海洋工程鋼結構熱噴鋁涂層設計應用

劉 存高 偉陳虹宇(.海洋石油工程（青島）有限公司,山東 青島 6650；.中油撫順石化設備檢測監理研究中心，遼寧 撫順 3000）

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海洋工程鋼結構熱噴鋁涂層設計應用

劉 存1高 偉1陳虹宇2
(1.海洋石油工程（青島）有限公司,山東 青島 266520；2.中油撫順石化設備檢測監理研究中心，遼寧 撫順 113000）

摘 要：熱噴鋁(TSA)涂層在海洋工程鋼結構腐蝕防護領域的應用逐漸拓寬，雖然TSA技術已經比較成熟，但是在海洋工程實際施工和檢測過程中，TSA施工質量還存在一定的問題。本文針對電弧噴涂鋁涂層在海洋工程中的應用、施工工藝設計、現場施工、檢測過程進行了經驗總結，提出了相應的推薦做法，希望為從事相關工作人員提供參考。

關鍵詞：海洋工程 熱噴涂 鋁涂層 設計應用

0 引言

海洋工程結構維修不便且保養費用昂貴，因此迫切需要研究更為長效的腐蝕防護涂層。電弧噴涂具有高效節能、操作靈活、適合大面積噴涂、易于現場施工等特點[1]。電弧噴涂鋁層具有服役壽命長、兼具陰極保護功能、不含有機揮發性溶劑、無需固化時間、無最低施工溫度、全壽命成本最低等特點，在海洋結構物腐蝕防護領域電弧噴涂鋁涂層已經有許多工程應用實例[2-4]。

1 熱噴鋁涂層海洋工程應用

熱噴涂鋁涂層是海洋環境中最好的防腐材料之一，在海洋工程領域TSA涂層主要在重防腐區域、難以維護部位、不銹鋼表面、高溫腐蝕環境、以及某些盛裝化學試劑的特殊儲罐中施用。

1.1 重防腐

TSA層在全浸環境下兼具涂層隔離和陰極保護聯合防腐功能，海水壓載艙采用TSA層可使得檢測時間間隔最大而維護最小。

海管系統保護涂層通過陰極保護系統來補償因涂層缺陷、破損及老化造成的防腐能力下降，耐蝕涂層越有效，所需要的陰極保護系統越少。海管飛濺區外表面涂層要求其能抵御腐蝕介質在干濕交替環境下的聯合侵蝕，TSA涂層已被用于保護有高溫（操作溫度可達200℃以上）和長防護壽命要求的立管結構。

TSA涂層比有機涂層通常能提供更為持久的保護，在海洋大氣環境條件下200μm厚的TSA涂層通常可維持30年。TSA涂層比有機涂層更耐久，難以接近維護保養的區域（例如：保溫表面、底層甲板背面、火炬臂、起重機臂、導管架飛濺區等）應考慮采用終生壽命涂裝系統，這些區域可采用封孔TSA涂層。

1.2 不銹鋼

不銹鋼與普通碳鋼相比具有優異的耐蝕性能，但是在海洋環境等含氯離子環境中，不銹鋼材料宜遭受氯致應力腐蝕開裂（CSCC）和點蝕，因此所有承壓不銹鋼結構在建造過程中必須進行涂裝處理。

TSA涂層可用于保護不銹鋼免遭CSCC。不銹鋼根據材質和耐CSCC能力不同有不同的使用溫度范圍，采用TSA涂層還可提高其最高使用溫度限制。以海洋工程行業常用316不銹鋼為例，在保溫和非保溫條件下，當操作溫度在50～175℃之間時，316不銹鋼容器、管線CSCC較為敏感，需要外加TSA涂層進行防護。當操作溫度在-5～175℃之間循環變化時，316不銹鋼容器和管線更需要噴涂TSA進行防護。

近年來，大型油氣鉆采、加工設施使用不銹鋼材質的管線逐漸增多，對不銹鋼材質管線的防腐，特別是對保溫不銹鋼表面的防腐多傾向于采用TSA涂層。

溫度超過60℃時，奧氏體不銹鋼（例如316L）尤其易遭受SCC，因此若不進行隔離防護的話316L已不適宜作為管線等結構材料。除熱噴鋁涂層以外，油漆和其他涂層已不足以防護SCC損傷。

