濕熱海洋工程鋼結構涂料實證評價關鍵技術及應用

楊陽，陳川，向利，趙鉞，揭敢新，王俊

（中國電器科學研究院股份有限公司，工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510300）

引言

隨著我國對海洋權益日趨重視，南海諸島上的建設必然會逐漸增多。南海屬于典型濕熱海洋氣候，具有高溫、高濕、高鹽和強輻照等特點，環境條件尤為嚴酷，因此必須采用防腐性能高、使用壽命長的防腐涂料和涂裝體系才能對濕熱海洋鋼結構進行有效保護。對于濕熱海洋工程鋼結構而言，其關鍵構件主要分布在海洋大氣區、海水飛濺區或潮差區以及海水全浸區等多個腐蝕區域[1]，其中，海水飛濺區是鋼結構腐蝕最為嚴重的區域[2]，也是對涂料防腐耐久性能考驗最重要區域。目前，行業大多數采用實驗室模擬試驗和現場暴露試驗來對涂料耐久性能進行評價和優劣篩選[3-5]，實驗室模擬試驗往往不能很好代替涂料在現場服役環境中的狀況，而現場暴露試驗仍只是考慮了涂料在濕熱海洋大氣區的腐蝕老化狀況，很少關注海水飛濺區等其他腐蝕區域對涂料性能的影響，同時也缺乏完整的從實證測試到評價的相關技術規范。

因此，本研究通過對涂料實證平臺設計和搭建，并優化涂層阻抗監測探頭設計，改善涂層性能監測技術，結合涂料相關評價標準，形成濕熱海洋工程鋼結構涂料實證評價技術。該技術即能給用戶選擇經濟、可靠的海洋工程鋼結構涂料提供技術指導，又可有助于涂料生產廠家開發新型涂料和改進提升涂料質量，對推動濕熱海洋鋼結構防腐技術發展具有十分重要的意義。

1 涂料實證測試平臺

1.1 實證測試平臺設計

涂料實證測試平臺的搭建應遵循“用于何處，建于何處”的原則，盡可能選擇在能代表各種氣候類型最嚴酷的地區或在受測試涂料實際服役區域。濕熱海洋工程鋼結構涂料實證測試平臺搭建的技術難點主要在于海水飛濺區測試平臺的搭建，既要保證涂料測試所在空間上具備海水飛濺區的代表性，又要兼顧便于技術人員的可操作性。

圖1 涂料實證測試平臺設計示意圖

圖2 飛濺區涂料實證測試平臺示意圖

以海上風電電導管架基礎平臺及樁腿作為涂料實證測試平臺為例，圖1 為涂料實證測試平臺設計示意圖，初期建設，包括大氣區和飛濺區兩部分，可掛大氣區樣板70 塊，飛濺區樣板50 塊。大氣區樣板可直接用支撐臂和尼龍繩固定于導管架基礎平臺欄桿上部，飛濺區樣板則用支撐臂固定于導管架樁腿底部橫桿上如圖2（a）所示，將涂料樣板和腐蝕樣板通過尼龍繩串穿起來固定于支撐臂上，尼龍繩另一端則捆綁于平臺欄桿上。圖2（b）為掛樣支撐臂放大示意圖，支撐臂通過不銹鋼緊固螺栓鎖定在鋼結構底部橫桿上，根據橫桿的長度，調整支撐臂上固定的樣板數量，每個樣板之間應預留至少20 mm 間距，以保證每個樣板測試過程中互不干擾。圖2（c）分別為腐蝕樣板和涂料樣板規格示意圖，其尺寸分別參考標準GB/T 14165[6]和GB/T 9276[7]制定，也可根據實際需求適當進行尺寸調整。

1.2 實證測試平臺應用

圖3 為在某海島海上風電導管架基礎平臺及樁腿開展涂料實證測試現場圖片，試驗區域包括如圖3（a）風電導管架基礎平臺（大氣測試區）和圖3（b）導管架樁腿（海水飛濺區）。樣板顏色要求：大氣區的涂層樣板外表面顏色為白色，飛濺區的涂層樣板外表面顏色為黃色。通過涂料樣板的實證測試后，對涂料樣板的關鍵性能參數進行測定，達到對涂料在濕熱海洋環境下防腐性和耐久性的評價。

