濕熱海洋工程鋼結(jié)構(gòu)涂料實(shí)證評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

楊陽，陳川，向利，趙鉞，揭敢新，王俊

（中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510300）

引言

隨著我國(guó)對(duì)海洋權(quán)益日趨重視，南海諸島上的建設(shè)必然會(huì)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(qiáng)輻照等特點(diǎn)，環(huán)境條件尤為嚴(yán)酷，因此必須采用防腐性能高、使用壽命長(zhǎng)的防腐涂料和涂裝體系才能對(duì)濕熱海洋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效保護(hù)。對(duì)于濕熱海洋工程鋼結(jié)構(gòu)而言，其關(guān)鍵構(gòu)件主要分布在海洋大氣區(qū)、海水飛濺區(qū)或潮差區(qū)以及海水全浸區(qū)等多個(gè)腐蝕區(qū)域[1]，其中，海水飛濺區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[2]，也是對(duì)涂料防腐耐久性能考驗(yàn)最重要區(qū)域。目前，行業(yè)大多數(shù)采用實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)來對(duì)涂料耐久性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)劣篩選[3-5]，實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)往往不能很好代替涂料在現(xiàn)場(chǎng)服役環(huán)境中的狀況，而現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)仍只是考慮了涂料在濕熱海洋大氣區(qū)的腐蝕老化狀況，很少關(guān)注海水飛濺區(qū)等其他腐蝕區(qū)域?qū)ν苛闲阅艿挠绊懀瑫r(shí)也缺乏完整的從實(shí)證測(cè)試到評(píng)價(jià)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

因此，本研究通過對(duì)涂料實(shí)證平臺(tái)設(shè)計(jì)和搭建，并優(yōu)化涂層阻抗監(jiān)測(cè)探頭設(shè)計(jì)，改善涂層性能監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合涂料相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成濕熱海洋工程鋼結(jié)構(gòu)涂料實(shí)證評(píng)價(jià)技術(shù)。該技術(shù)即能給用戶選擇經(jīng)濟(jì)、可靠的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)涂料提供技術(shù)指導(dǎo)，又可有助于涂料生產(chǎn)廠家開發(fā)新型涂料和改進(jìn)提升涂料質(zhì)量，對(duì)推動(dòng)濕熱海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)

1.1 實(shí)證測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)的搭建應(yīng)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(yán)酷的地區(qū)或在受測(cè)試涂料實(shí)際服役區(qū)域。濕熱海洋工程鋼結(jié)構(gòu)涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)搭建的技術(shù)難點(diǎn)主要在于海水飛濺區(qū)測(cè)試平臺(tái)的搭建，既要保證涂料測(cè)試所在空間上具備海水飛濺區(qū)的代表性，又要兼顧便于技術(shù)人員的可操作性。

圖1 涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖

圖2 飛濺區(qū)涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)示意圖

以海上風(fēng)電電導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺(tái)及樁腿作為涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)為例，圖1 為涂料實(shí)證測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖，初期建設(shè)，包括大氣區(qū)和飛濺區(qū)兩部分，可掛大氣區(qū)樣板70 塊，飛濺區(qū)樣板50 塊。大氣區(qū)樣板可直接用支撐臂和尼龍繩固定于導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺(tái)欄桿上部，飛濺區(qū)樣板則用支撐臂固定于導(dǎo)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(tái)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(jié)構(gòu)底部橫桿上，根據(jù)橫桿的長(zhǎng)度，調(diào)整支撐臂上固定的樣板數(shù)量，每個(gè)樣板之間應(yīng)預(yù)留至少20 mm 間距，以保證每個(gè)樣板測(cè)試過程中互不干擾。圖2（c）分別為腐蝕樣板和涂料樣板規(guī)格示意圖，其尺寸分別參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14165[6]和GB/T 9276[7]制定，也可根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)進(jìn)行尺寸調(diào)整。

