護欄螺栓緊固件表面防腐技術(shù)的現(xiàn)狀分析
公路防護欄是確保公路交通安全的基礎(chǔ)交安設(shè) 施,這就要求護欄有一定的高度、安裝密度和足夠的強 度,其中強度是影響護欄服役安全和可靠性的主要因 素。研究表明,即使護欄板表面發(fā)生輕微腐蝕,碰撞試 驗表明護欄仍能滿足相應(yīng)級別的安全防護功能[1] ,這 是因為公路護欄是依靠整體的護欄受力來攔截、導(dǎo)向 事故車輛的;但如果護欄螺栓(連接螺栓和拼接螺栓) 腐蝕失效或連接強度不足,則緊固連接部位就是護欄 防護的薄弱點,碰撞時很容易發(fā)生局部受力過大,導(dǎo)致 護欄的防撞能力下降[2,3] ,發(fā)生騎跨、穿越,甚至造成嚴 重事故。螺栓表面防腐是影響其服役穩(wěn)定性和安全性 的重要因素,但在實踐中制造企業(yè)、道路業(yè)主、行業(yè)主 管部門往往把質(zhì)量控制的重點放在護欄板上,為此制 訂了齊全的護欄板技術(shù)標準,以規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量、保障交 通安全,但卻對護欄螺栓防腐重視程度不夠,只是在護 欄板的相關(guān)標準中有所提及,且相關(guān)指標或檢測方法 也不明確,這在一定程度上影響了公路護欄的工程安 裝和運行服役。鑒于此,本文對護欄螺栓表面防腐的技術(shù)現(xiàn)狀、相關(guān)技術(shù)標準等進行了綜合分析,并給出相 關(guān)建議,以期促進我國公路護欄設(shè)施的高質(zhì)量發(fā)展。
一、公路護欄螺栓表面防腐技術(shù)的現(xiàn)狀及存在 的問題
1.1護欄螺栓熱浸鍍鋅現(xiàn)狀及存在的問題
熱浸鍍鋅是將經(jīng)預(yù)處理的待鍍件浸入鋅浴中發(fā)生 高溫冶金反應(yīng)而形成鍍鋅層的表面處理工藝,熱浸鍍 鋅應(yīng)用至今已有近 180 多年的歷史,實踐表明它仍是 目前最可靠的防腐技術(shù)。熱浸鍍鋅的形層始于鋅浴與 鐵基的界面,終止于基材表面上的鋅液,鍍層的最終組 織結(jié)構(gòu)和物化性能與鋅浴熔體有著密切和直接的聯(lián) 系[4] 。形層開始,鐵基表面的助鍍鹽膜蒸發(fā),鐵基裸 露;熔融鋅瞬間在鐵基表面潤濕、鋪展、覆蓋且同時發(fā) 生 Fe、Zn 的相互擴散,并進一步發(fā)生 γ、δ、ζ 合金相層 的生長;當鍍件離開鋅浴時,熔融鋅和鐵基之間的相互 作用仍在繼續(xù),鍍件表面黏附有熔融鋅,此后熔融鋅發(fā) 生結(jié)晶凝固;所以,鍍件表面的鍍層包括與鐵基緊鄰的 鋅?鐵合金層和表面的鋅凝固層。適當?shù)剡x擇溫度和 時間參數(shù),可以控制鍍層中合金相層的組織特征和厚 度;但對于緊固件表面鍍層厚度的控制并不容易,尤其 是螺紋緊固件的螺牙部位,鍍層厚度的控制具有一定 的難度,稍微控制不當,螺紋緊固件就會因為鍍層質(zhì)量 缺陷而報廢。 護欄螺栓表面帶有外螺紋或內(nèi)螺紋(配套的各類 螺母),螺紋部位具有狹縫尺寸特征,基于上述熱浸鍍 鋅的機理及螺紋緊固件的形狀要求,護欄螺栓的熱浸 鍍鋅過程及鍍層質(zhì)量目標就是控制鍍層厚度盡量薄、 不堵塞螺牙。為此,人們最初采用爆鈍工藝控制螺紋 的鍍層厚度,利用熱鍍件和爆鈍液瞬間反應(yīng)生成的氣 體將基體表面未凝固的液態(tài)鋅爆破去除以保證螺紋的 薄鍍層。爆鈍過程產(chǎn)生大量氨氮超標的白煙,嚴重污 染大氣和影響操作環(huán)境。后來人們在螺栓浸鍍之后采 用離心甩將螺栓表面的余鋅去除,以滿足螺紋部位鍍 層厚度的要求。目前,護欄螺栓的熱浸鍍鋅工藝已日 臻完善、工藝穩(wěn)定,鍍層厚度和耐蝕性完全可以滿足公 路護欄的防腐要求,但在實際生產(chǎn)和護欄設(shè)施安裝過 程仍存在以下問題:
(1)護欄螺栓螺紋部位殘留有少量鋅瘤,影響現(xiàn)場 安裝 螺栓熱浸鍍鋅后螺牙部位殘留有鋅瘤,當鋅瘤 尺寸稍大時就嚴重影響螺栓和螺母的配合,出廠之前 螺母回攻或部分螺栓回攻后緊固件配合成套,施工現(xiàn) 場護欄螺栓緊固件一般容易拆開和再次裝配;當鋅瘤尺寸較小且手工裝配成套存在一定困難時[如配合不 通暢、配合不到位(螺母螺旋不到底)],出廠前往往采 用工裝夾具裝配成套,這時不可避免地施加了一定程 度的預(yù)緊力載荷;雖然護欄螺栓緊固件能夠裝配成套 供貨,但在施工現(xiàn)場發(fā)生拆開困難、再次裝配不通暢、 緊固不到位等問題,影響了護欄設(shè)施的安裝施工。
(2)對連接強度的影響 采用離心甩可以控制護 欄螺栓表面的鍍層厚度及均勻性,但配套螺母屬于內(nèi) 螺紋,離心甩難以去除螺母螺紋部位的余鋅,仍易發(fā)生 余鋅或鋅瘤堵塞螺牙現(xiàn)象;故人們普遍采用螺母放大加 工余量且鍍后回攻的方法保證熱浸鍍鋅螺母與螺栓的配 合,這雖然保證了緊固件的配合,但力學性能測試時常發(fā) 生拉伸過程拉脫現(xiàn)象,影響了護欄安裝后連接強度。
(3)對高強度護欄螺栓力學性能的影響 研究表 明,熱浸鍍鋅工藝過程對螺栓的顯微組織、硬度沒有明 顯的影響;但熱浸鍍鋅工藝不當會影響螺栓的沖擊韌 性,另外鍍鋅過程的酸洗會造成 10.9 級高強度螺栓基 體中的氫含量增加,增大了氫脆隱患[5] 。德國的工程 師研究發(fā)現(xiàn),高強度護欄螺栓(8.8 級及以上)熱浸鍍鋅 后螺牙部位的力學性能有一定程度的損傷。
由上可見,護欄螺栓的熱浸鍍鋅工藝雖然已經(jīng)成 熟且規(guī)模應(yīng)用,但鍍鋅工藝不當或鍍層質(zhì)量控制不良 時螺栓表面的鍍鋅層對護欄螺栓緊固件的配合、護欄 板的安裝及緊固強度都會產(chǎn)生一定的影響。
1.2護欄螺栓緊固件機械鍍鋅現(xiàn)狀及存在的問題
機械鍍鋅是指在常溫常壓下利用物理、化學吸附 沉積和機械碰撞使鋅粉在工件表面形成鍍鋅層的表面 處理工藝[6] ?;诠に囋矸治?,機械鍍鋅是在室溫 下的液體介質(zhì)中,依靠沖擊載荷、鋅粉的團聚與吸附, 在鋼鐵表面上沉積成層;它的形層過程沒有熱浸鍍過 程的界面反應(yīng)和鐵、鋅原子擴散[7] ,故與熱浸鍍鋅相比 它具有鍍層氫脆隱患小、鍍層厚度容易調(diào)控、過程易實現(xiàn) 清潔生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。歷經(jīng) 30 多年的發(fā)展,機械鍍鋅在 制造業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢,護欄螺栓緊固件的機 械鍍鋅是最近 10 年來發(fā)展并規(guī)模化應(yīng)用的工藝。 目前機械鍍鋅護欄螺栓在生產(chǎn)加工、市場流通和 工程安裝領(lǐng)域已具有一定的規(guī)模,以河北永年恒創(chuàng)電 鍍工業(yè)園區(qū)為例,現(xiàn)有機械鍍鋅護欄螺栓加工企業(yè) 20 余家,每家的護欄螺栓緊固件機械鍍鋅年加工量保守 統(tǒng)計為 10 000 t,僅此園區(qū)每年就向交安設(shè)施領(lǐng)域投放 超過 20 萬 t 的機械鍍鋅螺栓、螺母、墊片,這些緊固件 首先進入當?shù)氐臉藴始圃炱髽I(yè)或流入山東冠縣的交 通設(shè)施(以護欄板為主)制造企業(yè),然后流通至全國各地的公路工程建設(shè)地點。