圖3 某海島海上風電導管架基礎平臺及樁腿涂料現場實證測試圖

2 涂層阻抗在線監測設備

交流阻抗技術是最常用于監測涂層失效問題的手段之一，主要是通過施加一定的正弦波的擾動，一定頻率范圍內，輸出相應的頻率信息，這些信號經過計算機處理計算即可得到電極的阻抗，通過監測的涂層電阻變化情況可判斷涂層是否失效[8]。現有的涂層阻抗監測方法是將傳感器與金屬基體鑲嵌噴涂同樣漆材，置于相同環境條件下對涂層阻抗進行監測，這種方法可實現對涂層實時監測，且對涂層無外加損害，較為便利。但對于嚴酷度較高的濕熱海洋環境，環境中鹽分較高，氯離子容易滲透，使得更易受到腐蝕影響，導致傳感器靈敏度下降，因此，需要對涂層阻抗在線監測探頭進行技術升級，提高其抗腐蝕能力以及靈敏度，為濕熱海洋工程鋼結構涂料實證評價技術提供更準確的數據支持。

2.1 監測探頭結構優化設計

涂層阻抗在線監測探頭如圖4 所示，主要包括絕緣外殼（1）、輔助電極（2）、工作電極（3）、參比電極（4）和連接線束，絕緣外殼（1）設計主要用于涂刷受測涂層的涂刷面，輔助電極、工作電極和參比電極均安裝在絕緣外殼中且保證相互絕緣。其中輔助電極（2）采用具有多個格孔的網格結構，網格結構具有九個按照九宮格方式布置的格孔（2a），工作電極為圓形電極，參比電極（4）為圓環形電極，工作電極（3）和參比電極（4）內外同心布置組成一組電極組；輔助電極（2）的每一個格孔（2a）內均設有一組由工作電極（3）和參比電極（4）組成的電極組；連接線束（5）包括輔助電極導線、工作電極導線和參比電極導線，輔助電極導線、工作電極導線和參比電極導線的一端均露出在絕緣外殼（1）的外部，輔助電極導線的另一端伸入絕緣外殼（1）的內部與輔助電極（2）電性連接，工作電極導線的另一端伸入絕緣外殼（1）的內部與每一個工作電極（3）電性連接，參比電極導線的另一端伸入絕緣外殼（1）的內部與每一個參比電極（4）電性連接。

2.2 使用方法及特點

該涂層阻抗在線監測探頭主要用于對被測涂層進行阻抗變化監測，以實現對被測涂層的老化失效測試。其使用方法具體為：將受測涂層涂刷在絕緣外殼（1）的表面，以使得受測涂層完全覆蓋涂刷面（A）并與輔助電極、輔助電極（2）、工作電極（3）和參比電極（4）緊密接觸，再將連接線束（5）與控制系統連接，用控制系統通過所述輔助電極（2）、工作電極（3）和參比電極（4）向所述被測涂層施加疊加了小幅正弦波信號的直流電位，并同步測量極化電位和響應電流，以此計算出所述被測涂層的阻抗，實現對所述被測涂層的阻抗變化監測。

由于監測探頭采用網格結構的輔助電極（2），可以降低通過輔助電極的電流密度，確保輔助電極不易被極化，使得阻抗監測數據更穩定、準確；通過在電極的每一個格孔（2a）均設置一組同心布置的工作電極（3）和參比電極（4），實現對被測涂層進行響應更為靈敏的多點監測，避免因被測涂層腐蝕過程不均勻而造成單獨一組工作電極和參比電極的監測存在響應靈敏度差的問題，使得阻抗監測數據更靈敏、準確。

3 涂料實證評價技術

涂料實證評價技術具體包括測試涂料測試樣板的制樣、涂層阻抗監測傳感器的安裝、實證測試試驗的實施和實證測試結果的評價。

3.1 試樣的制備

3.1.1 試樣類型、尺寸和數量

試樣應采用符合GB/T 9271[9]規定的鋼材制作。除非有協議，否則試樣的最小尺寸需為300 mm×150 mm×5 mm，樣板數量3 塊。

3.1.2 傳感器的設計和安裝

探頭鑲嵌在鋼板中部，施加交流激勵信號，實證過程中探頭電極位于涂層/金屬基體界面，可以準確測量涂層與金屬基體界面處的性能變化，通過探頭表面涂層阻抗變化可間接反映監測區域涂層狀態。涂層阻抗采用單頻測試保障數據穩定可靠。探頭截面及安裝位置如下圖5 所示。設置傳感器采集頻率為2～24 h 采集一次數據，若監測涂層防腐蝕性能很好，可取24 h 采集一次數據；若監測涂層防腐蝕性能一般或評價某種涂層防腐蝕性能，可取6 h 采集一次數據或更小。每隔一段時間（如半年、1年、2年等）通過端口下載方式下載涂層阻抗數據，并檢測傳感器電量及時更換電池。