1.3 高溫

在干燥環境下TSA涂層最高使用溫度可達590℃，在潮濕或全浸條件下最高使用溫度約為200℃。因此TSA涂層特別適合于某些由于熱輻射或熱傳導使得其使用環境溫度超出400℃的高溫區域，例如火炬臂、煙囪等。TSA涂層還具有較高的結合強度、延展性等，某些處于-5～175℃冷熱循環服役環境中的碳鋼容器和管線，也推薦采用熱噴鋁涂層進行防護。此外，TSA涂層還可擴大某些鋼種最高服役溫度范圍，如低溫鋼材質立管通過增加3mm腐蝕裕量和表面附加TSA涂層保護的方法可用于設計溫度達350℃環境中。

熱噴鋁涂層已經在超高溫剛性立管防護領域取得了一系列實際工程項目成功。

1.4 化學品儲罐

TSA適用于弱酸性和高溫環境，其可接受的酸堿度范圍在pH 4～8之間。某些特殊化學品，如貧乙二醇(MEG)，在運輸過程中通常采用鋁制容器或內襯鋁箔容器進行運輸。海洋油氣鉆采設施通常采用MEG作為脫水劑，盛裝MEG的容器或儲罐最好的內涂防腐保護涂層就是TSA涂層。

化學注入劑盛裝容器可選用316L不銹鋼外加TSA涂層外表面防腐結構。

2 電弧噴涂鋁涂層施工工藝設計

2.1 熱噴涂設備選擇及調試

噴涂距離需根據具體噴涂設備類型及熱源形式，按照廠家推薦參數并結合施工現場情況進行調試確定。噴涂參數不當會導致涂層孔隙率過大、結合強度不能滿足要求、膜厚不足或不均勻、涂層外觀不符合要求等缺陷。設備調試階段必須對涂層進行孔隙率、金相形貌、結合強度等涂層物理性能進行嚴格測試，確定后續正常施工時使用的噴涂參數，并嚴格執行。

2.2 材料選擇

TSA材料和涂層厚度應按照預期服役環境和防腐使用壽命參照標準NACE No.12/AWS C2.23M/ SSPC-CS 23.00[5]及ANSI/AWS C 2.18[6]進行選擇。噴涂絲材化學成分和類型應按照ANSI/AWS C2.25/2.25M[7]、ASTM B833[8]或ISO 209-2007確定。

熱噴涂金屬絲材應滿足AWS-C2.25/C2.25M W-AL-1100或 W-AL-1350、ISO 209 Grade1350或Grade1100級要求，且生產商應提供各批次材料合格證書。關于絲材檢驗證書，需要提醒的是雖然某些供應商能提供滿足AWS-C2.25/C2.25M要求的材料，但無法提供相應檢驗證書，導致絲材無法滿足業主要求不能使用，筆者就曾遇到過此類情況。

絲材成分及純凈度直接影響熱噴涂層的防護效果。絲材的圓周度（同軸度）對其施工性能將產生重要影響。若鋁絲材粗細不均，在施工過程中極易堵塞噴槍導電嘴，造成卡絲、斷弧現象，進而影響涂層質量。有研究表明[9]隨著電弧噴涂絲材直徑的減小，沉積涂層密度會逐漸增大。

2.3 表面處理

有研究表明[10]，磨料類型、表面處理清潔度、表面粗糙度對TSA涂層結合強度均產生相應影響。其中表面清潔度越高，在一定范圍內粗糙度越大，涂層結合強度越高。

碳鋼表面推薦采用顆粒大小合適的棱角狀氧化鋁、石榴石或角鋼砂磨料[5]；不銹鋼表面推薦氧化鋁磨料；禁止使用丸料進行噴砂處理，因為丸型磨料噴砂處理隕坑狀表面，不利于TSA層與鋼基體之間機械咬合附著。TSA涂層厚度越大所需錨紋深度越深，工程上常用粗糙度范圍在75～110μm之間。對于厚度超過300μm的熱噴涂層，表面處理錨紋深度大約為熱噴涂層厚度的1/3。可采用彎曲試驗和拉伸試驗的方式驗證所選磨料和噴砂處理表面粗糙度是滿足要求[5]。