機械鍍鋅工藝本身決定了螺 牙、溝槽部位的鍍層厚度比平整表面的鍍層厚度要薄, 螺母鍍后不需要回攻,M12 以上螺栓甚至不需要預(yù)留 公差,鍍后不影響配合和力學性能。但工藝過程選用 鋅粉的粒徑大小、施鍍過程的加料強度、加料間隔等直 接影響著鍍層的致密度、平整度和外觀,進而影響到鍍 層的質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計,目前我國機械鍍鋅護欄螺栓緊固 件根據(jù)鍍層厚度大致分為 2 類———低鋅層和高鋅層, 所謂低鋅層一般指鍍層厚度低于 30 μm 或 35 μm,所 謂高鋅層一般指鍍層厚度高于 50 μm。隨著市場競爭 的不斷加劇,上述所謂高鋅層的機械鍍鋅護欄螺栓緊 固件產(chǎn)量僅占機械鍍鋅護欄螺栓緊固件總產(chǎn)量的約 1 / 4~1 / 3,且部分械鍍鋅護欄螺栓緊固件的鍍層厚度參 差不齊、鍍層疏松、外觀粗糙、表面灰暗等,產(chǎn)生這些問 題的主要原因有:(1)市場需求量大,目前護欄螺栓緊 固件的機械鍍鋅比熱鍍鋅在工藝上占有優(yōu)勢,供不應(yīng) 求;(2)價格惡意競爭,一味降低成本;(3)無標可依,沒 有質(zhì)量標準進行約束。
由上可見,與熱浸鍍鋅相比,護欄螺栓的機械鍍鋅 工藝已占有較大的市場規(guī)模和制造體量,但產(chǎn)品的機 械鍍鋅鍍層質(zhì)量良莠不分,缺乏技術(shù)規(guī)范指導(dǎo),市場混 亂,產(chǎn)品鍍層質(zhì)量標準研究及指標標準化亟待解決。
二、護欄螺栓緊固件表面防腐技術(shù)標準的現(xiàn)狀 及存在的問題
2.1國內(nèi)公路護欄螺栓緊固件表面防腐的技術(shù)標準現(xiàn)狀
目前,國家標準和行業(yè)標準沒有專門針對護欄螺 栓、螺母、墊片等緊固件表面防護層的技術(shù)規(guī)范?,F(xiàn)行 的護欄板產(chǎn)品標準 GB / T 31447-2015“預(yù)鍍鋅公路護 欄”、 JT / T 457 - 2007 “ 公 路 三 波 形 梁 鋼 護 欄 ”、 GB / T 31439.1-2015“波形梁鋼護欄第 1 部分”、GB / T 31439.2-2015“波形梁鋼護欄第 2 部分”、JT -T 281 - 2007“公路波形梁鋼護欄”的主要內(nèi)容是針對護欄板和 立柱的技術(shù)規(guī)范,其中只有 JT-T 281-2007 提及配套使用的螺栓等緊固件的表面防腐可采用熱浸鍍鋅層或 其它防護層,但并未指定可采用其它哪些類別的防護 層,同時指出螺栓緊固件防腐可參照 GB / T 18226“公 路交通工程鋼構(gòu)件防腐技術(shù)條件”執(zhí)行。
JT-T 281-2007 和 GB / T 18226-2015 均對護欄螺 栓等緊固件的技術(shù)指標及質(zhì)量提出了要求。JT - T 281-2007 指出,護欄的所有構(gòu)件均應(yīng)進行金屬防腐處 理,一般宜采用熱浸鍍鋅,其相關(guān)技術(shù)要求如表 1 所 列,當采用其它防腐層時應(yīng)符合 GB / T 18226 的相關(guān)規(guī) 定,并要求螺紋構(gòu)件熱浸鍍鋅后應(yīng)清理螺紋或作離心 分離且不能因鍍層而影響配合。GB / T 18226-2015 列 出了公路交通鋼構(gòu)件可選用的包括熱浸鍍鋅、熱浸鍍 鋁、熱浸鍍鋅+聚酯復(fù)合涂層、熱浸鍍鋅+浸塑復(fù)合涂 層、環(huán)氧鋅基聚酯復(fù)合涂層、鋅鉻涂層(達克羅)、粉末 鍍鋅(機械鍍鋅的另一稱謂)涂層等 17 種防護涂層技 術(shù),并在使用原則中指出,鋅鉻涂層和粉末鍍鋅適用于 螺栓、螺母等緊固件,當螺栓緊固件采用熱浸鍍鋅和粉 末鍍鋅防腐時涂層的質(zhì)量應(yīng)達到表 1 中的要求。