3.1.3 表面處理

圖5 傳感器嵌入鋼板刨面圖

采用合適的方法清除試樣表面的油脂，噴砂處理至少應達到GB/T 8923.1[10]中規定的Sa2.5 級。除非經特別許可，每塊試樣的測試面的表面粗糙度應該與GB/T 13288.1[11]中規定的中級（G）級一致，并采用GB/T 13288.2[12]中指定的方法用比較器（比測板）進行檢驗。也可采用其他實際所需合理的表面處理方法。試樣在涂覆涂料前，應該保持干燥，并且不能沾染灰塵和其他雜質。

3.1.4 涂覆和固化

測試樣品應嚴格按照相關涂覆說明進行規范涂覆和固化。另外，樣板背面與側邊可以選擇其他保護手段，防止損壞。

3.1.5 干膜厚度

涂覆涂層時應注意，每道涂層涂刷完畢，都需根據ISO 19840[13]標準要求進行檢測涂覆表面的干膜厚度，檢測點至少五個，當每道涂層最大干膜厚度符合相應規定時，可進行下一步涂覆。干膜厚度檢驗規定如下：

若額定干膜厚度≤60 μm，最大干膜厚度應小于1.5倍的額定干膜厚度；否則，最大干膜厚度應小于1.25 倍的額定干膜厚度。

3.1.6 涂覆時間間隔

每道涂層應嚴格按照相關規定的時間間隔來進行涂覆。

3.1.7 調節/固化

根據ISO 3270[14]，對涂覆完成的試樣在適當環境中進行調節，其中環境溫濕度調節須為可控的，若固化和調試不是此標準進行的，需特別說明。在試驗開始前，涂層應按照相關說明充分固化。

3.1.8 空隙（漏點）檢測

為避免過早失敗，如果當事各方同意，應進行合適的涂層針孔（漏點）檢驗。

3.1.9 劃線

依照表1 規定，應該在每一個動態循環腐蝕試驗和浸海水試驗待測的試樣涂層上劃一條露出所有涂層的加速線（見圖6 和圖7）。劃線需用到一個機械（像用鈷鋼鉆鉆開一條縫的工具）。加速線應該有50 mm 長，2 mm 寬，距離兩長邊50 mm 和一邊短邊50 mm。加速線應該完全劃透涂層露出金屬底材。

3.2 實證評價

3.2.1 實證前評價

試驗前，應對樣品進行外觀檢查并測量樣品的涂層干膜厚度、附著力測試，大氣區涂層樣板需另進行光澤、色差等初始性能數據，具體參考的標準如表1 所示，其中，涂層樣板拉開附著力應不小于5 MPa。試驗前記錄涂層在定頻下阻抗大小。

圖6 試樣加速線位置示意圖（單位：mm）

圖7 加速線剖面（單位：mm）

表1 樣品性能測試所參考的測試標準

3.2.2 實證試驗

試驗周期可根據需求選擇1年、2年、3年、4年、5年，將樣品通過螺栓或夾具固定在實證平臺上，不同涂層體系制備的涂層樣板放在對應的海上大氣區、浪濺區及全浸區進行現場試驗。

3.2.3 試驗后評價

按ISO 4628[16]的要求對人工模擬試驗后的樣品進行粉化、起泡、銹蝕、開裂、剝離等評級，要求等級均為0 級，在實驗室大氣環境下調節兩周后，參考GB/T 5210[15]進行涂層拉開附著力測試，最小測試值不低于原值的50 %，最小值至少為2 MPa；且在拉開附著力值＜5 Mpa 之前，沒有出現底漆和底材失去附著力的情況。用合適的方法除掉漆膜之后，測量9 個點的腐蝕寬度（加速線中間點及兩側各4 個點，每個點之間的間距5 mm）,腐蝕漫延值M=（C-W）/ 2，C 是9 個點腐蝕寬度的平均值，W 是線的初始寬度。要求循環試驗后飛濺區涂層體系M ≤8，大氣區涂層體系M ≤3。對于飛濺區的涂層樣板，光澤、色差變化等級不做考察。繪制涂層阻抗數據的變化圖譜，評價其下降趨勢和臨界失效時間。

4 結語

本文通過對濕熱海洋工程實證測試平臺的設計，包括飛濺區和大氣區涂料兩部分的現場實證測試平臺，完善涂料濕熱海洋環境實證測試能力，并通過將涂層阻抗監測探頭輔助電極采用網格結構的優化設計，減小被極化風險，擁有更為敏感的多重響應信號，對涂層進行更為穩定和精準地損傷監測，還從實證制樣、測試方法實施和結果評價等多方面，為濕熱海洋工程鋼結構涂料提供可靠的關鍵評價技術方法，對于推動海洋工程涂料新技術和新產品的應用和行業整體水平的提高有重要意義，對于涂料使用的業主方選擇經濟、可靠、環保的新型海洋工程涂料有重要指導作用，對于涂料廠家開發新型涂料的快速應用以及自身產品服役行為的研究和改進提升產品質量也有重要意義。