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火箭发射塔架涂装技术及改进 科普

归档日期:07-06       文本归类:发射架      文章编辑:爱尚语录

  徐绯然,姚沛嵩,张小波,郑 艳(中国西昌卫星发射中心,四川 西昌 615000)

  摘要:指出了火箭燃料燃烧后的废气和污水腐蚀是造成塔架钢结构腐蚀的主要原因。根据发射塔架的环境特点设计了火箭发射塔架的重防腐体系,该体系以环氧富锌底漆打底,环氧云铁作中间漆,再配以丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆。总结了涂装施工中应注意的问题,提出了相应的科学改进措施。

  随着国家经济建设的迅速发展,钢结构的防腐蚀研究越来越引起人们的关注。据统计,世界上每年因腐蚀造成的损失高达约 1 万亿美元,占各国国民生产总值的 2% ~ 4%。我国每年因腐蚀造成的经济损失达 1.2万亿元,可建 441 个鸟巢、7 个三峡工程 。由此可见,提供长期有效的防腐蚀保护成了决定钢结构使用寿命长短的重要环节。为延长火箭发射塔架的使用寿命,本文对塔架钢结构的防腐性设计、涂料选择、表面处理及涂装技术进行了研究与改进。

  重防腐涂料是指在严酷腐蚀环境中使用并具有长效防腐寿命的一种特殊涂料,在化工和海洋等苛刻环境条件下能使用 10 ~ 15 a 以上。针对不同的腐蚀环境(C1 ~ C5),涂装体系的选择不同。我国重防腐涂料多采用底、中、面三层涂装体系,涂料配套体系多以各种富锌底漆打底,环氧云铁作中间漆,再配以丙烯酸、聚氨酯、氟碳、氯化橡胶、聚硅氧烷等各种面漆。目前,应用在钢结构上的重防腐涂装,常见的有 2 种配套体系:1)各类“富锌底漆+环氧云铁中间漆+高性能面漆(如丙烯酸聚氨酯、氟碳和聚硅氧烷)”,对照 ISO 12944-2钢结构防护涂料系统的防护标准,上述配套最大使用寿命为 15 a(判定标准:ISO 4628,R i 3 级,1%);2)“电弧喷锌、铝、铝镁合金等涂层+环氧类封闭漆+环氧中间漆+高性能面漆”,对照 ISO 14713 标准,电弧喷锌、铝层加重防腐涂料封闭、配套的复合涂层最长有大于 20a 的使用寿命(判定标准:ISO 4628,R i 3 级,1%)。

  西昌火箭发射塔架位于四川省西南部,该地区多雨潮湿,紫外线强,具有低纬度高原气候特征。火箭燃料燃烧后的废气和污水腐蚀是造成塔架钢结构腐蚀的主要原因。废气中的 N 2 O 4 可生成大量的 HNO 2 、HNO 3 ,对金属的腐蚀性极强。污水中则含有 H 2 S、甲醛、亚硝胺类化合物等。其中,钢铁在 H 2 S 的腐蚀下,会产生FeS、FeS 2 、Fe 9 S 8 等腐蚀产物。同时,空气中的 CO 2 溶于水可形成碳酸,使得污水中 pH 下降,腐蚀性进一步增强。由此可见,火箭发射塔架腐蚀类别介于 C5-I 级和C5-Ⅱ级之间,应选择“环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆”的重防腐涂装体系。具体指标为:1)底涂层,1 道环氧富锌底漆,≥60 μm;2)中间涂层,2 道环氧云铁漆,≥140 μm;3)面涂层,2 道丙烯酸脂肪族聚氨酯,≥80 μm;4)完成涂装后,总干膜厚度不小于 280 μm。按 ISO 12944-1 标准,该涂层体系使用寿命大于 15 a,达到高持久性,所有漆面10 ~ 15 a 内不起皮、不脱落,面涂层不出现较严重的失光、变色、粉化。

  火箭发射塔架钢结构的涂装工艺包括表面处理和涂装两部分。表面处理和涂装的质量直接影响涂层对被涂工件基材的附着力及材料的耐腐蚀、耐气候等性能。

  钢结构重防腐涂料涂装对表面处理要求严格,很多漆膜失效的原因都出在表面处理上。据英国帝国化学公司介绍,涂层寿命受三方面因素制约:表面处理占 60%,涂装施工占 25%,涂料本身质量占 15%,因此必须进行严格的表面处理 。

  钢体表面前处理方法很多,如磷化、酸洗、喷砂除锈、抛丸除锈、湿喷砂、高压水处理、手工除锈等,但在施工中证明喷砂和抛丸是效果最优异和除锈效率最高的方法 。

  本次施工中,钢体表面处理采用喷砂处理,除锈达到 Sa 3 级,使钢材表面无可见的污垢、油脂、铁锈、氧化皮和旧涂层等附着物。对无法用喷砂进行处理的部位,采用手工除锈的方法达到 St 3 级,使钢材表面显露出金属光泽。控制喷砂磨料粒度的大小,使钢材表面粗糙度为 60 ~ 100 μm。最后采用 Elcometer123粗糙度测量仪测量评定其表面粗糙度。

