LW3-1 導(dǎo)管架腿乙二醇儲(chǔ)罐熱噴鋁工藝

馬桂君*，王長軍，曼得拉·查汗，易桂虎，王伊諾

（海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520）

荔灣導(dǎo)管架為國內(nèi)在南海項(xiàng)目最大的導(dǎo)管架，重達(dá)32 000 t，高度197 m。LW3-1 導(dǎo)管架4 條導(dǎo)管腿中設(shè)置有儲(chǔ)存貧乙二醇(MEG)罐，全長76.5 m，內(nèi)徑2.6～3.4 m。對(duì)于大直徑封閉管徑內(nèi)部防腐，熱噴鋁具有對(duì)人體危害性小、設(shè)備簡單、結(jié)合強(qiáng)度大和維護(hù)周期長的優(yōu)點(diǎn)，因此，LW3-1 導(dǎo)管架MEG 儲(chǔ)罐內(nèi)表面及內(nèi)部所有附件(包括管線、管支架)全部采用噴鋁處理。本文主要針對(duì)MEG 罐內(nèi)熱噴鋁作業(yè)特點(diǎn)，討論如何更好地解決施工過程中所遇到的質(zhì)量問題。

1 熱噴鋁施工前表面處理及影響

表面處理在防腐技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，尤其是熱噴鋁，良好的表面處理可以增加熱噴鋁的附著力，保證其使用性能，減少維修成本[1]。

1.1 噴涂前鋼鐵表面要求

被噴涂的容器、管道等表面必須平滑，棱角毛邊應(yīng)磨平滑，焊縫要呈平或圓弧狀，無氣孔、裂紋和焊瘤，要清除焊接飛濺物；待噴涂表面必須清潔、干燥、無污染，表面油或脂類物質(zhì)應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)SSPC-SP 1 規(guī)定用溶劑清洗去除。

1.2 磨料及清潔度要求

1.2.1 磨料清潔度

磨料應(yīng)干燥、清潔，無污染物，采用目測、手感或加熱方法均可檢查其干燥程度。檢查磨料是否含有油污，一般是將磨料放入盛水的500 mL 燒杯中攪拌，觀察表面是否含有油污痕跡，若磨料含有油污，它會(huì)浮于水表面，則該批磨料不合格，禁止使用。

1.2.2 磨料類型及性能

表面處理對(duì)噴射磨料的規(guī)定如下：

(1)磨料應(yīng)由比重大、韌性的精細(xì)粒狀物組成；

(2)磨料應(yīng)不易破碎，并且不易產(chǎn)生粉塵；

(3)磨料使用后，被處理表面不易殘余留存，且易于清除；

(4)粘附在鋼結(jié)構(gòu)表面的磨料粉塵的電化學(xué)電位盡量與鋼材電位相同。

1.2.3 清潔度與粗糙度

熱噴鋁涂層表面粗糙度應(yīng)達(dá)到65～150 μm 要求，噴砂清理至SSPC-SP 5 級(jí)(等同于ISO Sa3)，噴砂處理后表面灰塵數(shù)量和粒度不超過ISO 8502-3 的2 級(jí)，對(duì)于筋板熱切割位置，由于采用較粗的鋼砂很難達(dá)到粗糙度要求，因此，需采用氧化鋁噴砂。

1.2.4 鋼材表面鹽分要求

清理后的待噴涂表面其可溶性雜質(zhì)含量可用蒸餾水萃取后測試，氯化物的含量不超過50 mg/m2，如鋼材表面鹽分過高，則極易返銹，從而引起熱噴鋁涂層失效。

1.2.5 壓縮空氣要求

為保證鋼結(jié)構(gòu)表面處理的壓縮空氣清潔、干燥、無油，應(yīng)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行定期檢查，檢查方法是將干燥、白色的吸附材料放在壓縮空氣出口50～60 cm 處，2 min 后觀察吸附材料表面(每4 h 檢查一次)，如無水痕和油痕，則壓縮空氣達(dá)到質(zhì)量要求，否則，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和維修，直至滿足要求。

1.3 噴涂施工環(huán)境因素

環(huán)境因素的重要指標(biāo)是空氣溫度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)和鋼板表面溫度。處理好的表面如果暴露在潮濕環(huán)境中，極易發(fā)生銹蝕，這些銹蝕及鋼材表面的潮濕膜會(huì)嚴(yán)重影響鋁的附著力和耐蝕性，造成鋁層過早失效。施工中要求相對(duì)濕度小于80%，且鋼板表面溫度高于露點(diǎn)3°C，噴砂合格后必須立即進(jìn)行熱噴鋁，須在規(guī)定時(shí)間(4 h 內(nèi))完工。需要指出的是，青島環(huán)境比較潮濕，施工過程須采用除濕裝置，以保證底材在未返銹前進(jìn)行噴涂。

