的影响最为严重,它使铁、锌等金属生成易溶的硫酸盐化合物,从而加速钢缆材料的腐蚀。在我国的各大城市的工业区,甚至市区内二氧化硫的含量都颇高,因此可以算的上是一个值得关注的因素。

不止这些,风向、风速和降尘等也直接影响材料的表面状态,因此对钢缆材料的腐蚀产生一定的影响。而但对于上海和重庆,属于常年降水量较大的城市,且城市的污染较为严重,因此,相比较而言,上述几点更为关键,是关于此次课题中所谈及的两地所最为关注的。

2.3钢缆的防腐蚀方法

由于大气会对不锈钢有所腐蚀,为了保证依托于钢缆的设施能够足够安全,防腐蚀措施就变得格外重要了。

当我们询问长江索道的维修人员钢缆的维修时间时,维修人员告诉我们,他们会以1到2天为周期检查钢缆磨损情况,以3到4个月为周期进行保养,并以3到4年为周期进行磨损较大的牵引绳的更换,以十几年为周期进行承载绳的更换。而当我们向维修人员询问“对重庆过江索道的钢缆有没有一些专门的防腐蚀措施”时,他告诉我们,索道是以钢缆的机械疲劳为重点,更注重于钢缆的磨损,而没有去关注钢缆的化学腐蚀,因而并没有对钢缆做特殊的防腐蚀措施。

一般不锈钢的防腐蚀措施有

(1)金属镀层,一般用于要求减少相连接金属间的电位差,有机涂层和树脂涂层系统,主要用于减少这类金属的离子对与之相连接的阳极性金属的污染,减少对阳极性金属可能的损害。

(2)金属镀层,不涂有机涂层或树脂涂层,主要用于导电或传热,可以在组装后进行涂漆或树脂。

(3)涂有机涂层或树脂涂层,并且密封接触的边缘。

(4)若不与阳极性金属直接接触或几乎不发生表面冷凝,对于导电和传热也可以裸露使用,并且密封接触边缘。

(5)对于高温使用的场合,金属涂层可能是无益的,漆和树脂涂层也是不实用的,只能选择相容的金属进行偶接。

根据我们查阅“中国腐蚀与防护网”中的资料表明,针对腐蚀另有电化学保护及缓冲剂保护。

电化学保护,即依靠外部电流的流入从而改变金属的电位,来降低金属的腐蚀速度,可以分为阴极保护与阳极保护。

缓冲剂是一种以适当浓度和形式存在于环境中时,可以防止或减缓腐蚀的化学物质或是几种化学物质的混合物。在化工行业中,缓冲剂主要用于防止工业冷却水系统的腐蚀和化工设备、管道及锅炉等的化学清洗(酸洗)时的腐蚀。

重庆属于亚热带季风性湿润气候,年平均气温在18摄氏度左右,夏季气温较高,可达35摄氏度以上;雨量充沛、常年降水量约1000-1450毫米,多雾。而我们身处的上海,紧邻东海,且处于亚热带季风气候区,平均年降水量超过了1000毫米;重庆过江索道也因处于江面上空,此处的空气湿度因水汽蒸发较同时间的其余地区大。

综合环境因素,加之本次研究对象为用于载客运行的索道钢缆,而缓冲剂不适用于受多因素影响的大气腐蚀,故着重研究涂层保护。(见表1)

对于不同种类的防腐蚀涂料,有下表耐蚀性比较:

 

表1 涂料的耐蚀性比较

涂料名称


耐候性

耐水性

耐酸性

耐碱性

调和漆


油性磁漆


醇酸树脂漆


硅树脂漆


合成橡胶漆


橡胶衍生物漆


   改性环氧树脂漆


聚酯树脂漆


丙烯酸树脂漆


酚醛树脂漆


沥青漆


环氧树脂漆


氯乙烯器


聚氨酯漆


(补充:耐候性,即材料如涂料、建筑用塑料、橡胶制品等,被应用于室外经受气候的考验,例如光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏的耐受能力。