由表 1 的對比發(fā)現(xiàn),JT-T 281-2007 規(guī)范了護欄螺 栓熱浸鍍鋅層的質(zhì)量要求,其中對鍍層平均厚度、最低 厚度、鍍層均勻性和鹽霧時間給出了量化指標及要求, 對螺 牙 部 位 及 螺 栓 的 力 學 性 能 未 做 要 求。GB / T 18226-2015 指出并建議螺栓緊固件適合采用鋅鉻涂層 (達克羅)和機械鍍鋅層防腐,因鋅鉻涂層(達克羅)的 防碰撞性能較差,故生產(chǎn)中很少應(yīng)用,此處不再進一步 敘述;當護欄螺栓緊固件采用機械鍍鋅層時鍍層質(zhì)量 應(yīng)按熱浸鍍鋅的要求(見表 1)執(zhí)行。對比表 1 中的指 標和數(shù)值還可以發(fā)現(xiàn),當護欄螺栓緊固件采用熱浸鍍 鋅層時,兩項標準都有可直接采用的數(shù)值參考,能夠控 制產(chǎn)品的鍍鋅層質(zhì)量和保障產(chǎn)品的驗收;若采用機械 鍍鋅層,則只能參照熱浸鍍鋅層質(zhì)量及要求。機械鍍 鋅和熱浸鍍鋅屬于原理、工藝都不相同的 2 類鍍鋅工 藝,雖然 2 種工藝均能獲得金屬鍍鋅層,然而 2 種鍍層 的組織結(jié)構(gòu)明顯不同,這導(dǎo)致機械鍍鋅護欄螺栓在防腐層質(zhì)量驗收及評判時存在著以下問題:
(1)現(xiàn)行標準的最低鋅附著量是基于熱鍍鋅層的 測試原理及方法提出的,這對機械鍍鋅層并不適用。因為熱浸鍍鋅層為鋅及鋅鐵合金的致密層體,其密度 接近或稍大于純鋅的密度(7.14 g / cm 3 ),而機械鍍鋅層 為鋅粉顆粒鑲嵌成的帶有微孔的致密層體,其密度低 于純鋅的密度,甚至相差較大。檢測表明,機械鍍鋅層 的鋅附著量受鋅粉顆粒粒徑、加料強度、強化時間等影 響較大,如同等條件下采用粒徑 1 200 目的鋅粉比 500 目的鋅粉獲得的鍍層致密度要高,延長強化時間可以 提高單位面積的鋅附著量,增加加料次數(shù)也可以提高 單位面積的鋅附著量。這些工藝因素與鋅附著量之間 的影響規(guī)律及鍍層質(zhì)量的穩(wěn)定控制亟待制造企業(yè)或加 工商進行系統(tǒng)研究和試驗統(tǒng)計。
(2)鍍層的均勻性要求不能用于螺紋部位的鍍層 質(zhì)量檢測和評價。硫酸銅實驗 5 次不變紅色的要求對 于熱浸鍍鋅構(gòu)件(如護欄板、立柱、防阻塊等)的平整表 面是可以采用的,而對于邊角、邊緣、溝槽部位(如螺 牙、螺栓六角頭邊棱、螺栓大圓頭邊緣、螺栓螺桿端面 等)的鍍鋅層進行規(guī)范要求是不可行的。檢測表明,即 使是平面部位厚度達到 50 μm 的熱浸鍍鋅螺栓也常發(fā) 生不能通過 5 次硫酸銅實驗的情況;對于隨機抽檢機 械鍍鋅的螺栓、螺母、墊片的螺牙部位、拐角部位也是 難以通過 5 次硫酸銅實驗的??梢姡鲜鰳藴实南嚓P(guān) 技術(shù)條款并沒有考慮螺栓、螺母、墊片等緊固件的結(jié)構(gòu) 特殊性和鍍層厚度的差異性,故護欄螺栓緊固件的機 械鍍鋅層參照熱浸鍍鋅層要求進行相應(yīng)檢測及驗收是 不科學的,急需建立符合技術(shù)特征和緊固件形狀結(jié)構(gòu) 特征的機械鍍鋅護欄螺栓的鍍層技術(shù)規(guī)范。
2.2國外公路護欄螺栓緊固件表面防腐的技術(shù)標準現(xiàn)狀