1.2 實(shí)證測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用

圖3 為在某海島海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺(tái)及樁腿開展涂料實(shí)證測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖片，試驗(yàn)區(qū)域包括如圖3（a）風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺(tái)（大氣測(cè)試區(qū)）和圖3（b）導(dǎo)管架樁腿（海水飛濺區(qū)）。樣板顏色要求：大氣區(qū)的涂層樣板外表面顏色為白色，飛濺區(qū)的涂層樣板外表面顏色為黃色。通過涂料樣板的實(shí)證測(cè)試后，對(duì)涂料樣板的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，達(dá)到對(duì)涂料在濕熱海洋環(huán)境下防腐性和耐久性的評(píng)價(jià)。

圖3 某海島海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺(tái)及樁腿涂料現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證測(cè)試圖

2 涂層阻抗在線監(jiān)測(cè)設(shè)備

交流阻抗技術(shù)是最常用于監(jiān)測(cè)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(dòng)，一定頻率范圍內(nèi)，輸出相應(yīng)的頻率信息，這些信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理計(jì)算即可得到電極的阻抗，通過監(jiān)測(cè)的涂層電阻變化情況可判斷涂層是否失效[8]?，F(xiàn)有的涂層阻抗監(jiān)測(cè)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(huán)境條件下對(duì)涂層阻抗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且對(duì)涂層無外加損害，較為便利。但對(duì)于嚴(yán)酷度較高的濕熱海洋環(huán)境，環(huán)境中鹽分較高，氯離子容易滲透，使得更易受到腐蝕影響，導(dǎo)致傳感器靈敏度下降，因此，需要對(duì)涂層阻抗在線監(jiān)測(cè)探頭進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，提高其抗腐蝕能力以及靈敏度，為濕熱海洋工程鋼結(jié)構(gòu)涂料實(shí)證評(píng)價(jià)技術(shù)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2.1 監(jiān)測(cè)探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

涂層阻抗在線監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)主要用于涂刷受測(cè)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(gè)格孔的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有九個(gè)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(huán)形電極，工作電極（3）和參比電極（4）內(nèi)外同心布置組成一組電極組；輔助電極（2）的每一個(gè)格孔（2a）內(nèi)均設(shè)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(dǎo)線、工作電極導(dǎo)線和參比電極導(dǎo)線，輔助電極導(dǎo)線、工作電極導(dǎo)線和參比電極導(dǎo)線的一端均露出在絕緣外殼（1）的外部，輔助電極導(dǎo)線的另一端伸入絕緣外殼（1）的內(nèi)部與輔助電極（2）電性連接，工作電極導(dǎo)線的另一端伸入絕緣外殼（1）的內(nèi)部與每一個(gè)工作電極（3）電性連接，參比電極導(dǎo)線的另一端伸入絕緣外殼（1）的內(nèi)部與每一個(gè)參比電極（4）電性連接。

2.2 使用方法及特點(diǎn)

該涂層阻抗在線監(jiān)測(cè)探頭主要用于對(duì)被測(cè)涂層進(jìn)行阻抗變化監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)涂層的老化失效測(cè)試。其使用方法具體為：將受測(cè)涂層涂刷在絕緣外殼（1）的表面，以使得受測(cè)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(tǒng)連接，用控制系統(tǒng)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(cè)涂層施加疊加了小幅正弦波信號(hào)的直流電位，并同步測(cè)量極化電位和響應(yīng)電流，以此計(jì)算出所述被測(cè)涂層的阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述被測(cè)涂層的阻抗變化監(jiān)測(cè)。

由于監(jiān)測(cè)探頭采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更穩(wěn)定、準(zhǔn)確；通過在電極的每一個(gè)格孔（2a）均設(shè)置一組同心布置的工作電極（3）和參比電極（4），實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)涂層進(jìn)行響應(yīng)更為靈敏的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，避免因被測(cè)涂層腐蝕過程不均勻而造成單獨(dú)一組工作電極和參比電極的監(jiān)測(cè)存在響應(yīng)靈敏度差的問題，使得阻抗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更靈敏、準(zhǔn)確。

