螺栓作為一種緊固件廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。實(shí)際生產(chǎn)中，螺栓會(huì)不可避免地暴露在大氣環(huán)境中與腐蝕介質(zhì)接觸而發(fā)生大氣腐蝕，據(jù)統(tǒng)計(jì)大氣腐蝕是數(shù)量最多、覆蓋面最廣的一種腐蝕。沿海大量油氣生產(chǎn)設(shè)施受到高濕環(huán)境和海邊鹽堿性海洋氣候的雙重影響，腐蝕加劇，其腐蝕速率可能是內(nèi)陸大氣腐蝕速率的數(shù)十倍。

圖1為某海邊站場(chǎng)內(nèi)天然氣管道法蘭連接處螺栓的腐蝕情況。螺栓發(fā)生腐蝕后，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剛度均會(huì)隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著下降，這會(huì)威脅到設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至造成油氣泄漏和引發(fā)火災(zāi)爆炸等安全事故。

圖1 某站場(chǎng)內(nèi)天然氣氣撬管線螺栓腐蝕情況

針對(duì)螺栓腐蝕現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中的螺栓采取了一系列腐蝕防護(hù)技術(shù)，但這些技術(shù)都具有一定的局限性如施工困難、無法應(yīng)用于服役螺栓等。

陰極保護(hù)法、涂層保護(hù)法和緩蝕劑保護(hù)法是鋼結(jié)構(gòu)常用的腐蝕防護(hù)方法。但對(duì)于大氣腐蝕環(huán)境中的螺栓，常規(guī)外加電流陰極保護(hù)和緩蝕劑保護(hù)法難以適用，而犧牲陽(yáng)極陰極法與涂層隔離防護(hù)法是鋼結(jié)構(gòu)主要的大氣防腐蝕措施。犧牲陽(yáng)極與涂層聯(lián)合保護(hù)是目前公認(rèn)的最有效的防腐蝕途徑。

因此，東南亞管道有限公司的技術(shù)人員提出了一種基于涂層與鋅絲犧牲陽(yáng)極聯(lián)合保護(hù)的防腐蝕方法。將鋅絲作為犧牲陽(yáng)極纏繞在螺栓表面，并在外面涂覆三種涂層以隔絕腐蝕介質(zhì)。環(huán)氧樹脂與玻璃鱗片涂層是兩種常用且防腐蝕性能較好的涂層。熱熔膠涂層具有結(jié)合性強(qiáng)、致密性好的特點(diǎn)。為了評(píng)價(jià)該方法的綜合防腐蝕效果，首先通過電化學(xué)測(cè)試比較了三種涂層，然后利用鹽霧腐蝕試驗(yàn)，分析比較了三種涂層聯(lián)合鋅絲使用前后的防腐蝕效果。

01 試樣及溶液

試驗(yàn)螺栓為規(guī)格和材料均一致的碳鋼螺栓。其型號(hào)為M18×70 mm，螺距2.5 mm，頭部厚度11.85 mm，六角對(duì)邊長(zhǎng)27 mm，螺桿直徑15.18 mm。

犧牲陽(yáng)極為直徑0.3 mm的鋅絲，涂層分別為固態(tài)熱熔膠，環(huán)氧樹脂底漆與面漆，玻璃鱗片底漆與面漆。先將鋅絲纏繞在螺栓表面，再涂覆不同防腐蝕涂層。

為了比較了三種涂層及其耦合鋅絲使用前后的防腐蝕效果，對(duì)螺栓進(jìn)行了如下防腐蝕處理：僅涂覆防腐蝕涂層，僅纏繞鋅絲，纏繞鋅絲并涂覆防腐蝕涂層。防腐蝕處理后的螺栓如圖2所示。

圖2 不同方法防腐蝕處理后的螺栓

電化學(xué)測(cè)試及中性鹽霧試驗(yàn)所用溶液均為50 g/L的NaCl溶液，用高純度的NaCl固體（純度高于99.9%）和蒸餾水配制，溶液的pH為6.6。

02 電化學(xué)測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試在CS520型電化學(xué)工作站上進(jìn)行，測(cè)試內(nèi)容包括開路電位、極化曲線及電化學(xué)阻抗譜。測(cè)試采用三電極工作系統(tǒng)：工作電極為測(cè)試螺栓，輔助電極為1 cm×1 cm的鉑電極片，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。開路電位測(cè)試時(shí)間為300 s。極化曲線測(cè)試的掃描速率為0.5 mV/s。電化學(xué)阻抗譜測(cè)試的頻率范圍為10-2～105 Hz，施加的正弦波擾動(dòng)幅值為10 mV。

