镀锌钢管在建筑安装工程中得到广泛应用已有上百年的历史, 如管道安装工程中用于输送水、煤气、 蒸汽等流体, 电气安装工程中用于照明、动力、电话、消防等强弱电系统的电线套管敷设。 钢管热镀锌是使熔融锌和铁反应产生合金层, 从而使基体和镀层二者相结合的防腐蚀措施。 热镀锌工艺流程: 先将钢管进行酸洗去除钢管表面的氧化铁, 然后在氯化铵或氯化锌溶液中进行清洗, 最后送入热浸镀锌槽中发生物理化学反应生成镀锌层。 2000年国家已明令禁止冷镀锌( 电镀) 钢管作为水管使用。 热镀锌与冷镀锌相比, 具有镀层均匀, 附着力强, 使用寿命长等优点。 因此, 建筑安装水电设计中较多选用热镀锌钢管作为给排水管线及电线保护管。 但是, 在热镀锌钢管的设计选用以及施工监理的材料验收过程中存在一些不明确的问题, 主要是设计参考的标准以及监理的验收标准方面, 本文拟对这些不明确的问题进行探讨。

热镀锌钢管在建筑安装工程中的选用与验收

什么是热镀锌
热镀锌(galvanizing) 也叫热浸锌和热浸镀锌:是一种有效的金属防腐方式,主要用于各行业的金属结构设施上。是将除锈后的钢件浸入500℃左右融化的锌液中,使钢构件表面附着锌层,从而起到防腐的目的。 热镀锌工艺流程:成品酸洗-水洗-加助镀液-烘干-挂镀-冷却-药化-清洗-打磨-热镀锌完工。热镀锌是由较古老的热镀方法发展而来的,自从1836年法国把热镀锌应用于工业以来,已经有一百七十多年的历史了。近三十年来,伴随着冷轧带钢的飞速发展,热镀锌工业得以大规模发展。


防护性能
通常电镀锌层厚度5~15μm,而热镀锌层一般在35μm以上,甚至高达200μm。热镀锌覆盖能力好,镀层致密,无有机物夹杂。众所周知,锌的抗大气腐蚀的机理有机械保护及电化学保护,在大气腐蚀条件下锌层表面有ZnO、Zn(OH)2及碱式碳酸锌保护膜,一定程度上减缓锌的腐蚀,这层保护膜(也称白锈)受到破坏又会形成新的膜层。
当锌层破坏严重,危及到铁基体时,锌对基体产生电化学保护,锌的标准电位-0.76V,铁的标准电位-0.44V,锌与铁形成微电池时锌作为阳极被溶解,铁作为阴极受到保护。显然热镀锌对基体金属铁的抗大气腐蚀能力优于电镀锌。


镀锌层形成过程
热镀锌层形成过程是铁基体与最外面的纯锌层之间形成铁-锌合金的过程,工件表面在热浸镀时形成铁-锌合金层,才使得铁与纯锌层之间很好结合,其过程可简单地叙述为:当铁工件浸入熔融的锌液时,首先在界面上形成锌与α铁(体心)固熔体。这是基体金属铁在固体状态下溶有锌原子所形成一种晶体,两种金属原子之间是融合,原子之间引力比较小。因此,当锌在固熔体中达到饱和后,锌铁两种元素原子相互扩散,扩散到(或叫渗入)铁基体中的锌原子在基体晶格中迁移,逐渐与铁形成合金,而扩散到熔融的锌液中的铁就与锌形成金属间化合物,沉入热镀锌锅底,即为锌渣。当工件从浸锌液中移出时表面形成纯锌层,为六方晶体。其含铁量不大于0.003%。

什么是冷镀锌

电镀锌俗称冷镀锌,是采用电化学的方式,将锌锭作为阳极,锌原子失去电子后成为离子状态溶解到电解液中,而钢带作为阴极,锌离子在钢带上得到电子还原成锌原子沉积到钢带表面,形成镀层。

