1.3　结构设计

1.3.1　结构设计的重要性

除了了解金属材料的选择外，我们还需要了解一些结构设计的常识。钢结构设计的目的是确保结构适合于它的功能，有足够的稳定性、强度和耐久性，用可以接受的费用来建筑，并具有艺术观赏性。但是许多钢结构的设计并未考虑涂装过程中的表面处理、涂漆和检查，以及维修过程。设计缺点和装配缺陷很容易造成涂料保护上的困难，并且容易造成水、污垢和污染物的积聚，形成腐蚀的诱因。在腐蚀环境下，结构设计对应用腐蚀环境下的涂料的寿命期限和最终的有效性有着相当大的影响。

如果在设计阶段可以考虑涂料和施工及以后的维修作业，那么就可避免许多由腐蚀而带来的结构使用失效。结构设计中的基本要点就是涂料必须能够很容易地在其表面上施工。这在建筑师和工程师在设计一个建筑物或工厂时是一个非常重要的概念。遗憾的是很多人不理解这些，如果结构物的设计使其可以很好地接受涂料并且让它形成连续均匀的漆膜，那么就可以保证结构物不受腐蚀影响。应该尽可能在钢结构设计早期就减少腐蚀的可能性，最好在图纸阶段就开始这一工作。

桥梁是一个典型的例子，它们开放式箱式梁桁、凹口、铆钉和搭接板以及许多其他形式，从涂料和腐蚀的角度看都是不合理的结构。图1-7是处于海洋环境的桥梁框架结构。涂料才进行了两年施工，可以看出来右边图中有些地方是很难涂上涂料的，可以看得出边缘、螺栓头和接板上面已经生锈了。

在腐蚀环境下应用的钢结构，应该使设计尽可能地简单化，减少复杂性，尽量减少涂漆表面。这包括最大程度地减少那些错综复杂的结构部位和不规则形状，特别是那些不易于涂漆的部位。尽可能地消除铆钉结构、搭接部位、锐边、边角和粗糙表面。连接处用焊接的形式比铆钉和螺栓连接为好。点焊和不连续焊只能用于腐蚀风险小的地方。当然同时还得考虑平衡工程方面关于安全和使用有效性方面的要求。

从图1-8江苏泰州长江大桥的结构形式可以看出，这样的桥梁承重结构与图1-7中的桁架式桥梁结构相比，在涂料施工方面无疑是非常简单而且有效多了。在日常生活中，可以看到这些简单的桥梁结构已经是非常普遍了。扁平箱梁、悬索和斜拉索以及管状结构大大减少了外露面积（与桁架式桥梁结构相比），同样也减少了大量角落、搭接、铆钉和锐边等这些难以防腐蚀涂漆的地方。

1.3.2　钢结构涂装工作距离

钢结构在设计时，就要考虑防腐蚀涂料的施工、检查和维护。这一点并不是很难，比如加装梯子、工作平台或其他辅助性设施等。

为了对钢材表面进行表面处理、涂漆和维修，操作者必须能够看得到这些表面，并且所使用的工具也必须能够得着这些表面。需要进行处理的表面应该有足够的空间位置给操作者进行工作，这个距离的标准显得非常重要，根据国际标准ISO 12944-3 “设计考虑”，所要求的标准距离见表1-5。

在箱形结构和储罐等密封结构上，要特别注意开口要有足够的尺寸大小，允许操作者和其工具安全地进入，包括安全设施（图1-9）。

1.3.3　缝隙处理

在结构设计中，经常会产生缝隙问题，如点焊或螺栓连接的重叠板面之间，这些通常是不易于进行表面处理和涂漆的地方，易于潮气的积聚，也就很容易产生腐蚀。在缝隙里产生的锈蚀会膨胀，体积远大于钢材本身。这就会导致钢材的减薄。防止缝隙腐蚀产生的最好办法是进行全面焊接来代替螺栓或法兰面的连接，如图1-10和图1-11所示。另外一个办法就是扩大缝隙间的距离，使之有足够的空间进行更好的、更方便的表面处理和涂漆保护。

1.3.4　几何结构的影响

很多的腐蚀问题是由不规则的几何结构产生的。在典型的结构中，有许多直线形边。特别是装配时产生的切边往往不像H型钢那样是圆的，这就给以后的涂装工序带来了问题。涂料通常有从边上收缩和回拉的趋势，而在边上留下较薄的、较少的保护涂料，如图1-12所示。通常要求对锐边打磨到半径r>2mm，有些要求r>3mm。在涂装过程中，边缘至少应进行一次预涂，最好在每道涂层都进行预涂，以增加边上的涂层厚度。

通常，焊缝是平整表面上的粗糙部分，见图1-13，焊缝处往往清理不当，或者根本不清理而留下焊接飞溅物、焊渣和酸性焊剂残留物，如果这些缺陷不除去，就会促进腐蚀。

铆钉、螺栓头和螺母都难以进行涂装，需要加以注意以保证所有表面合适清理并涂装。这些部位可能会留下难以清洁和涂装的缝隙。在这种条件下就难以保护螺栓。在可能的地方应该采用焊接来代替铆钉和螺栓结构物。用高强度螺栓的防滑接合表面是一种特殊情况，应进行清理，不涂装或采用已试验和已核准的涂料进行涂装，常用的涂料有无机硅酸锌涂料，要符合ASTM A490 Class B或其他相关规范关于摩擦滑移系数的要求。

在建造中，经常采用背面相靠的角。这些角的背面往往不进行涂装，采用镀锌或无机锌等进行预先涂装是一个很好的处理方法。

角落有外角和内角的区别。外角同锐边一样会发生相同的腐蚀作用，应该进行倒角处理和预涂工作。内角则会有两个问题：

①施工在内角落上的涂料会像在自由边上一样发生收缩，形成与底材接触不好的搭桥，里面可能会形成空隙，见图1-14。

②角落会容留脏物或堆积垃圾，这样涂料就会施工在一个污染的表面上。内角落应像其他表面一样进行清理，除去脏物灰尘等，最好在施工主要涂料前进行预涂。

临时建造辅助物，如钩子、托架等，通常采用跳焊或单面焊的方式焊接在建筑物上。这些在设计时就定为竣工后要除去的临时辅助物，有时就留在了原处，并与原来施工的涂料一起进行复涂。在这种情况下，表面处理或涂料施工可能会比理想的要差，并会发生早期涂料损坏。这些辅助物应除去，再适当处理表面，并施工合适的涂料以避免周围涂料的过早损坏。在有加强材的复杂结构上面，见图1-15，对切口的处理，要有r>50mm的开口，以便流水可以自由通过，并保证能够进行适当的表面处理和涂漆工作。在实际中，经常可以看到过小的切口无法进行除锈和涂漆而留下腐蚀的隐患。

在流体介质的输送管道中，磨蚀作用是比较常见的现象。对于这些管道形状的设计，要避免产生不必要的涡流。图1-16指出了一些管道焊接的方法，可以避免流体的流向变化。任何直角形状都要使其渐进地平滑化，使用直角弯头很容易产生磨蚀作用。

1.3.5　金属的连接

不同的金属材料在有电解质的情况下互相接触时，由于不同材料的腐蚀电位的差别，会形成电化学腐蚀电池而产生电偶腐蚀。例如，将铝铆钉用在钢板上，则铆钉会腐蚀得很快，如图 1-17所示。两种金属材料的电偶序中离得越远，电偶腐蚀的危险就越大。因此，要尽可能把不同种金属材料间进行绝缘，如图1-18所示。