钢材表面处理工艺

13.3.1　钢材表面处理工艺

13.3.1.1　钢材表面处理与涂层保护性能

钢材表面处理，俗称除锈，它不仅指除去钢材表面的铁锈，而且还包括除去覆盖在钢材表面的氧化皮、旧涂层以及沾污的油脂、焊渣、灰尘等污物。此外，除锈之后，钢材表面还形成一定的粗糙度。所谓钢材表面处理质量主要是指上述污物的清除程度，或称“清洁度”，以及钢材表面所形成的“粗糙度”的大小。钢材表面处理后的清洁度和粗糙度对涂层保护性能有着重要的影响。

热轧钢材表面的氧化皮，紧贴金属表面的是FeO，在水和氧的作用下，FeO很容易水解成铁的氢氧化物，从而在金属与氧化皮的界面上生成占有较大面积的锈蚀产物，引起氧化皮表面层的应力，而氧化皮本身没有延伸性，所以氧化皮很快就会带着它外面的漆膜一起剥落下来。此外，温度的变化、机械作用等物理因素也会使氧化皮翘起和剥落。从电化学的观点看，在腐蚀性介质中，氧化皮和金属构成的腐蚀电池中，氧化皮作为阴极而促进铁作为阳极而腐蚀。因此，氧化皮的存在不利于涂层对钢材的保护，涂装前必须予以彻底清除。

钢材表面存在未清除的锈蚀产物或其他污物时，涂层与钢材表面的附着力将大为降低，从而影响其保护效果。但是，锈蚀产物对涂层保护性能更重要的影响则是其中所含的可溶性铁盐所起的作用。这些可溶性盐大多是因空气污染所形成的硫酸盐、亚硫酸盐、氯化物等。它们的存在一方面会起到催化作用，使钢铁不断腐蚀，生成大量的铁锈，另一方面在浸水的环境中，还会因为涂层内外的渗透压不同而造成涂层起泡，影响其保护性能。

涂装前钢材表面粗糙度对涂层保护性能也有很大影响。这是因为表面粗糙度直接影响了涂层与底材之间的附着力和涂层厚度的分布。一方面，钢材在喷射除锈之后，随着粗糙度增大，表面积显著增加，涂层与钢材表面间的附着力无疑也会相应增加。然而，过于粗糙的表面也会给涂层保护性能带来不利的影响。在粗糙的表面上，涂层厚度分布是不均匀的。与光滑表面比较，如果使用同样量的涂料，在这种表面上涂层的有效厚度就要低得多。特别是在波峰处，涂层厚度往往不足，早期锈蚀会从这里开始。此外，粗糙度过大，还常常会在较深的凹坑内截留住气体，这将成为涂层起泡的根源。因此，为了确保涂层的保护性能，涂装前钢材表面应有合适的粗糙度。

13.3.1.2　钢材表面处理

在现代造船中，船体分段加工制作前，对钢材的原材料表面需要进行预先处理，除去氧化皮和锈蚀并涂上车间底漆，以确保钢材在加工过程中不继续腐蚀。这一阶段的钢材表面处理称之为“钢材表面预处理”或“一次表面处理”。另一阶段则是在钢材加工成船体分段或进而合拢成船舶整体后，再次对船体结构表面进行的处理，通常称之为“二次表面处理”，俗称“二次除锈”。

1）钢材表面预处理

船用钢材的表面预处理主要是采用抛射磨料处理的方式，俗称“抛丸除锈”。这种处理方式是利用抛丸机的叶轮在高速旋转时所产生的离心力，将磨料（钢丸、钢丝段、棱角钢砂等）以很高的线速度抛向被处理的钢材表面，产生打击和磨削作用，达到除去钢材表面氧化皮与锈蚀，使钢铁表面露出金属本色并呈现一定粗糙度的目的。抛丸除锈是在钢材抛丸预处理流水线上进行的。这种预处理方式除锈效率高，并可同时喷涂车间底漆。

钢材表面预处理后，其表面清洁度要求达到国家标准GB/T 8923“涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级”（或国际标准ISO 8501－1：2007）规定的Sa2⒈2级；表面粗糙度要求达到国家标准GB/T 13288“涂装前钢材表面粗糙度等级的评定（比较样块法）”（或ISO 8503）规定的“中级”，即40～70μm。必要时，抛丸除锈后的钢材表面还应检测可溶性盐的含量，如用于船舶压载舱的钢材表面可溶性盐含量不得超过50 mg/m²。

在没有抛丸预处理流水线的条件下，有时也用喷射磨料的方式直接处理钢铁原材料。喷射磨料处理，俗称喷砂除锈，是以压缩空气为动力，将磨料以一定的速度喷向被处理的钢材表面，通过磨料对钢材表面的冲击和磨削作用，将钢材表面的氧化皮、锈蚀产物及其他污物清除干净的一种表面处理方法。

喷砂除锈常常对预处理流水线难以处理的超厚板材进行预处理，或对未经过原材料预处理的钢材组合成的分段、舾装件、结构件进行表面处理，并配以手工涂装防锈漆。喷砂除锈更重要的是作为二次除锈的手段而被广泛使用。