  在重防腐涂层体系中,环氧富锌底漆、无机富锌底漆、金属热喷涂是经常采用的几种底漆涂层。环氧富锌底漆因为施工便利、附着力强、性能优异,因此在涂装配套中使用最广泛。无机富锌底漆防腐性能比环氧富锌漆好,但附着力稍差;尤其是水溶性漆,对钢结构表面处理程度和施工限制要求比较高,因此使用受到限制。金属热喷涂防腐性能最好,但成本高,对钢结构的处理要求也较高,常用于高温、高湿、盐雾及紫外线强的海洋大气环境中。在火箭发射塔涂装施工时,根据环境特点选择了环氧富锌底漆。为确保富锌底漆中的锌粉能与钢铁紧密结合而起到导电和牺牲阳极的作用,规定富锌底漆中锌粉含量占干膜总质量不低于80%,锌粉粒径 325 ~ 600 目。基材喷砂除锈后,在 4 ~6 h 内完成底漆涂装,以防止基材再次被氧化。

  环氧云铁中间漆在防腐体系中起连接作用,使底漆和面漆之间黏结良好,形成一个整体防护体系。环氧云铁中间漆中的云母氧化铁在漆膜中层叠排列,像瓦片一样,形成“迷宫效应”,可以有效屏蔽腐蚀介质的渗透,并有反射太阳紫外线的作用,是目前最常用的重防腐涂层体系中间涂层 。

  中间涂层在云母氧化铁加量不足的情况下,不能完全发挥其屏蔽作用,会导致耐盐雾时间缩短,防腐性能下降。因此,本次施工过程中要求云母氧化铁的加量不少于 40%。另外,与环氧富锌底漆进行配套施工时,为了避免漆膜产生针孔、气泡等,先对富锌表面进行了薄涂封闭,表干以后才进行正常底漆涂装。

  脂肪族聚氨酯面漆在与环氧云铁中间漆进行配套施工时应注意层间附着力问题。当环境湿度大于 85%时应禁止施工,否则容易产生“起皮”现象,即面漆容易脱落。如果环氧云铁中间漆施工结束后需要很长时间才进行脂肪族聚氨酯面漆涂装,即超过最大重涂间隔时间,应该将中间漆进行全面打磨处理,增加云铁中间漆表面的粗糙度,以确保层间附着力。

  现场涂装后应对漆膜缺陷部位重新涂装,不但要完全遵照上述工艺标准执行,还要遵从以下原则:1)损坏的漆膜应进行表面处理,在现场除锈的方式达到St 3 级。2)修复层与周围涂层的搭接宽度不小于50 mm。破坏面积较小时,修补的面积应比被破坏的面积大1 倍以上。3)修补应按规定层次进行,按照漆膜破损的程度逐层处理,补涂部位的颜色、涂层厚度与周围原有涂层一致。

  火箭发射塔架涂装施工完毕,使用表 1 中相应的标准对其性能进行测试验收。结果表明:1)“环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆”的重防腐体系满足西昌地区火箭发射塔架涂装的使用要求。2)抽检样本中 98%数量的漆面完全达标,2%的未完全满足指标要求。

  本次塔架涂装施工的过程中,虽然最后的验收采用了严格的标准,但是对施工过程的质量管控还需要加强。由于对过程的控制不够严格,验收时发现有 2%抽检涂装面的耐酸性和耐盐雾性指标轻微不达标,主要原因是过程质量监控人员对漆膜的缺陷分析还停留在经验主义的“看”、 “摸”相结合的传统方法上,而肉眼能观察到的范围很有限,并且不能对涂装表面漆膜缺陷的内部结构进行深入分析,不能对缺陷的成分进行定性分析。假若利用科学手段对每一道的漆膜缺陷都进行更细致的定性和定量分析,则可以更好地提高涂装施工质量。

  目前,世界先进的涂料制造商采用的最主要的科学分析方法为表面显微分析法和化学分析法。表面显微分析法主要是利用各种显微镜对缺陷的表面特征及内部剖面进行分析,从而对各种漆膜缺陷得出定性的结论。化学分析法主要是通过光谱仪、色谱仪等手段对物质的根本特征进行分析,从而对漆膜缺陷或者涂料组分得出结论。在实际的涂装应用中,还要建立显微样本库,不断积累各种具体的缺陷特征,指导现场的分析。

  徐绯然(1986—),女,硕士,工程师,主要从事化工原料分析试验鉴定工作。E-mail:。

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