1 開路電位

圖3 不同防腐蝕涂層螺栓在50 g/L的NaCl溶液中的開路電位

圖3為不同防腐蝕涂層螺栓在300 s內(nèi)測(cè)得的開路電位，可以看出各試樣的開路電位曲線很快趨于穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)范圍很小，均在10 mV范圍內(nèi)，這保證了后續(xù)阻抗等測(cè)量的穩(wěn)定可靠性。各試樣開路電位的順序?yàn)椋何刺幚砺菟?lt;涂覆環(huán)氧樹脂螺栓<涂覆玻璃鱗片螺栓<涂覆熱熔膠螺栓。

這說明三種防腐蝕涂層均有一定的防腐蝕效果，其中熱熔膠涂層的防腐蝕效果最好，玻璃鱗片涂層的防腐蝕效果其次，玻璃鱗片涂層的防腐蝕效果最差。

2 極化曲線

圖4 不同防腐蝕涂層螺栓在50 g/L的NaCl溶液中的極化曲線

表1 不同防腐蝕涂層螺栓極化曲線的擬合參數(shù)

圖4為不同防腐蝕涂層螺栓在50 g/L的NaCl溶液中的極化曲線，表1為圖4極化曲線的擬合參數(shù)。結(jié)果表明：三種防腐蝕涂層均具有較好的防腐蝕效果；在測(cè)試條件下，未處理螺栓的腐蝕傾向很大，腐蝕電流密度高達(dá)2.7391×10-4 A/cm2，腐蝕速率高達(dá)3.2133 mm/a；而涂覆防腐蝕涂層后，腐蝕電流密度與速率均顯著下降，減小了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，玻璃鱗片涂層的防腐蝕效果優(yōu)于環(huán)氧樹脂涂層，而熱熔膠涂層的防腐蝕保護(hù)效果最好，其將整體的腐蝕電流密度和腐蝕速度分別降低至5.3815×10-10 A/cm2和6.3131×10-6 mm/a，將螺栓腐蝕延緩至接近不腐蝕的程度。

3 電化學(xué)阻抗譜

圖5 不同防腐蝕涂層螺栓在50 g/L的NaCl溶液中的Nyquist圖

圖5為不同防腐蝕涂層螺栓在50g/L的NaCl溶液中的Nyquist圖，其中未處理的螺栓使用圖中小框中的坐標(biāo)軸。容抗半徑越小，耐腐蝕性能越弱。由圖5可知，涂覆熱熔膠螺栓、涂覆玻璃鱗片螺栓、涂覆環(huán)氧樹脂螺栓、無處理螺栓的容抗半徑依次減小，說明其耐腐蝕性能逐漸減弱。

03 室內(nèi)鹽霧腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)所用鹽霧驗(yàn)箱為增強(qiáng)版40型鹽霧箱，內(nèi)部空間為45 cm×35 cm×30 cm。按GB/T 10587-2006《鹽霧試驗(yàn)箱技術(shù)條件》進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。鹽霧箱內(nèi)溫度設(shè)置為35 ℃，噴霧量為1 mL/h。鹽霧箱采用螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行供氣，試驗(yàn)過程中噴霧模式為連續(xù)噴霧。腐蝕時(shí)間分別為24，48和72小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，靜置干燥1小時(shí)后，拍攝記錄在不同腐蝕時(shí)間和不同方法防腐蝕處理螺栓的宏觀腐蝕形貌。

鋅絲纏繞前后防腐效果評(píng)價(jià)

圖6 鹽霧腐蝕24小時(shí)后不同防腐蝕涂層螺栓的宏觀形貌（左：無鋅絲；右：鋅絲纏繞）

圖6為經(jīng)鹽霧腐蝕24小時(shí)后不同涂層螺栓鋅絲纏繞前后的宏觀形貌。對(duì)比各組試樣鋅絲纏繞前后的宏觀腐蝕形貌可知，增設(shè)內(nèi)置鋅絲能顯著減緩螺栓的腐蝕。

在無涂層情況下鋅絲周圍的螺栓基體基本沒有發(fā)生腐蝕，但頭部無鋅絲區(qū)域發(fā)生了腐蝕，而無鋅絲螺栓基體發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，如圖6(a)所示。

從圖6(b)~(d)可以看出，經(jīng)過24小時(shí)的鹽霧腐蝕后，涂層和鋅絲聯(lián)合保護(hù)可以使整個(gè)螺栓基體幾乎不發(fā)生腐蝕，而未纏繞鋅絲只涂覆涂層的螺栓表面會(huì)發(fā)生局部腐蝕；環(huán)氧樹脂涂層和玻璃鱗片涂層表面都有破損，如圖中方框所示，其原因應(yīng)是螺栓表面產(chǎn)生了腐蝕產(chǎn)物，使涂層與表面基體結(jié)合不緊密，而熱熔膠內(nèi)部螺栓基體雖發(fā)生了局部腐蝕，但其防腐蝕層仍保持完整。