在早期，也有用酸洗除锈的方式来对钢材进行预处理。目前，这种方式一般仅用于薄钢板、管材、舾装件和零部件的除锈。

2）二次除锈

船体分段制作过程中，钢材表面的车间底漆由于焊接、切割、火工校正作业，或者因机械碰撞、自然原因等而受到破坏，导致钢材表面重新锈蚀。在分段合拢后的区域涂装阶段，分段涂装好的涂层也会因舾装作业等原因遭到破坏而重新锈蚀。这样，在防锈底漆涂装施工前，必须对船体结构表面重新锈蚀的部位再次进行处理，通常称之为“二次表面处理”，俗称“二次除锈”。

（1）二次除锈方法。船体二次除锈目前主要是采用喷射磨料除锈和动力工具打磨除锈两种方法。

—分段的喷射磨料除锈通常是在专用的分段涂装房内进行的，所用的磨料主要是钢丸、铁丸、钢丝段、棱角钢砂等，可以回收循环使用。喷射磨料除锈效率高、质量好，并且施工环境条件和污染物排放可控，但需要较大的设备投资。这种方式是目前我国船厂船体分段二次除锈的主流方式。在某些情况下，分段合拢后的局部除锈也要求采用喷射磨料除锈。由于这时一般在现场施工，所用的磨料通常是不回收的非金属磨料，如铜熔渣砂等。

—动力工具打磨除锈是指采用各种风动或电动的除锈工具，依靠动力马达高速旋转或往复运动带动打磨器具（砂轮、砂纸盘、钢丝刷盘、气铲等）磨削或打击需要涂装的表面，达到清除铁锈及其他杂物的一种机械清理方式。这种除锈方式因其具有工具轻巧、灵活方便、适应能力强等特点，因而被船厂广泛采用，是二次除锈的重要手段。在分段合拢后的区域涂装阶段，动力工具打磨更是局部除锈的主要手段。但是，这种方式除锈效率较喷射磨料除锈低，处理后表面粗糙度较小，不适合一些特殊的高性能涂料对表面处理的要求。

在日本，部分船厂也有采用超高压水喷射清理来进行船体分段二次除锈^[2]。这种清理方式是将船体分段置于移动式作业台架上，用压力为1 700～1 800kg/cm²的超高压水射流喷向分段表面，以清除锈蚀和污物。然后使分段倾斜，排除分段内的大部分积水，用真空泵吸除其余的残留水。最后用大型鼓风机使表面干燥。该方法的优点是产生的粉尘和其他废弃物少，可有效降低钢材表面可溶性盐含量，有利于提高涂层的防腐蚀性能。但是由此产生大量的污水需要处理。

（2）二次除锈的工艺要求。船体二次除锈工作的重点部位在于焊缝区、烧损区、自然锈蚀区。此外，还包括车间底漆完好区域与型钢反面、角隅边缘等作业困难区域的除锈与清理工作。

关于船体二次除锈作业时，各部位的具体工艺要求，我国船舶行业标准《船舶涂装技术要求》CB/T 4231（2011年修订、报批）作出了如表13.3－1的规定：

表13.3－1　二次除锈工艺和要求

（3）二次除锈的质量要求。对于船体各部位二次除锈的质量要求，根据所在部位和所采用的涂料，其要求各不相同。一般来说，处于腐蚀环境恶劣的部位（如外板、压载水舱等）和采用高性能涂料（如环氧树脂涂料、环氧沥青涂料、无机锌涂料等）的部位，对二次除锈的质量要求就比较高，反之则可较低。

评定船舶二次除锈质量的标准与二次除锈的方式有关。通常，采用喷射磨料方式进行二次除锈时，其质量评定标准与一次除锈（即原材料除锈）质量评定标准通用。而采用动力工具打磨或其他手工方式进行二次除锈时应采用二次除锈质量评定标准。

关于船体各部位二次除锈质量等级要求，在我国船舶行业标准《船舶除锈涂装质量验收技术要求》CB/T 3513（2012年修订、报批）中按特定处所和非特定处所分别作出了如表13.3－2和表13.3－3所示的规定。

表13.3－2　特定处所二次除锈质量要求

（续表）

注：船舶特定处所：按CB/T 4231规定的定义是指不小于500总吨船舶的专用海水压载舱、船长不小于150m的散货船双舷侧处所、散货船和油船的空舱和原油船货油舱。

表13.3－3　非特定处所二次除锈质量要求

（续表）

3）涂装前表面清理

船体二次除锈后、涂装作业前，为确保涂料与被涂表面之间的附着力，需要对被涂表面进行清理。涂装前表面清理的主要工作内容为：除水、除盐、除油、除尘以及除去其他污染物。

CB/T 4231对涂装前表面清理的具体工艺规定要求如下：

（1）水分采用布团、棉纱擦去，或用经过除去油分和水分的压缩空气吹干。

（2）盐分采用清水冲洗，然后除去水分，使表面完全干燥。

（3）油污采用去污剂清除，然后用淡水清洁，少量油污可用蘸有清洁溶剂的布团或棉纱擦去。

（4）灰尘采用吸尘器吸去，局部少量的灰尘可用毛刷刷去。

（5）其他表面污染物视情况采取相应措施除去。

CB/T 3513（2012年修订、报批）之中作出了如表13.3－4所示的规定。

表13.3－4　船体表面清理质量要求