TSA施工時最終表面處理至少應達到SSPC-SP10 或ISO 8501 Sa 近白級噴砂處理要求；特殊部位（如飛濺區、全浸區）必須達到SSPC-SP 5或ISO 8501 Sa 3.0出白級處理要求。SSPC-SP 5是熱噴涂表面處理的理想要求，也是許多工程應用強制表面處理要求。

噴砂處理后的表面清理非常重要，對涂層結合強度具有較大影響，TSA要求表面處理清潔度最低為ISO 8502-3規定的2級，推薦1級。噴砂處理前，所有銳邊應進行打磨倒角處理，倒角半徑至少為2mm，推薦倒角處理半徑為6mm。

2.4 封孔劑

TSA涂層存在一定的孔隙，孔隙率通常要求低于5%。熱噴涂鋁涂層噴涂施工、檢測后應盡可能快的進行封孔處理，封孔處理應在16小時以內完成，最長不能超過24小時，推薦最佳施工時間為8小時以內。若不進行封孔處理，各種酸、堿、有機介質就會浸入孔隙，使涂層脫落，影響防腐效果。孔隙率還會影響涂層結合強度[11]。

封孔劑的作用是封堵熱噴涂層內部的孔洞，而不是提供涂膜保護。因此，要求封孔劑要有粘度低，且足以滲透到孔隙之中封堵涂層表滿孔隙。封孔劑最小需要施工兩度，干膜厚度一般不應超過40μm，且只需完全封閉熱噴涂層孔隙即可。若TSA需要涂覆面漆時，封孔劑膜厚過后可能會導致面漆與TSA涂層間結合強度的降低。

封孔劑要與設計使用環境相匹配封孔劑還應與面漆材料兼容。切忌將面漆直接涂覆在未封孔處理的裸TSA涂層表面。鋼基體表面TSA涂層用封孔劑還應通過落錘試驗測試，落錘試驗可參照ASTM D 2794進行。

封孔材料包括：環氧類：最高溫度120℃；硅酮類：最高溫度達450℃。

在全浸、埋地和保溫層下的熱噴鋁涂層不應進行封孔處理，當熱噴鋁在全浸條件下使用時，通常需要與犧牲陽極進行聯合防腐。

3 TSA涂層施工

3.1 TSA施工

開機和設置、調整噴槍應遠離帶噴涂工件。在密閉空間，可在一塊廢金屬板上進行噴涂調試。不允許任何不符合要求的熱噴涂層噴涂到已處理過的工件表面。

在噴涂施工過程中，同樣需要不斷地對待噴涂表面進行清理，可采用壓縮空氣對帶噴涂表面進行吹掃，清除待噴涂表面的灰塵及金屬粉末。

涂層厚度一定時，采用多道噴涂工藝，即每道涂層厚度減薄，可獲得較大的涂層結合強度。單道涂層噴涂過厚可能會降低熱噴涂層整體的可利用結合強度。

TSA施工過程中要保證兩度涂層之間的涂裝間隔不能超過2小時。層間搭接寬度約50%。采用十字交叉法噴涂，即后一道噴涂應與前一道十字交叉。筆者曾遇到過平行噴涂產生膜厚不均未經封孔處理暴露在海洋大氣環境中導致涂層環帶狀點蝕發生的情況，如圖1所示。

實際工程應用中，在低濕度或安裝有除濕設備的封閉車間內進行TSA施工時，噴涂間隔可適當延長，可通過伴隨試樣的彎曲試驗定性測定合適的延長時間，并最終通過結合強度測試判定允許的最大涂裝間隔時間。反之，當在潮濕環境條件下施工TSA涂層時，應根據伴隨試樣彎曲試驗結果和結合強度試驗結果適時調整縮短涂裝間隔時間，以保證TSA涂層質量。

圖1 熱噴鋁涂層點蝕

3.2 封孔劑施工

TSA施工完成后，封孔劑施工前，TSA涂層應儲存在可控環境條件下，表面不能含有灰塵污染或水分等固體、液體或其它污染。

封孔劑應選擇富含鋁顏料的硅樹脂油漆，為保證封孔劑能很好的滲透進TSA涂層內部孔隙封孔劑應按廠家推薦要求進行稀釋、攪拌，一般要稀釋至固體含量最大不超過15%。

用于全浸區、保溫層下或埋地環境時，熱噴鋁涂層不應進行封閉處理。

封孔劑覆蓋情況可采用伴隨試樣對比測試法或封孔劑著色法進行測試。

4 涂層檢測及修補

質量控制措施應包括涂層厚度、結合強度和孔隙率[11]等。

按照ISO 2808規定要求在熱噴涂施工完工2小時內對膜厚進行測量。膜厚評價標準：局部膜厚最小值不低于最小膜厚的90%；拐角等局部區域TSA膜厚最大值不超過規定最小膜厚的2倍。