热镀锌与冷镀锌的区别
热镀锌板和电镀锌板在镀锌量上有很大的差别。热镀锌的镀锌量不可能太小,一般最小为双面50~60g/m2,最大可达600g/m2。而电镀锌板的镀锌层可以很薄,最小达15g/m2,但要求镀层较厚的话则生产线速度很慢,不适应现代化机组的工艺特点,一般最大为lO0g/m2左右。正因为如此,电镀锌板的生产受到很大的限制。
热镀锌板和电镀锌板在镀层组织结构上有根本性的不同。热镀锌板纯锌镀层与钢带基体之间有一层稍脆的化合物层,纯锌镀层结晶时大多形成锌花,镀层均匀无孔隙。而电镀锌层的锌原子只是在钢带表面沉积析出,而且是靠物理作用附着在钢带表面,有许多孔晾,极易因腐蚀性介质引起点蚀,所以热镀锌板比电镀锌板更耐腐蚀。
热镀锌和电镀锌板的热处理工艺也完全不同,热镀锌板一般以冷硬板为原料,在镀锌线上连续进行退火和热镀锌,钢带在短时闻内加热后又冷却,所以强度和塑性受到一定的影响,其冲压性能比同样的冷硬板经专业生产线脱脂退火后的冷轧板差。电镀锌板以冷轧板为原料,基本上保证了冷轧板同样的加工性能,不过其复杂的工艺流程也增加了生产成本。总之,热镀锌板的生产成本更低,应用范围更广,也成为镀锌板市场的主要品种。
热镀锌抗腐蚀能力远远高于冷镀锌(又称电镀锌)。热镀锌在几年里都不会生锈,冷镀锌在三个月内就会生锈。
冷镀锌工艺用于保护金属防止腐蚀,为此利用了锌填料的涂料,在利用任何一种涂敷的方法将其涂在被保护表面,干燥之后形成锌填料涂层,在干燥涂层中具有含量的锌(达到95%)。钢铁在冷却的条件下在表面镀锌,而热镀锌是钢管在热浸的条件下对表面镀锌,它的附着力很强,不容易脱落,热镀锌管虽然也出现锈蚀的现象,但在很长的周期可以满足技术、卫生要求。

镀锌成品的区别:
1)热镀锌钢管内外壁均镀锌,而冷镀锌钢管则仅外壁镀锌。
2)冷镀层均匀,厚度很薄;热镀层较厚,厚度不均匀。
3)冷镀外观光亮,热镀颜色较暗。
4)冷镀层因为较薄,耐蚀性较差;热镀层因为较厚是冷镀锌的几十倍,而且与基体金属形成渗入层,耐蚀性好。
5)冷镀锌钢管看上去表面亮一些,光滑平整;热镀锌外表没有冷镀锌细腻光亮,热镀锌钢管表面看上去好像有一些高低不平的凹凸,而且表面不发亮,不太反光。

热镀锌层对钢管防腐的作用
热浸镀锌时, 锌铁合金层与钢铁基体、锌层之间均为冶金结合, 比漆类与钢铁的结合更牢固。 因此暴露在大气环境中的热镀锌层数 10 年也不会脱落, 直至被完全自然腐蚀。 一方面, 锌比铁有更负的电极电位, 当锌和铁构成微电池时, 锌为阳极, 铁为阴极, 在受到腐蚀时, 锌溶解而铁不受损害。 镀锌层有小的裂纹或损坏时, 锌将以牺牲阳极的形式防止继续裂纹或损坏处的钢铁生锈, 这是镀锌层比其他涂镀层优越的主要特点。 另一方面, 锌层对钢铁有屏蔽保护作用。 锌在大气或其它环境下在钢铁基体表面形成屏蔽层。 锌的腐蚀过程提高了其形成屏蔽层的能力, 这是因为锌和空气中的氧、二氧化碳、潮气等反应, 生成一种抗腐蚀副产物碱式碳酸锌膜。这种碱式碳酸锌膜硬而且不溶, 成为有效的屏蔽保护层, 它封闭了外界环境对铁的腐蚀, 减缓了对锌的腐蚀, 使钢铁的腐蚀速率降为原来的 1/25。
介于基体与纯锌层之间的锌铁合金层含锌在90% 以上, 对钢有与锌近似的电化学保护作用; 镀层越厚, 耐用年限也越长, 耐用年限与厚度几乎成正比。 锌铁合金层含锌在 90% 以上, 因此锌层的厚度与锌附着量可以作近 似换算, 1μ m 锌层 的厚度约相当于每平方米 7 克的附着量。

