電弧噴涂鋁在海洋工程中應(yīng)用與質(zhì)量控制

程國東 ，李家福，馬永青，崔峰瑞，張有慧，薛偉航，萬舉惠

(1.海洋石油工程有限公司 山東 青島 266520;2.青島科泰重工機(jī)械有限公司 山東 青島 266510)

電弧噴涂由于其突出的經(jīng)濟(jì)性、工藝靈活性和長(zhǎng)效的防腐壽命，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用到深海石油工程裝備，1984 年世界第一條TLP(張力腿)平臺(tái)HUTTON TLP 整體采用熱噴鋁加封閉涂料防腐［1-3］。特別是平臺(tái)上作為高溫服役的管線和結(jié)構(gòu)件，越來越多的使用熱噴涂金屬鋁涂層作為防腐涂層來代替有機(jī)涂料涂層，如必和必拓FPSO PYRENESS 火炬臂;對(duì)于在高溫條件下腐蝕的防護(hù)，還沒有比較理想的涂料，目前可使用的是有機(jī)硅耐高溫涂料和磷酸鹽耐熱涂料。但這類涂料雖具有使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但其使用壽命較短，粘結(jié)強(qiáng)度較低，抗沖擊性能差等缺陷，因而不適合在海洋環(huán)境下的長(zhǎng)期使用;還有某些主要設(shè)備的內(nèi)表面，荔灣3-1 導(dǎo)管架大腿MEG 罐內(nèi);處于海洋飛濺區(qū)的結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)管架的大腿［4］，還有一些在液化石油天然氣(LNG)工廠的高溫管線和海水提升管線以及各類海洋裝備中組塊上不銹鋼管線與碳鋼管線焊接接頭的熱影響區(qū)部位均要求采用電弧噴涂鋁涂層防腐。

1 電弧噴涂鋁涂層防腐機(jī)理

(1)電弧噴涂鋁涂層起物理覆蓋作用，可較好地將鋼鐵基體與水、空氣及其它介質(zhì)隔離開。同時(shí)，鋁本身的耐蝕性遠(yuǎn)好于鋼鐵［5-7］。

(2)由于鋁的電極電位比鋼鐵低，在電解質(zhì)溶液(海水)中，當(dāng)鋁涂層局部破損或有孔隙時(shí)，熱噴鋁在海洋平臺(tái)防腐中為陽極，鋼鐵基體為陰極，鋁涂層將作為犧牲陽極，而使鋼鐵基體得以保護(hù)，起陰極保護(hù)作用。

2 電弧噴涂鋁涂層施工

2.1 施工工藝流程

電弧噴涂施工工藝流程主要包括工件表面處理、表面檢查、噴涂鋁涂層、性能檢驗(yàn)和涂料封孔等。

2.2 表面處理

表面處理要求至少達(dá)到ISO 8501-1 Sa2.5，磨料應(yīng)干燥、清潔，無污染物。

噴砂除銹后表面粗糙度應(yīng)符合ISO 8503 標(biāo)準(zhǔn)，粗糙度應(yīng)使用專用紙帶或者對(duì)比法進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于碳鋼表面粗糙度需要滿足65～125 μm，對(duì)于不銹鋼表面粗糙度需要滿足25～45 μm 要求。

表面灰塵數(shù)量和粒度不超過ISO 8502-3 的2 級(jí)。

熱噴鋁之前，清理后表面的可溶性雜質(zhì)的含量，按ISO 8502-6 標(biāo)準(zhǔn)用蒸餾水萃取后測(cè)試，電導(dǎo)率不得超過相當(dāng)于依照ISO 8502-9 測(cè)試20 mg/m2NaCl 時(shí)的測(cè)試值。

2.3 電弧噴涂鋁材料

一般來說，用于熱噴鋁的鋁絲中Al 質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少為99.5%。此金屬絲不含結(jié)狀物、肉眼可見的氧化物顆?；蛘咂渌绊懯┕ひ约巴繉拥拿芏群透街Φ奈镔|(zhì)。金屬絲應(yīng)有明確的標(biāo)識(shí)，必須儲(chǔ)存在干燥的室內(nèi)環(huán)境中。

2.4 修補(bǔ)/修理

漆膜厚度不足區(qū)域的修補(bǔ)要在熱噴鋁最開始施工2 h 之內(nèi)，且在封閉漆涂裝之前完成。

如果噴涂厚度超過規(guī)格書規(guī)定的厚度，應(yīng)將此情況記錄在工作控制報(bào)告中，并告知檢驗(yàn)人員。檢驗(yàn)人員應(yīng)將解決方法告知業(yè)主。熱噴鋁施工人員和業(yè)主應(yīng)記錄下所有膜厚超過標(biāo)準(zhǔn)值150%的區(qū)域。

涂層缺陷，包括附著力測(cè)試不達(dá)標(biāo)的區(qū)域，應(yīng)按照以下方法修補(bǔ):

用動(dòng)力工具或掃砂處理除去封閉漆或者用電動(dòng)工具或噴砂除去熱噴鋁涂層不合格的區(qū)域。

修補(bǔ)區(qū)域按照 ISO 8501-1 標(biāo)準(zhǔn)噴砂Sa3.0;小的缺陷要用真空噴砂設(shè)備進(jìn)行表面處理，如果會(huì)影響到周圍的涂層，可以使用MBX 設(shè)備。

周圍毗鄰的涂層距離邊緣75 mm 的范圍以內(nèi)，用真空噴砂或電動(dòng)工具進(jìn)行打毛處理。

3 質(zhì)量控制

3.1 厚度控制

電弧噴涂鋁涂層的最大和最小厚度要用標(biāo)準(zhǔn)SSPC-PA 2，使用類型2 型固定式探頭或與此相當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)碳鋼、不銹鋼或雙相不銹鋼選用合適的探頭和校準(zhǔn)試樣。