耐水性,即漆膜对水作用的抵抗能力。漆膜耐水性的好坏会直接影响到漆膜的使用寿命。它也是涂料的一项重要质量指标

耐酸性,即材料抵抗酸性物质的破坏作用的性能。

耐碱性,即材料抵抗碱性物质的破坏作用的性能。

 

上海临海,且处于亚热带季风气候区,平均年降水量超过了1000毫米,而重庆过江索道也因处于江面上空,此处的空气湿度因水汽蒸发较同时间的其余地区大。同时,水对于钢缆的腐蚀作用也会更加强烈。因此,涂料的耐水性就显得极其重要了。

根据各涂料耐水性的比较,沥青漆与聚氨酯漆的耐水性均比其余所研究涂料好,故以下着重研究沥青漆与聚氨酯漆的优劣。由上表的耐蚀性数据比较得:沥青漆与聚氨酯漆的耐水性均较好,聚氨酯漆耐候性略优于沥青漆,沥青漆的耐酸性及耐碱性均优于聚氨酯漆。而两者也各有各的优缺点。(见表2)

 

表2 沥青漆与聚氨酯漆的优缺点对比

涂料种类

优点

缺点

  沥青漆

耐潮,耐水性好

色黑,不能做白色及浅色漆


有一定的绝缘性能

对日光不稳定


耐化学腐蚀性较好(有良好的耐酸性和一定的耐碱性),对其它的化学介质也有较好的抵抗能力

有渗色性


黑度好

自干漆,干燥不爽滑


价格较便宜,约为醇酸文本框: 聚氨酯漆漆的一半



漆膜坚硬且耐磨

漆膜易粉化、泛黄

聚氨酯漆

具有一定的耐化学腐蚀性,可耐非氧化性无机酸类、碱类、盐雾、水、溶剂等介质的侵蚀

涂料对酸、碱、盐、水、潮气、醇等很敏感。因此在制造和施工中都要求高


有良好的耐油、耐溶剂性

具有一定的毒性


漆膜光亮丰满



有良好的耐热性和附着力



根据上表所示,聚氨酯漆对酸、碱、盐、水、潮气、醇等很敏感,对施工等有着高要求,且有一定的毒性。沥青漆的耐化学腐蚀性较聚氨酯漆好,且有一定的绝缘性能。

作为载客索道的钢缆,最重要的一个要求是要对乘客的安全负责,故通过两漆的耐蚀性及各类优缺点的比较,可以发现沥青漆较聚氨酯漆,更适合载客索道钢缆的各项要求,可以进一步得提高客运索道的安全性能。

 

3、总结与思考

   通过查阅文献资料及小组成员分析,我们得出了影响钢缆受腐蚀的重要因素——大气腐蚀,其中空气湿度与温度对钢缆日积月累的影响、破坏程度最为严重,并通过分析比较,得出:耐潮、耐蚀效果最为显著的沥青漆较为适合作为钢缆的防腐蚀材料。用沥青漆做为防腐材料可以进一步提高钢缆的安全性能,这一结论。

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如今,主缆缆索、斜拉索、系杆索和吊索等因腐蚀而造成事故的例子有很多,金属腐蚀问题也遍及了国民经济的各个领域,凡是使用金属的地方,都不同程度的存在着金属腐蚀问题。这些问题不仅给国民经济造成了巨大损失,也对人们的安全问题和生活质量造成重大影响。因此重视防腐是必不可少的,希望通过我们的探究能够提升钢缆的安全性能,也希望不久的将来能够探索出更多更出色的方法,从而使钢缆的防腐蚀性能更好,减少事故发生。



参考文献

万晔《金属的大气腐蚀及其实验方法》 化学工业出版社、张康夫、黄本元、王余高、王一建《暂时防锈手册》化学工业出版社

闫康平王贵欣、罗春晖《过程装备腐蚀与防护》第三版 化学工业出版社  



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