長(zhǎng)時(shí)間防鹽霧腐效果評(píng)價(jià)

圖7 鹽霧腐蝕48小時(shí)后不同防腐蝕涂層和鋅絲聯(lián)合保護(hù)的螺栓的宏觀形貌

圖8 鹽霧腐蝕72小時(shí)后不同防腐蝕涂層+鋅絲螺栓的宏觀形貌

圖7和圖8分別為經(jīng)48小時(shí)和72小時(shí)鹽霧腐蝕后不同防腐蝕涂層與鋅絲聯(lián)合保護(hù)的螺栓的宏觀形貌。

由圖7可見，各涂層+鋅絲可在48小時(shí)鹽霧腐蝕時(shí)間內(nèi)保護(hù)螺栓基體幾乎不發(fā)生腐蝕，各涂層內(nèi)沒有生成腐蝕產(chǎn)物而導(dǎo)致涂層破損。

由圖8可知，經(jīng)72小時(shí)鹽霧腐蝕后，在鋅絲與環(huán)氧樹脂涂層聯(lián)合保護(hù)下螺栓基體表面發(fā)生了明顯腐蝕，而其余兩組螺栓基體表面未發(fā)生明顯腐蝕，這說明相較于環(huán)氧樹脂與鋅絲的聯(lián)合保護(hù)，熱熔膠與玻璃鱗片涂層與鋅絲的聯(lián)合保護(hù)能夠長(zhǎng)時(shí)間抵抗腐蝕環(huán)境，二者防腐蝕性能更好，這與電化學(xué)測(cè)試結(jié)果一致。

經(jīng)72小時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的鹽霧腐蝕后，玻璃鱗片涂層與螺栓的結(jié)合性有所下降，見圖8(c)中的方框標(biāo)記，而熱熔膠涂層與螺栓結(jié)合性仍保持良好，該防腐蝕處理方法的防腐性能能長(zhǎng)時(shí)間保持良好。

04 防腐蝕方法綜合評(píng)價(jià)

對(duì)于重要的運(yùn)行設(shè)備，其服役螺栓不能輕易拆卸、維護(hù)與保養(yǎng)更換，這造成許多方法不便施工應(yīng)用。因此，在確保螺栓防腐效果的同時(shí)，還要綜合考慮施工難度與日常維護(hù)保養(yǎng)是否方便等問題。在三種防腐蝕涂層中，熱熔膠涂層屬于可剝性涂料，具有可剝性材料獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，且熱熔膠具有結(jié)合力強(qiáng)、透明可觀察等特性，這使熱熔膠聯(lián)合鋅絲的防腐蝕方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

1 不同于其他涂層需要在螺栓基體表面涂刷涂層底漆，該方法施工步驟簡(jiǎn)單方便，可直接噴涂，且結(jié)合力強(qiáng)，成型快，短時(shí)間內(nèi)即可完成作業(yè)，不需長(zhǎng)時(shí)間等待干燥。

2 熱熔膠涂層整體透明，可隨時(shí)觀察涂層內(nèi)螺栓和犧牲陽(yáng)極的狀態(tài)，便于日常巡檢和維護(hù)，這是其他涂層所不具備的優(yōu)勢(shì)。

3 涂層可整體剝離，螺栓表面不殘留舊涂層，如圖9所示。這完全避免了更換涂層時(shí)，新舊涂層的層間剝離與新舊涂層結(jié)合不緊密的問題，使更換更方便。

圖9 熱熔膠涂層整體剝離情況

05 結(jié) 論

(1) 電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在三種螺栓防腐蝕涂層中，熱熔膠涂層的防腐蝕性能優(yōu)于玻璃鱗片涂層，而玻璃鱗片涂層優(yōu)于環(huán)氧樹脂涂層。

(2) 鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，防腐蝕涂層與鋅絲聯(lián)合保護(hù)可使防腐蝕效果明顯提升，經(jīng)48小時(shí)鹽霧腐蝕后，三種涂層與鋅絲聯(lián)合保護(hù)下的螺栓都幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕，經(jīng)72小時(shí)鹽霧腐蝕后，熱熔膠涂層與鋅絲聯(lián)合保護(hù)方法的防腐蝕效果最優(yōu)，能長(zhǎng)時(shí)間抵抗腐蝕環(huán)境。

(3) 與其他防腐蝕涂層相比，熱熔膠涂層還具有施工簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)方便以及涂層可整體剝離的優(yōu)勢(shì)，是一種鹽霧環(huán)境下高效的螺栓防腐蝕方法。