對(duì)于平表面需要進(jìn)行線測(cè)量。在一條直線上每隔2.5 cm 取一個(gè)讀數(shù)，5 個(gè)讀數(shù)取平均值。線測(cè)量主要測(cè)量熱噴鋁的峰值和谷值。

對(duì)于復(fù)雜幾何體或形狀的不規(guī)則的需要采用點(diǎn)測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)的面積大約應(yīng)為10 cm2。

每10 m2的范圍內(nèi)至少讀5 個(gè)膜厚值。對(duì)于小于10 m2的表面，至少測(cè)量3 個(gè)膜厚值。膜厚測(cè)量的結(jié)果要記錄在COOEC 的涂裝檢驗(yàn)報(bào)告中。在桿件的下部、角落和業(yè)主指出的地方要額外測(cè)量膜厚。

3.2 附著力測(cè)試要求

按照ISO 4624 或者ASTM4541 使用便攜式拉伸測(cè)試設(shè)備，每個(gè)部件或每50 m2表面要至少單獨(dú)進(jìn)行3 次測(cè)試(選擇頻率高的)(為了不破壞原有涂層的完整性，通常在施工過程均準(zhǔn)備多塊試樣，其表面處理和熱噴鋁施工工藝流程均與原施工結(jié)構(gòu)施工工藝流程一致，在測(cè)量結(jié)合強(qiáng)度時(shí)候只要測(cè)量試板結(jié)合強(qiáng)度即可)。測(cè)試應(yīng)該在焊接和維修區(qū)進(jìn)行。附著力的最低可接受的單值為7 MPa，同時(shí)應(yīng)保證總體的平均值不小于9 MPa。測(cè)試結(jié)果低于該指標(biāo)的粘合劑需要重新測(cè)試。如果粘合劑在任何重復(fù)測(cè)試中附著力低于7 MPa，經(jīng)過業(yè)主同意可以更換附著力要求或更改工藝程序。已經(jīng)涂裝完畢的工件如果沒有通過測(cè)試則需要?jiǎng)冸x原涂層從新進(jìn)行涂裝。

3.3 鋁涂層彎曲測(cè)試要求

彎曲測(cè)試(在心軸上彎曲180°)作為資格測(cè)試的一部分，可以保證表面處理、儀器安裝和噴涂要素的質(zhì)量。為了達(dá)到破裂的下限值，心軸的直徑根據(jù)底材的厚度和涂層厚度來決定。在一張1.3 mm厚的鋼板上，熱噴鋁涂層為200 到250 μm，那彎曲測(cè)試使用的心軸直徑為13 mm。應(yīng)噴涂5 個(gè)彎曲試樣，尺寸為50 mm×(100～200 mm)× 1.3 mm，鋁涂層達(dá)到200 到250 μm;并通過彎曲測(cè)試，在直徑為13 mm 的心軸上，將試樣彎曲180°［9］。在下列情況下，彎曲達(dá)標(biāo)測(cè)試(見圖1)。

圖1 涂層彎曲性能測(cè)試

無裂紋或散裂;不能用刀片剝離的微小裂紋;如果涂層裂紋從底材上剝離，則沒有通過測(cè)試。在涂裝施工中，每班開始工作或施工人員發(fā)生改變時(shí)沒有裂紋或散裂，或者只有不能用刀片剝離的微小裂紋。直到彎曲測(cè)試達(dá)標(biāo)后才能進(jìn)行涂裝施工。

3.4 電弧噴涂鋁涂層的孔率

當(dāng)一些熔融粒子在同方向且平行地打擊到基體表面上時(shí)，由于“陰影效果”、扁平狀粒子之間的不完全堆積或在基體待噴涂表面的凹坑處含有空氣或其他氣體時(shí)形成孔隙或者氣孔。涂層氣孔和孔隙的形成與噴涂前基體表面預(yù)處理及噴涂工藝不規(guī)范有關(guān)。降低孔隙率，提高致密度要著重從控制有害氣體的產(chǎn)生和采取合理的工藝參數(shù)兩個(gè)方面著手。

3.5 涂層固有缺陷后處理

對(duì)于因表面預(yù)處理工藝、噴涂工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的涂層缺陷，可以通過優(yōu)化工藝來改善涂層質(zhì)量，提高結(jié)合強(qiáng)度［10］。對(duì)涂層本身的固有缺陷，可以針對(duì)涂層不同的使用工況進(jìn)行不同的涂層后處理來改善涂層性能。涂層后處理的方法主要有封孔處理、重熔處理、機(jī)械處理和擴(kuò)散處理等，在海洋工程中普遍的后處理方法為封孔處理。

封孔處理是把封孔涂料噴涂在涂層表面上，使其浸入到涂層孔隙中來填充涂層孔隙，它主要用于防蝕涂層、熱障涂層和保持陶瓷涂層的絕緣性能上。常用的封孔劑有環(huán)氧樹脂、環(huán)氧酚醛、鋁硅涂料等。

4 結(jié)論

依托荔灣3-1 導(dǎo)管架建造項(xiàng)目貧乙二醇罐以及LNG 項(xiàng)目的管線，主要及各項(xiàng)控制方法、控制參數(shù)等均采用實(shí)際的方式進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)試，得到了良好驗(yàn)證，解決了熱噴鋁施工遇到的諸多技術(shù)難題，為后續(xù)涉及到熱噴鋁相關(guān)施工作業(yè)工程項(xiàng)目積累了豐富的施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)。

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