热镀锌钢管的选用
1. 热镀锌电管防护等级分类
英国标准 BS4568- 1970 《 电气装置用 ISO 型米制螺纹钢铁管及配件规范》 中第 4.2 条规定: 根据所采用的保护类型, 钢管及配件可分为以下几类。 第 1 级: 轻度保护( 例如: 涂漆) , 内外壁皆采取此保护; 第 2 级: 中度保护( 例如: 烘漆) , 内外壁皆采取此保护; 第 3 级: 中重度保护( 例如: 内壁烘漆, 外壁镀锌粉) , 内壁保护同第 2 级, 外壁保护同第 4 级; 第 4 级: 重度保护( 例如: 热浸锌, 镀锌粉)内外壁皆采取此保护。 另外第 9.1.1 条防腐性能测试中规定: 对于第 3 级管道和配件, 内壁和外壁应该分别采用不同的方法进行测试, 3 级采用 0.75%的铁氰化钾和 0.25% 过硫酸铵溶液, 4 级采用 2%的硫酸溶液。 由此可见, BS4568 中规定的 3 级电线管与 4 级电线管是根据防护等级而区分的。而笔者曾对镀锌电线管生产厂家进行考察, 据考察, 焊接钢管生产工艺流程大致为: 带钢→上料→开卷→对接→贮料→成型→高频焊接→除内焊筋→定径→涡流探伤→矫直→切割→平头→( 水压检测) →终检→钢管。 钢管镀锌生产工艺流程为:钢 管→脱 脂→水 洗→酸 洗→漂 洗→ 涂 溶 剂→ 烘干→热 镀 锌→外 吹→( 内 吹 ) →空 冷→水 冷→ 钝化→车丝→打印→终检→包装。 3 级电管是直接应用镀锌带钢焊接而成, 焊缝处作热喷锌处理。4级电管则是先将带钢焊接成钢管再进行镀锌。 生产工艺顺序成为两者的划分标准, 与 BS4568 不符。

2.热镀锌水管用作电管
一般情况下, 电管是指薄壁钢管, 水管是指厚壁钢管。 但是弱电系统( 如消防报警系统) 的电线对电管屏蔽性能要求较高, 有时设计选用热镀锌厚壁钢管, 即水 、 煤气管用 作电管。 需要 注意的是 ,GB3640- 1988 《 普通碳素钢电线套管》技术要求部分 2.4 规定 “ 钢管的内表面应光滑, 焊缝处允许有高度不大于 1mm 的毛刺”。 此规定是防止穿于管内 的 电 线 因 被 毛 刺 划 伤 而 损 坏 绝 缘 。 而 GB/T3091- 93 《 低压流体输送用镀锌焊接钢管》则无此规定, 因此水管用作电管时, 监理没有明确的验收标准。 另外, 笔者发现实际工程中施工单位报验的作为电管的水管材料质量证明书中有水压试验的试验数据, 显然施工单位在采购钢管材料时, 没有在合同中注明钢管的用途。

施工监理对热镀锌钢管的验收
监理在验收热镀锌管件材料时, 一般考察以下几个方面的质量。
1. 外观检查
管件主要表面应平滑, 无结瘤、锌灰和露铁现象, 允许有极少量的储运斑点存在。 但是当露铁处直径小于 2 mm 时, 由于锌有牺牲性保护作用, 对耐腐蚀性影响不大。 GB/T 13912 《 金属覆盖层钢铁制件热浸锌层技术要求及试验方法》以及英国标准都指出, 漏镀和不慎损坏的镀层可以修复, 并对允许修补的面积以及修补厚度都有较明确的要求。 修复用的材料应是与镀锌层性能接近的熔焊低熔点锌合金、热喷涂锌或特别的富锌涂料。由于近年来钢材基体多为含硅的镇静钢, 易生产出灰暗镀层, 镀层表面很少或基本没有纯锌层,合金层厚度即镀锌层厚度。 镀层表面没有锌的光泽并呈灰色, 严重时呈暗灰色, 这是铁锌合金层露出表面而造成的, 但管件对抗大气腐蚀性能没有影响, 只影响外观。 在用于隐蔽工程或暗敷时, 不应拒绝验收。

2. 锌层厚度
管壁厚度决定镀层厚度。 因为厚管件获得较厚镀层没有困难, 而表面平滑的薄钢管想得到较厚镀层则很困难。 前文已述及锌层厚度可以与每平方米锌重量附着量近似换算。 部分业主与监理只重视外观质量是否平整光亮而忽视锌层厚度要求, 甚至根本不做锌层厚度测试, 不太妥当。 GB3640- 1988中技术要求部分第 2.6 条与 GB/T3091- 93 技术要求部分第 5.6 条均规定: 镀锌钢管应进行锌层均匀性试验。试样在硫酸铜溶液中连续浸渍 5 次不得变红( 镀铜色) 。 早期的国外标准也规定用硫酸铜试验检验锌层均匀性。 而硫酸铜试验实际上是测定最小锌层厚度的方法, 不是测定最小厚度与最大厚度的差, 所以 “ 均匀性”说法不太确切。 而且纯锌层与铁锌合金层在硫酸铜溶液中的溶解速度有很大差异,因而浸入次数与附锌量的对应关系并不是很好。 因此, 凡是提到硫酸铜试验为均匀性试验的标准都有必要进行修改。 实际上, 只要附锌量达到标准, 硫酸铜 试 验 次 数 比 BS4568 标 准 规 定 的 4 次 和GB3640- 1988、GB/T3091- 93 规定的 5 次要多得多, 耐腐蚀性方面完全没有问题。GB/T 13912 采用的规定锌层局部厚度最小值的办法, 即可直接控制最小锌层厚度。