2 熱噴鋁施工過程的影響因素

2.1 材料

電弧噴鋁的材料需滿足ISO 14919 標(biāo)準(zhǔn)要求，所有熱噴涂用鋁絲中Al 的純度應(yīng)達(dá)到99.5%以上。鋁絲中不含結(jié)狀物、肉眼可見的氧化物顆?；蛘咂渌绊懯┕ひ约巴繉用芏群透街Φ奈镔|(zhì)，尤其要注意保持鋁材表面清潔、無油、無折痕。熱噴涂金屬絲材應(yīng)有明確的標(biāo)識(shí)，須儲(chǔ)存在干燥的室內(nèi)環(huán)境中。

2.2 熱噴鋁設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)

影響MEG 罐熱噴鋁的主要設(shè)備參數(shù)有噴涂電壓、噴涂電流、氣壓、噴槍到基材的距離、送絲速度等，這些參數(shù)會(huì)直接影響金屬涂層的外觀、厚度及附著力。LW3-1 導(dǎo)管架MEG 罐熱噴鋁設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 熱噴鋁主要參數(shù)Table 1 Main parameters of thermal spraying aluminum

所有操作人員在進(jìn)行熱噴鋁施工之前必須熟悉設(shè)備的操作參數(shù)，操作者必須通過考核得到業(yè)主認(rèn)證，確保熱噴鋁時(shí)設(shè)備的操作參數(shù)處于給定的范圍。

2.3 熱噴鋁施工

熱噴鋁施工時(shí)噴槍與工件的噴涂角度為90°，噴槍與罐內(nèi)表面的噴涂距離應(yīng)為150～200 mm，最大距離不得超過200 mm；噴槍移動(dòng)速度應(yīng)為300～400 mm/s，移動(dòng)速度要均勻；每層噴鋁層厚度應(yīng)均勻，一般為30～50 μm，200 μm 的噴鋁層應(yīng)分4～5 道完成，各層之間盡量垂直、交叉噴涂，相鄰噴涂區(qū)應(yīng)有1/3 寬度的搭接，其分層噴鋁間隔時(shí)間不得超過1 h。噴鋁時(shí)，應(yīng)防止工件表面有局部過熱或涂層局部過厚等現(xiàn)象，不得用手撫摸被噴涂的表面。由于MEG 罐管徑較大(達(dá)3.2 m)，熱噴鋁的噴槍較沉(大約為3 kg)，施工人員在MEG 罐內(nèi)采用手工噴涂的方式不便于施工，且無法保證噴涂角度，因此，可將熱噴鋁噴槍、送絲機(jī)構(gòu)固定在可移動(dòng)三角支架上，噴槍由電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，見圖1。改進(jìn)后的噴涂效率為20～30 m2/d，而手工噴涂的效率一般為8～10 m2/d。采用此裝置可節(jié)省人力，且工作效率大幅度提高。

圖1 改進(jìn)的熱噴鋁裝置Figure 1 Improved device for thermal spraying aluminum

3 熱噴鋁前期存在的問題及原因分析

熱噴鋁主要是對(duì)膜厚度、外觀以及附著力等方面進(jìn)行質(zhì)量檢查。對(duì)于外觀，須將涂層在不放大和放大10 倍的情況下進(jìn)行檢查。涂層表面要光滑勻稱，不能有污點(diǎn)、結(jié)塊和粗糙的區(qū)域，也不能殘留飛濺物和有漏涂現(xiàn)象。對(duì)于膜厚，要求所有的表面涂層厚度均不低于200 μm(ISO 19840)。根據(jù)SSPC-PA 2 要求，每10 m2的面積范圍內(nèi)至少取5 個(gè)不同的點(diǎn)測量膜厚，允許偏離標(biāo)準(zhǔn)膜厚的量在?10%～50%之間。對(duì)于附著力，單一測量值不得低于7 MPa，平均值不低于9 MPa。如果粘接劑本身發(fā)生斷裂，應(yīng)重新進(jìn)行測試。應(yīng)使用具有自動(dòng)校正功能的充氣或水力附著力測試儀器。