3 涂料實(shí)證評(píng)價(jià)技術(shù)

涂料實(shí)證評(píng)價(jià)技術(shù)具體包括測(cè)試涂料測(cè)試樣板的制樣、涂層阻抗監(jiān)測(cè)傳感器的安裝、實(shí)證測(cè)試試驗(yàn)的實(shí)施和實(shí)證測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)。

3.1 試樣的制備

3.1.1 試樣類型、尺寸和數(shù)量

試樣應(yīng)采用符合GB/T 9271[9]規(guī)定的鋼材制作。除非有協(xié)議，否則試樣的最小尺寸需為300 mm×150 mm×5 mm，樣板數(shù)量3 塊。

3.1.2 傳感器的設(shè)計(jì)和安裝

探頭鑲嵌在鋼板中部，施加交流激勵(lì)信號(hào)，實(shí)證過程中探頭電極位于涂層/金屬基體界面，可以準(zhǔn)確測(cè)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(jiān)測(cè)區(qū)域涂層狀態(tài)。涂層阻抗采用單頻測(cè)試保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。探頭截面及安裝位置如下圖5 所示。設(shè)置傳感器采集頻率為2～24 h 采集一次數(shù)據(jù)，若監(jiān)測(cè)涂層防腐蝕性能很好，可取24 h 采集一次數(shù)據(jù)；若監(jiān)測(cè)涂層防腐蝕性能一般或評(píng)價(jià)某種涂層防腐蝕性能，可取6 h 采集一次數(shù)據(jù)或更小。每隔一段時(shí)間（如半年、1年、2年等）通過端口下載方式下載涂層阻抗數(shù)據(jù)，并檢測(cè)傳感器電量及時(shí)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(yīng)達(dá)到GB/T 8923.1[10]中規(guī)定的Sa2.5 級(jí)。除非經(jīng)特別許可，每塊試樣的測(cè)試面的表面粗糙度應(yīng)該與GB/T 13288.1[11]中規(guī)定的中級(jí)（G）級(jí)一致，并采用GB/T 13288.2[12]中指定的方法用比較器（比測(cè)板）進(jìn)行檢驗(yàn)。也可采用其他實(shí)際所需合理的表面處理方法。試樣在涂覆涂料前，應(yīng)該保持干燥，并且不能沾染灰塵和其他雜質(zhì)。

3.1.4 涂覆和固化

測(cè)試樣品應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)涂覆說明進(jìn)行規(guī)范涂覆和固化。另外，樣板背面與側(cè)邊可以選擇其他保護(hù)手段，防止損壞。

3.1.5 干膜厚度

涂覆涂層時(shí)應(yīng)注意，每道涂層涂刷完畢，都需根據(jù)ISO 19840[13]標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測(cè)涂覆表面的干膜厚度，檢測(cè)點(diǎn)至少五個(gè)，當(dāng)每道涂層最大干膜厚度符合相應(yīng)規(guī)定時(shí)，可進(jìn)行下一步涂覆。干膜厚度檢驗(yàn)規(guī)定如下：

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

3.1.6 涂覆時(shí)間間隔

每道涂層應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定的時(shí)間間隔來進(jìn)行涂覆。

3.1.7 調(diào)節(jié)/固化

根據(jù)ISO 3270[14]，對(duì)涂覆完成的試樣在適當(dāng)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中環(huán)境溫濕度調(diào)節(jié)須為可控的，若固化和調(diào)試不是此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，需特別說明。在試驗(yàn)開始前，涂層應(yīng)按照相關(guān)說明充分固化。

3.1.8 空隙（漏點(diǎn)）檢測(cè)