3. 锌层附着强度
热镀锌层应有足够的附着强度, 在无外应力作用使管件弯曲或变形时, 镀层不应出现剥离现象。事实上, 镀件在正常的搬动、装卸、运输、安装过程中经受碰撞时, 镀锌层一般不会开裂或剥离。 但在外力作用下钢管变形时, 锌层出现剥落是正常现象, 如卡箍式连接管的沟槽处在车槽时容易出现锌层剥落或起皮, 但这并不表示锌层附着力不好。 只需在出现锌层剥落或起皮的的沟槽处做防腐处理即可, 如喷锌或涂防锈漆, 不需要重新镀锌。《 普通碳素钢电线套管》及 《 低压流体输送用热镀锌焊接钢管》两标准中对附着强度的试验方法均未作规定。 必要时, 供需双方应协定镀层不剥离不凸起。 当镀锌件采用低硅钢, 镀层厚度适中, 合金层较薄而纯锌层较厚, 经受锤击试验并无问题。 但硅镇静钢的普及导致超厚镀层较多, 镀层中铁锌合金层往往较厚, 甚至几乎占据了整个镀层, 这些管件中有相当部分不能通过锤击试验, 但使用时防腐能力并无问题。 美国标准从 1989 年起已取消锤击试验, 附着性试验采用硬刀试验, 若锌层附着性良好,锋利的刀刃或尖刀用力铲入时, 只能铲出切屑, 不会有整片锌层崩落而露出铁基体。 硬刀试验可适用于所有类型的镀锌件, 而锤击试验只适用于表面平整且工件较厚的镀锌件。

热镀锌钢管的选用及验收存在问题的建议

英国标准 BS4568- 1970 已 制定 30 余年 , 热镀锌工艺技术已经比较成熟, 我国早已有关于热镀锌钢管的一些标准, 技术要求并不比 BS4568 低,因此建议设计选用时应借鉴国内标准。对于外观检查, 表面光滑度是个相对的名词,在规定光滑度时, 产品的用途应作为决定因素。 埋地、埋在混凝土或吊顶内敷设的管线不应追求表面光滑度, 而明装管线的光滑度则应作为检查重点。订立合同时要注意明确镀锌层的厚度或锌附着量要求。 因为热镀锌钢管的耐用年限与工程所在地有关, 而且不同地区使用年限差别较大。 同样是400g/m 2 附锌量, 钢管在郊外地带、沿地带、城市地带和重工业城市地带的使用年限分别是 67 年、33 年、21 年和 9 年。 需方应根据工程实际情况, 确定必要的附锌量。根据中华人民共和国标准化法, 强制性标准( GB) 以外的标准是推荐性标准( GB/T) 。 对于推荐性标准, 甲乙双方可根据情况选用, 并在合同中约定, 一经约定, 甲乙双方在勘察、设计、施工、采购中也 要 严 格 执 行 。 对 于 镀 锌 电 管 , 强 制 性 标 准GB3640- 1988 所 谓 的 “均 匀 性 ”测 试 —硫 酸 铜 试验较容易通过, 有些企业不执行推荐性标准 GB/T13912。 而热镀锌水管则无强制性标准, 合同中应注明引用的推荐性标准, 否则监理对钢管材料进行验收时没有依据。监理应明确镀锌钢管验收的 “ 主控项目”。 按现行强制性标准的规定项目进行检验并保证符合标准的规定, 称为主控项目。 无论需方是否在合同中注明, 均需按标准规定进行该项检验, 并保证检验结果符合标准规定。 如化学成分、力学性能、尺寸偏差、表面质量以及探伤、水压实验或压扁、扩口等工艺性能实验, 均属主控项目。 根据需方要求, 经供需双方协商, 在合同中注明引用的推荐性标准后, 推荐性标准也即成为主控项目, 如锌层附着量或锌层厚度检测、抗盐雾腐蚀能力试验等。

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