前期車間內(nèi)熱噴鋁施工流程如下：

自LW3-1 導(dǎo)管架MEG 罐熱噴鋁開工以來，熱噴鋁附著力不合格一直成為制約熱噴鋁施工進(jìn)度的主要因素。圖2 和圖3 為LW3-1 導(dǎo)管架MEG 罐環(huán)板焊縫位置出現(xiàn)的熱噴鋁涂層局部與鋼材基體脫離翹起現(xiàn)象。

圖2 熱噴鋁涂層缺陷Figure 2 Defects of thermal sprayed aluminum coating

3.1 涂層翹起原因分析及解決措施

3.1.1 原因分析

環(huán)板、焊縫位置及熱切割邊緣涂層翹起原因分析如下：

(1)環(huán)板焊縫位置由于與內(nèi)部管壁垂直，噴砂后灰塵清理不徹底。

(2)噴鋁過程中產(chǎn)生大量鋁粉，環(huán)板與管壁焊縫噴鋁前存在粉塵堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致附著力失效。

(3)對(duì)焊縫位置進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)(UT)，發(fā)現(xiàn)耦合劑殘留，導(dǎo)致附著力變差。

(4)熱切割邊緣硬度大，采用鋼砂噴砂無法滿足粗糙度要求，導(dǎo)致附著力失效。

(5)熱噴鋁工藝參數(shù)及工人施工技術(shù)影響。

3.1.2 解決措施

(1)噴砂前，按要求對(duì)耦合劑進(jìn)行清理，去除油污。

(2)焊縫噴鋁前用真空吸塵，保證清潔度。

(3)熱切割位置首先進(jìn)行打磨，然后采用硬度較大的氧化鋁進(jìn)行噴砂，保證粗糙度符合要求。

3.2 附著力測試不合格原因分析

MEG 罐附著力測試結(jié)果見表2，由表中數(shù)據(jù)可知，除第一個(gè)點(diǎn)膠斷外，其余7 個(gè)點(diǎn)附著力的平均值為7.86 MPa，小于9 MPa。其中，2、3、5 號(hào)的附著力都小于7 MPa。根據(jù)熱噴鋁檢驗(yàn)要求可知，MEG 罐熱噴鋁附著力不合格。

表2 前期熱噴鋁附著力測試結(jié)果Table 2 Test results of adhesion of thermal spraying aluminum at early stage of construction

熱噴鋁附著力不合格的原因主要如下：

(1)表面粗糙度偏低。前期熱噴鋁噴砂所用的磨料為G25 角鋼砂，其噴砂后MEG 罐管壁的平均粗糙度在70～80 μm，一些特殊部位(如環(huán)板、焊縫)由于其上有切割留下的鈍化層，打砂后的平均表面粗糙度只有60～70 μm，局部粗糙度甚至在60 μm 以下，表面粗糙度小導(dǎo)致了熱噴鋁涂層附著力降低。

(2)導(dǎo)管母材存在一些表面缺陷。有些缺陷在打砂之前不容易被發(fā)現(xiàn)，如焊道咬邊、氣孔等，如果這些缺陷在熱噴鋁之前未處理，就會(huì)導(dǎo)致熱噴鋁涂層與底材不能更好地接觸，進(jìn)而降低熱噴鋁涂層的附著力。

(3)熱噴鋁施工過程中產(chǎn)生的粉塵沒有得到很好的控制。前期熱噴鋁施工采用的是兩把噴槍從導(dǎo)管兩端向中間噴涂且單次噴涂長度為5 m 的方式，作業(yè)過程中也只是采用小功率的通風(fēng)機(jī)對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)，造成熱噴鋁施工過程中產(chǎn)生的粉塵不容易排除，粉塵可能附著在熱噴鋁涂層或者是未噴涂的底材上，使表面粗糙度降低，導(dǎo)致熱噴鋁涂層的附著力下降。這可能是熱噴鋁附著力不合格的主要原因。

(4)熱噴鋁設(shè)備的參數(shù)可能偏離了廠家推薦的范圍。影響熱噴鋁附著力的工藝參數(shù)主要有噴涂電壓、電流、壓縮空氣的壓力和噴涂距離。噴涂的電壓、電流發(fā)生波動(dòng)，壓縮空氣的壓力降低，或噴槍到底材的距離增大，都可能會(huì)導(dǎo)致熱噴鋁涂層的附著力降低。

