鹽霧測(cè)試能評(píng)估涂層材料的腐蝕防護(hù)耐久性嗎？
鹽霧測(cè)試能評(píng)估涂層材料的腐蝕防護(hù)耐久性嗎？
中性鹽霧試驗(yàn)普遍用于測(cè)試涂料對(duì)金屬（鋼結(jié)構(gòu)）的防腐蝕效果，甚至樹脂、乳液等原材料也采用鹽霧試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和評(píng)估。
研究和應(yīng)用常常會(huì)把中性鹽霧試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短當(dāng)成重要指標(biāo)來衡量涂層防護(hù)的耐久性，常常問到的一個(gè)問題是抗鹽霧的時(shí)間和防腐蝕年限的對(duì)應(yīng)性，甚至還有把鹽霧指標(biāo)作為評(píng)價(jià)防腐蝕性能的唯一關(guān)鍵指標(biāo)。
本文探討鹽霧測(cè)試和其他防腐蝕的測(cè)試方法，以及與實(shí)證防腐蝕效果的對(duì)比。
一、什么是（中性）鹽霧測(cè)試？
國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125-2021，美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM B117-85標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鹽霧測(cè)試的參數(shù)都做了規(guī)定。
中性鹽霧指的是鹽溶液呈中性，PH值在6.5至7.2之間的鹽霧，測(cè)試的樣板連續(xù)暴露于35℃的5%Nacl鹽霧中, Nacl濃度在5%以下時(shí)，腐蝕速度隨濃度增加而增加，但濃度大于5%，氧含量趨于飽和，鹽濃度增加氧含量相應(yīng)下降，腐蝕作用減弱。
具體測(cè)試的樣板往往是用特殊刀具劃傷涂層后斜置于鹽霧箱中，經(jīng)一定時(shí)間后觀察樣板的起泡、銹蝕和銹蝕蔓延程度。
鹽霧腐蝕過程中是在高濕狀態(tài)下，氯離子穿透涂層達(dá)到金屬表面，被吸附在金屬表面，取代保護(hù)金屬的氧化層中的氧，使金屬腐蝕。
鹽霧試驗(yàn)過程中持續(xù)噴霧，不斷沉降在試樣表面上的鹽液膜，使含氧量始終保持在接近飽和狀態(tài)氧能夠引起金屬表面的去極化過程，加速陽極金屬溶解。
腐蝕產(chǎn)物的形成，導(dǎo)致保護(hù)層鼓起。涂層起泡，板面發(fā)生銹點(diǎn)說明涂層的抗氯離子滲透性差，涂層的阻隔性能不夠。
而在劃痕處的銹蝕一般是先出現(xiàn)流銹（銹水的污染），然后腐蝕產(chǎn)物形成把劃痕兩邊的涂層頂起，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是把表面涂層剝離，測(cè)試銹蝕蔓延的寬度來評(píng)價(jià)耐鹽霧的小時(shí)數(shù)（參考HG/T 3668-2020單邊銹蝕寬度≤2.0mm）。
雖然這個(gè)測(cè)試方法在國際上廣泛采用，但只能表征該規(guī)定條件下的耐腐蝕行為，沒有涉及測(cè)試應(yīng)用過程中的溫度變化，干濕交替，紫外老化和不同介質(zhì)的腐蝕因素。
事實(shí)上大多數(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)表明：鹽霧試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用效果缺少直接的關(guān)聯(lián)性，在海洋環(huán)境中的應(yīng)用結(jié)果與耐鹽霧也缺少關(guān)聯(lián)性。
因此工業(yè)界和專家在不斷開發(fā)其他的測(cè)試方法能把應(yīng)用的環(huán)境元素綜合起來更接近服役的工況，測(cè)試的結(jié)果更能接近實(shí)際效果。
二、鹽霧結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)防腐性能的比較
德國聯(lián)邦水道工程與研究所Matthias J. Schmid選擇了19套環(huán)氧涂層，富鋅環(huán)氧和聚氨酯涂層體系做了實(shí)驗(yàn)室1440小時(shí)的鹽霧，同樣的涂層放置在兩處淡水和兩處海水環(huán)境的大氣，浪濺和全浸的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試5年的腐蝕相關(guān)性研究。
測(cè)試結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果部分具有對(duì)照性，含鋅粉底漆的6套涂層體系的鹽霧測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果呈正相關(guān)性。