國外發(fā)達國家對高速公路護欄的研究和應(yīng)用起步 較早,美國、英國在 20 世紀 60 年代就開展了公路護欄 的碰撞試驗研究工作,建立了完善的高速公路護欄試 驗、評價標準和高速公路護欄板產(chǎn)品標準[8] 。美國高 速公路護欄標準 AASHTO M180“高速公路護欄板技術(shù) 規(guī)范”對護欄安裝緊固用的螺栓、螺母、墊片的表面防 腐給出齊全的技術(shù)要求,標準將護欄板按表面防護層 類別分為 4 類(見表 2),其中配套用的螺栓緊固件也根 據(jù)護欄板的類別給出了具體的防腐要求,4 類護欄板配 套用的螺栓、螺母、墊片表面防護建議采用熱浸鍍鋅層 或機械鍍鋅層。 另外,國外護欄板技術(shù)標準對螺栓緊固件表面鍍 鋅層(熱浸鍍鋅和機械鍍鋅層)的厚度、結(jié)合強度、平整 度等外觀質(zhì)量也給出了規(guī)范要求。同時發(fā)現(xiàn),螺紋標準件的 其 它 國 外 標 準 文 獻 如 ASTM A307 “ 抗 拉 強 度 370MPa 碳鋼螺栓、螺柱、螺桿技術(shù)規(guī)范”、ASTM A354 “調(diào)質(zhì)合金鋼螺栓、螺柱及其它外螺紋緊固件技術(shù)規(guī) 范”、ASTM A449“最小抗拉強度 120 / 105 / 90 ksi 熱處 理鋼六角頭螺釘、螺栓、螺柱技術(shù)規(guī)范”、ASTM A325 “抗拉強度 725 ~ 830 MPa 熱處理鋼螺栓技術(shù)規(guī)范”、 ASTM A563“碳鋼和合金鋼螺母技術(shù)規(guī)范”中當有鍍鋅 要求時,則規(guī)定采用熱浸鍍鋅和機械鍍鋅,且對 2 類鍍 鋅層的厚度都做了量化要求??梢?,國外護欄螺栓緊 固件防腐的技術(shù)標準化已經(jīng)相當完善,主要技術(shù)指標 已經(jīng)量化,技術(shù)標準具有較強的實踐性,這非常值得我 們學習。
綜上分析還發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外技術(shù)標準不管是熱浸鍍 鋅螺栓還是機械鍍鋅螺栓,均是以平整表面作為檢測 對象的,而護欄螺栓、螺母、墊片的防腐層均是復(fù)雜表 面,其表面的平面、螺紋、曲面、邊棱、柱面等鍍層外觀 質(zhì)量、鍍層厚度、厚度均勻性等存在明顯的不同,這是 不能忽略的問題。所以,護欄螺栓緊固件的防腐層應(yīng) 充分考慮緊固件的表面形狀差異,確定主要檢測表面 或次要檢測表面,并根據(jù)不同表面位置有區(qū)別地研究、 制訂質(zhì)量指標?;诎l(fā)展前景分析,護欄螺栓緊固件 的機械鍍鋅比熱浸鍍鋅具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,行業(yè)界 應(yīng)盡早組織制造商、用戶、研究機構(gòu)制定機械鍍鋅護欄 螺栓緊固件的技術(shù)標準并發(fā)布實施。
三、結(jié)語
護欄螺栓是公路護欄安全保障的重要組成部分,表面防腐是影響護欄螺栓服役可靠性的一項重要指 標。本文基于護欄螺栓緊固件表面防護的技術(shù)現(xiàn)狀和 技術(shù)標準分析,綜述了當前我國公路護欄螺栓緊固件 防腐的工藝、鍍層質(zhì)量以及相關(guān)技術(shù)標準、質(zhì)量指標 等,并指出了產(chǎn)品質(zhì)量和工程應(yīng)用中存在的問題,希望 促進我國公路護欄緊固件的良性發(fā)展,并建議從以下 幾個方面及時開展研究和標準化制定工作:
(1)護欄螺栓緊固件機械鍍鋅工藝過程與鍍層致 密度、單位面積鋅附著量等鍍層質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律 研究;
(2)機械鍍鋅護欄螺栓緊固件鍍層質(zhì)量的主要指 標、指標量化檢測及可行性研究;
(3)機械鍍鋅護欄螺栓緊固件主要檢測表面的確 定及螺紋部位鍍層質(zhì)量的差異性檢測及評判。
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