(5)施工工人噴涂技巧、手法熟練度不夠。由于LW3-1 熱噴鋁是在罐內(nèi)大面積噴涂作業(yè)，以前沒有相關(guān)的罐內(nèi)大面積熱噴鋁作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，因此前期施工工人的噴涂技巧和手法的熟練度欠佳。

4 MEG 罐熱噴鋁改進(jìn)措施

針對(duì)MEG 罐熱噴鋁出現(xiàn)的以上問題，采取以下的解決措施：

(1)每次熱噴鋁開工之前，及時(shí)檢查所有設(shè)備，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在問題，立即更換。

(2)所有需要進(jìn)行熱噴鋁的導(dǎo)管在進(jìn)入車間之前，先對(duì)內(nèi)部的環(huán)板焊道進(jìn)行打磨處理，磨掉其上的鈍化層。

(3)用普通的G25 角鋼砂先對(duì)MEG 罐進(jìn)行整體噴砂，找出缺陷并進(jìn)行打磨處理；

(4)用16 目氧化鋁(棕剛玉)對(duì)MEG 罐進(jìn)行第二次噴砂作業(yè)，噴砂的長度為1.0～1.5 m，待該段熱噴鋁完成之后再進(jìn)行下一段噴砂作業(yè)。

(5)將熱噴鋁的噴涂方式改為從一端噴涂，在噴涂的導(dǎo)管端設(shè)大功率的通風(fēng)機(jī)，增加風(fēng)管的數(shù)量，對(duì)噴涂的區(qū)域加強(qiáng)通風(fēng)，改善熱噴鋁施工的環(huán)境。已經(jīng)噴涂完畢的涂層用塑膠布進(jìn)行保護(hù)，減少灰塵在熱噴鋁涂層上的附著，避免涂層磕碰損壞。

(6)熱噴鋁過程中，設(shè)專人每過一段時(shí)間檢查熱噴鋁設(shè)備噴涂電壓、噴涂電流、噴槍到底材的距離、系統(tǒng)壓力和流量等工作參數(shù)，以保證熱噴鋁設(shè)備工作參數(shù)處于設(shè)備廠家推薦的范圍。

(7)加強(qiáng)對(duì)熱噴鋁施工工人的資質(zhì)考核，優(yōu)先采用技術(shù)嫻熟的工人進(jìn)行熱噴鋁，控制施工人員的作業(yè)時(shí)間，當(dāng)超過2 h 時(shí)應(yīng)適當(dāng)休息，避免過度勞累影響施工質(zhì)量。

(8)每次施工前采用彎曲試驗(yàn)定性測試表面處理、工藝參數(shù)是否符合要求。采用寬50 mm、長100～200 mm、厚1.3 mm 的碳鋼板作為試驗(yàn)樣板，對(duì)樣板進(jìn)行噴砂處理，彎曲試驗(yàn)用熱噴鋁涂層厚度為180～300 μm。試樣繞13 mm 圓柱彎曲180°，若無裂紋或僅有微小的裂紋，且裂紋用小刀無法剝離則試驗(yàn)合格。

改進(jìn)后的熱噴鋁施工流程(粗線框部分為改進(jìn)的部分)如下：

改進(jìn)后，熱噴鋁涂層的附著力測試結(jié)果見表3。可以看出，熱噴鋁施工改進(jìn)后，MEG 罐膜厚在180～300 μm 之間，附著力的單點(diǎn)測試值都在7 MPa 以上，平均值在9 MPa 以上。可見，采取的這些措施對(duì)提高熱噴鋁的質(zhì)量是有效的。

表3 改進(jìn)后熱噴鋁附著力測試結(jié)果Table 3 Test results of adhesion of thermal sprayed aluminum after improvement

5 結(jié)論

表面粗糙度、母材表面缺陷、施工過程中產(chǎn)生的粉塵等是影響熱噴鋁施工質(zhì)量的重要因素，通過對(duì)影響施工質(zhì)量的因素進(jìn)行改進(jìn)，成功解決了LW3-1 導(dǎo)管架MEG 罐熱噴鋁施工過程中所出現(xiàn)的質(zhì)量問題，優(yōu)化了施工流程。該工藝對(duì)后續(xù)海洋鋼結(jié)構(gòu)封閉環(huán)境下熱噴鋁涂層施工具有指導(dǎo)意義。

[1]謝東,吳習(xí),蔣濤.電弧噴鋁在工程應(yīng)用中的各種影響因素[J].全面腐蝕控制,2004,18 (5):37-39.