但是無鋅底漆的環(huán)氧涂層和聚氨酯涂層對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)果沒有相關(guān)性，在鹽霧測(cè)試中這些涂層全部通過，除了一個(gè)是2.4mm，劃痕銹蝕蔓延寬度在2.0mm以內(nèi)，但是這些涂層體系在現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)試是失敗的，在波羅的海和北海的大氣區(qū)的銹蝕蔓延寬度最大達(dá)到了23.4和13.6mm。
這項(xiàng)研究表明，鹽霧測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕性能的相關(guān)性只有在某些情況下是成立的，該研究不宜用鹽霧指標(biāo)來定義通過/失敗的唯一準(zhǔn)則，可以作為對(duì)涂層質(zhì)量認(rèn)可的一個(gè)參考。
三、綜合腐蝕因素的測(cè)試方法
其他測(cè)試涂層的防腐蝕性能和耐久性的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法通常是把中性鹽霧試驗(yàn)和其他的環(huán)境應(yīng)用結(jié)合起來，達(dá)到更準(zhǔn)確評(píng)估涂層的防護(hù)質(zhì)量，和對(duì)優(yōu)劣涂層材料進(jìn)行篩選。這些被引用和逐漸被廣泛接受的測(cè)試方法有：
1）Prohesion循環(huán)鹽霧試驗(yàn)
Prohesion測(cè)試是干濕循環(huán)鹽霧試驗(yàn)由英國的Harrison和Timmons開發(fā)的方法，結(jié)合了干濕循環(huán)和鹽霧的步驟，而且對(duì)鹽溶液的組分也進(jìn)行了改變，更貼近工業(yè)防護(hù)涂料的腐蝕環(huán)境。
與連續(xù)中性鹽霧試驗(yàn)相比，Prohesion測(cè)試與戶外大氣腐蝕的相關(guān)性更好。具體的試驗(yàn)條件如下表示：
| 步驟 | 測(cè)試條件 | 溫度 | 時(shí)間 |
|---|---|---|---|
| 第1步 | 0.05%NaCl+0.35%硫酸銨鹽溶液，噴霧 | 25℃ | 1h |
| 第2步 | 干燥 | 35℃ | 1h |
| 循環(huán) | 重復(fù)上述步驟進(jìn)行循環(huán) |
2）Prohesion循環(huán)鹽霧+QUV老化循環(huán)試驗(yàn)
在Prohesion腐蝕測(cè)試步驟上引入紫外老化循環(huán)的測(cè)試方法：200小時(shí)Prohesion測(cè)試和200小時(shí)QUV紫外暴露交替進(jìn)行，這樣更全面的模擬實(shí)際的環(huán)境氣候工況。
| 步驟 | 測(cè)試條件 | 溫度 | 時(shí)間 |
|---|---|---|---|
| 第1步 | 0.05%NaCl+0.35%硫酸銨鹽溶液，噴霧 | 25℃ | 1h |
| 第2步 | 干燥 | 35℃ | 1h |
| 第3步 | 重復(fù)上述第1、2步驟進(jìn)行100個(gè)循環(huán) | 200h | |
| 第4步 | UV紫外光照 | 60℃ | 4h |
| 第5步 | 冷凝 | 50℃ | 4h |
| 第6步 | 重復(fù)上述第4、5步驟進(jìn)行25個(gè)循環(huán) | 200h | |
| 循環(huán) | 重復(fù)上述步驟進(jìn)行循環(huán) |
3）Norsok M-501循環(huán)老化測(cè)試
離岸的海洋環(huán)境的腐蝕是最嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境，挪威海工和石油聯(lián)合會(huì)制訂Norsok M-501對(duì)涂層防護(hù)體系的測(cè)試方法是獲得海工業(yè)主認(rèn)可的涂層質(zhì)量測(cè)試最嚴(yán)苛的方法，ISO 12944:9-2017全盤引用了該測(cè)試方法。
該測(cè)試方法結(jié)合鹽霧，紫外，溫變，低溫冰凍的應(yīng)用環(huán)境因素的循環(huán)，包括如下的步驟：
- 72小時(shí)的QUV和冷凝，依照標(biāo)準(zhǔn)ISO 16474-3中規(guī)定的方法A循環(huán)：4小時(shí)紫外線照射（60±3℃）和4小時(shí)冷凝（50±3℃）交替進(jìn)行。
- 72小時(shí)中性鹽霧試驗(yàn)，依照標(biāo)準(zhǔn)ISO 9227 規(guī)定進(jìn)行。
- 24小時(shí)低溫暴露試驗(yàn)（-20±2）℃。