為避免過早失敗，如果當(dāng)事各方同意，應(yīng)進(jìn)行合適的涂層針孔（漏點(diǎn)）檢驗(yàn)。

3.1.9 劃線

依照表1 規(guī)定，應(yīng)該在每一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)腐蝕試驗(yàn)和浸海水試驗(yàn)待測(cè)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(gè)機(jī)械（像用鈷鋼鉆鉆開一條縫的工具）。加速線應(yīng)該有50 mm 長(zhǎng)，2 mm 寬，距離兩長(zhǎng)邊50 mm 和一邊短邊50 mm。加速線應(yīng)該完全劃透涂層露出金屬底材。

3.2 實(shí)證評(píng)價(jià)

3.2.1 實(shí)證前評(píng)價(jià)

試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行外觀檢查并測(cè)量樣品的涂層干膜厚度、附著力測(cè)試，大氣區(qū)涂層樣板需另進(jìn)行光澤、色差等初始性能數(shù)據(jù)，具體參考的標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示，其中，涂層樣板拉開附著力應(yīng)不小于5 MPa。試驗(yàn)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(cè)試所參考的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 實(shí)證試驗(yàn)

試驗(yàn)周期可根據(jù)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(shí)證平臺(tái)上，不同涂層體系制備的涂層樣板放在對(duì)應(yīng)的海上大氣區(qū)、浪濺區(qū)及全浸區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.2.3 試驗(yàn)后評(píng)價(jià)

按ISO 4628[16]的要求對(duì)人工模擬試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行粉化、起泡、銹蝕、開裂、剝離等評(píng)級(jí)，要求等級(jí)均為0 級(jí)，在實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境下調(diào)節(jié)兩周后，參考GB/T 5210[15]進(jìn)行涂層拉開附著力測(cè)試，最小測(cè)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(xiàn)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(cè)量9 個(gè)點(diǎn)的腐蝕寬度（加速線中間點(diǎn)及兩側(cè)各4 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間的間距5 mm）,腐蝕漫延值M=（C-W）/ 2，C 是9 個(gè)點(diǎn)腐蝕寬度的平均值，W 是線的初始寬度。要求循環(huán)試驗(yàn)后飛濺區(qū)涂層體系M ≤8，大氣區(qū)涂層體系M ≤3。對(duì)于飛濺區(qū)的涂層樣板，光澤、色差變化等級(jí)不做考察。繪制涂層阻抗數(shù)據(jù)的變化圖譜，評(píng)價(jià)其下降趨勢(shì)和臨界失效時(shí)間。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)濕熱海洋工程實(shí)證測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括飛濺區(qū)和大氣區(qū)涂料兩部分的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證測(cè)試平臺(tái)，完善涂料濕熱海洋環(huán)境實(shí)證測(cè)試能力，并通過將涂層阻抗監(jiān)測(cè)探頭輔助電極采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小被極化風(fēng)險(xiǎn)，擁有更為敏感的多重響應(yīng)信號(hào)，對(duì)涂層進(jìn)行更為穩(wěn)定和精準(zhǔn)地?fù)p傷監(jiān)測(cè)，還從實(shí)證制樣、測(cè)試方法實(shí)施和結(jié)果評(píng)價(jià)等多方面，為濕熱海洋工程鋼結(jié)構(gòu)涂料提供可靠的關(guān)鍵評(píng)價(jià)技術(shù)方法，對(duì)于推動(dòng)海洋工程涂料新技術(shù)和新產(chǎn)品的應(yīng)用和行業(yè)整體水平的提高有重要意義，對(duì)于涂料使用的業(yè)主方選擇經(jīng)濟(jì)、可靠、環(huán)保的新型海洋工程涂料有重要指導(dǎo)作用，對(duì)于涂料廠家開發(fā)新型涂料的快速應(yīng)用以及自身產(chǎn)品服役行為的研究和改進(jìn)提升產(chǎn)品質(zhì)量也有重要意義。