膜厚不足區域，應在2小時之內進行補噴。對于TSA過厚部位的處理方法，標準ANSI/AWS C2.25/2.25M只規定將膜厚超標部位記錄并告知業主方，而未給出相應的處理措施。筆者認為可借鑒實際項目經驗，對局部涂層厚度超過規定最大膜厚值的區域進行拉拔測試，檢測涂層性能是否滿足要求；若測試不合格則應噴砂去除該處TSA涂層，并使底材達到規定表面處理要求后重新噴涂。

涂層孔隙率應按照ASTM E2109標準，對測試試樣采用金相比較法或自動圖像分析軟件進行孔隙率測試，孔隙率應不超過5%。

TSA施工作業全程必須堅持彎曲試驗測試。彎曲試驗是一種定性試驗，是保證TSA涂層施工質量的有效措施，也是減少TSA涂層返工的重要保證，可根據NACE C2.25標準進行。彎曲試驗試樣及芯軸必需按照標準規定尺寸進行，以保證不同測試試樣之間的可比性。試驗樣板表面處理、涂層材料、噴涂參數、膜厚等必需與正式施工一致。彎曲測試試驗失敗，必須及時對基體表面處理情況、施工環境、噴涂參數等進行排查，找出試驗失敗原因并重新進行測試，直至試驗通過。

拉伸結合強度是判定TSA質量的重要指標，測試必需在工件表面進行測量，單點測試值不應低于7MPa。

TSA裸金屬涂層破損修補方法：若涂層已經破損至鋼基體暴露，應采用干噴砂處理方法進行表面處理至SSPC-SP 5并對破損涂層周圍進行拉毛處理后重新補噴TSA至規定膜厚；若僅是TSA層受損，則只需對受損部位進行預清理并局部掃砂處理，掃砂處理時注意保護完好涂層表面，然后補噴至規定膜厚。

5 小結

(1) TSA涂層在海洋工程鋼結構腐蝕防腐領域應用前景廣闊，近年來在高端油氣鉆采設備上逐漸受到各國防腐設計人員的重視，特別是在不銹鋼CSCC防護方面備受青睞；

(2) TSA涂層現場施工過程中因施工人員資質不足或表面處理不合格造成涂層質量不能滿足規定要求的情況，需要檢測人員以認真負責的態度，嚴把涂層質量關；

(3) 防腐設計人員應充分考慮現場實際情況，注意影響TSA涂層質量的細節，制定出切實可行的、嚴格的TSA施工程序；

參考文獻

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[11]Dominic J.Varcalle, Jr.An Evaluation of Application and Surface Preparation Parameters for Thermal Spray Coatings [M].Washington, DC: U.S.Army Corps of Engineers, 2001:9-60.

中圖分類號：TM207

文獻標識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.046.05

作者簡介：劉存（1982-），男，山東青島人，工程師，碩士，主要從事海洋結構物腐蝕防護工作。

Design and Application of Thermal Spraying Coating in Offshore Engineering Steel Structures

LIU Cun1, GAO Wei1, CHEN Hong-yu2
(1.Offshore Oil Engineering (Qingdao) CO., Ltd.Qingdao 266520, China; 2.Research Center of CNPC Fushun petrochemical equipment inspection and supervision, Fushun, 113000, China)

Abstract：Thermal spraying aluminum (TSA) coating applications in the field of marine engineering steel corrosion protection gradually expanded.Although TSA technology is relatively mature, but in the marine engineering construction and testing process, TSA application quality there are still many problems.This file aiming arc spraying aluminum coatings in marine engineering applications, application process design, site construction and testing process were lessons learned.It put forwards the corresponding recommended practices and hopes to provide a reference for personnel engaged in the related work.

Keywords:offshore engineering; thermal spraying; aluminum coating; design and application