7天完成一個(gè)循環(huán)，對(duì)于要求耐久性能達(dá)到設(shè)計(jì)25年要求的涂層體系，要求能通過4200小時(shí)，也就是6個(gè)月的循環(huán)測(cè)試。
通過該測(cè)試劃痕處的腐蝕狀況和筆者團(tuán)隊(duì)置于南海島礁上測(cè)試的樣板一年的腐蝕狀況是非常的相似，也佐證為什么該測(cè)試方法為海工平臺(tái)和海上風(fēng)電業(yè)主和設(shè)計(jì)院所青睞和采用來認(rèn)可離岸的涂層防腐體系。
而中性鹽霧測(cè)試劃痕處的銹蝕蔓延少，腐蝕的情況要比M-501測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)腐蝕環(huán)境要友好的多，不足以用來評(píng)判涂層材料的可靠性和耐久性。
4）鹽霧測(cè)試、循環(huán)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證結(jié)果的比較
國際上的腐蝕防護(hù)專家對(duì)采用鹽霧，循環(huán)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。
美國和英國BP專家與Polylab的常博士在2024年AMPP年會(huì)上發(fā)表了研究結(jié)果2：把鹽霧，ISO 12944-9（等同于Norsok M-501）循環(huán)老化和AMPP TM21612干濕交替/老化循環(huán)的測(cè)試進(jìn)行了比較，同時(shí)在全球三個(gè)海域進(jìn)行實(shí)證的測(cè)試。
有兩個(gè)涂層體系涂覆的樣板分別在印度洋航行的船上（18個(gè)月），北海石油平臺(tái)上（18個(gè)月）和大西洋的Trinadad島（22個(gè)月）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的腐蝕測(cè)試。經(jīng)過實(shí)證測(cè)試后這些涂覆的板面腐蝕狀況與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的板進(jìn)行了比較。
AMPP TM21612 是美國防腐蝕協(xié)會(huì)建立的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕的方法，采用了M-501的QUV+冷凝的循環(huán)與Prohesion鹽霧以兩周為一個(gè)循環(huán)，整個(gè)測(cè)試周期為12周。
在經(jīng)歷相同的測(cè)試時(shí)間，傳統(tǒng)的中性鹽霧的腐蝕蔓延的寬度都是低于TM21612的測(cè)試，而且經(jīng)過TM21612測(cè)試涂層的腐蝕狀況與在印度洋的船上，尤其是Trinidad島上的腐蝕狀況非常相似。
Trinida島在中美洲常年氣溫在20-34°C，腐蝕情況比位于英國北海的氣溫在0-18°C的腐蝕嚴(yán)重的多。
可以看到不同海域的腐蝕差別很大，如果單純的用中性鹽霧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足以評(píng)估嚴(yán)重和復(fù)雜的腐蝕環(huán)境下涂層的防護(hù)性能和耐久性。
ISO 12944-9要求通過6個(gè)月的測(cè)試，而TM21612則縮短到三個(gè)月的加速測(cè)試，從研究結(jié)果來看該方法模擬了應(yīng)用環(huán)境的多種腐蝕老化因素造成的腐蝕，而且腐蝕后的狀況也非常接近實(shí)際的情況。
業(yè)主和涂料制造商在越來越多的使用ISO 12944-9（Norsok M-501）或AMPP TM21612測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來篩選用于海洋防腐蝕的涂料和涂層體系。
四、結(jié)束語
正如ISO 3768中性鹽霧試驗(yàn)（NSS）的序言中寫到：“抗鹽霧性能和在其他介質(zhì)中的抗蝕性之間很少有直接關(guān)系，因?yàn)檫€有多種因素影響著腐蝕過程，中性鹽霧測(cè)試所得結(jié)果不能被作為涂層在所有使用它的環(huán)境中抗腐蝕性的直接或者唯一的指導(dǎo)?！?
不同涂層耐鹽霧性能只是一個(gè)相對(duì)的耐腐蝕性能，并不能直接對(duì)應(yīng)涂層在應(yīng)用服役中的耐久性。
不同應(yīng)用環(huán)境的耐腐蝕性能需要綜合環(huán)境因素進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)在的綜合鹽霧與老化和干濕交替循環(huán)測(cè)試更貼近實(shí)際應(yīng)用工況來評(píng)定涂層防腐蝕可靠性和耐久性。