海洋飛濺區(qū)與全浸區(qū)涂層系統(tǒng)認(rèn)證及選型

陳偉軍，郭海，許小波，郭興偉，苗俊安，賈健

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

海洋環(huán)境分為海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)五個(gè)腐蝕帶區(qū)，工程建設(shè)中為方便施工及維護(hù)，潮差區(qū)并入飛濺區(qū)考慮。在飛濺區(qū)、全浸區(qū)服役的大型海洋鋼結(jié)構(gòu)壽命長達(dá)30年以上，表面涂層防腐是其最重要的防腐措施之一。行業(yè)通常依據(jù)NORSOK M501標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測試涂層[1]，篩選具有優(yōu)異物理和防腐性能的產(chǎn)品。本文分析了NORSOK M501對飛濺區(qū)和全浸區(qū)涂層系統(tǒng)的認(rèn)證要求，結(jié)合涂料工業(yè)現(xiàn)狀作了選型推薦，在涂層測試和防腐工程建設(shè)中有較好的參考作用。

1 腐蝕環(huán)境

海洋飛濺區(qū)是平均高潮線以上海浪飛濺的區(qū)段，浪花飛濺的干濕交替和溫度的互相作用，金屬材料表面連續(xù)不斷地被含氧量、含鹽量很高的海水沖擊。這個(gè)部位腐蝕最嚴(yán)重，普通碳鋼腐蝕率為0.5-1.2mm/年[2]。海水潮差區(qū)是平均高潮位與平均低潮位之間的區(qū)段，與飛濺區(qū)相比氧擴(kuò)散慢，無強(qiáng)烈的海水沖擊。工程中一般將潮差區(qū)、飛濺區(qū)防腐一起考慮并非因?yàn)閮啥蔚母g機(jī)理相同，而是便于施工和維護(hù)。海水全浸區(qū)是平均低潮線以下海水浸沒的區(qū)段，腐蝕受溶解氧、流速、溫度、鹽度、pH值、污染和生物因素等影響，并隨海洋的深度而變化，鋼鐵在海水中的腐蝕速率一般為0.1-0.2mm/年，雖然腐蝕速率相對較低，但影響因素復(fù)雜，隨著向深水海域的開發(fā)，一旦發(fā)生腐蝕失效很難修復(fù)。

2 標(biāo)準(zhǔn)介紹

NORSOK M501由挪威石油工業(yè)部門頒布，適用于沿海鋼結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)設(shè)施表面處理及保護(hù)涂層。該標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍內(nèi)得到一致認(rèn)可，在海洋采油平臺、導(dǎo)管架、水下采油生產(chǎn)設(shè)施等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)基本內(nèi)容是為工程防腐設(shè)計(jì)、施工、涂層質(zhì)量控制三方面提供依據(jù)。包括一般要求、涂層系統(tǒng)、合格性認(rèn)證等，涂層質(zhì)量控制部分是實(shí)驗(yàn)室對涂層的評價(jià)依據(jù)[3]。

NORSOK M501最新版本為第六版，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)涂料科技發(fā)展和工程應(yīng)用不斷修訂。與以前版本相比，第六版推薦的涂層系統(tǒng)將飛濺區(qū)及全浸區(qū)按7A、7B、7C進(jìn)行了區(qū)分，其中NO.7A為飛濺區(qū)，NO.7B為≤50℃的水下全浸區(qū)，NO.7C為＞50℃水下全浸區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)對三個(gè)區(qū)域的油漆類型、最低干膜厚度、不銹鋼表面粗糙度等作了新的修改。涂層系統(tǒng)見表1。

表1 涂層系統(tǒng)NO.7

由表1可知，涂層系統(tǒng)規(guī)定了鋼材表面處理要求、涂料類型推薦、涂料膜厚、涂裝遍數(shù)等。

3 認(rèn)證測試

3.1 測試項(xiàng)目

NORSOK M501采用ISO20340合格性試驗(yàn)方法[6]，項(xiàng)目包括海水浸泡、循環(huán)老化、常溫抗陰極剝離、高溫抗陰極剝離。根據(jù)系統(tǒng)的適用環(huán)境不同，表2為NO.7A、NO.7B及NO.7C需通過的測試項(xiàng)目。

表2 測試項(xiàng)目

3.2 海水浸泡

海水是典型的復(fù)雜電解質(zhì)溶液，海水浸泡測試用來評估涂層耐海水腐蝕性能[7]。試驗(yàn)樣板數(shù)量3塊，涂層系統(tǒng)完全固化后水平劃線，劃線必須劃透涂層直至底材，劃線與板面垂直，劃痕寬度2mm，長度50mm。測試方法按照ISO2812-2[8]，合成海水按ISO15711配制[9]，配方見表3。

表3 合成海水配方

將劃線樣板暴露在循環(huán)海水中4200h，溫度保持在40℃±1℃，如果海水變混濁或變色則需要更換。在劃痕上9個(gè)點(diǎn)（劃線的中間點(diǎn)和每離中間點(diǎn)5mm取一個(gè)測量點(diǎn)）測量腐蝕的寬度，評估劃線處的腐蝕。腐蝕曼延計(jì)算公式為M=(C-W)/2，其中M為腐蝕曼延(mm)，C為9個(gè)讀數(shù)的平均值，W為劃痕原始寬度，見圖1所示。

圖1 海水浸泡測試

3.3 循環(huán)老化

循環(huán)老化測試是涂層可靠性檢測的一部分，模擬產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)使用條件各種因素產(chǎn)生老化的情況進(jìn)行加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)箱模擬自然氣候作用，涉及光強(qiáng)、溫度、噴淋、凝露、濕度等幾個(gè)因素，并對這幾個(gè)因素進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，達(dá)到加速老化實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。試?yàn)樣板數(shù)量3個(gè)，涂層系統(tǒng)完全固化后水平向下劃線至裸露金屬，劃痕寬度2mm，長度50mm。試驗(yàn)程序見圖2所示。

圖2 循環(huán)老化測試

采用的暴露循環(huán)持續(xù)168h，總共進(jìn)行25次循環(huán)包括：72h的紫外線和水的暴露，依照ISO11507中方法A[10]：4h紫外線照射（60±3℃）和4h冷凝（50±3℃）交叉進(jìn)行；依照ISO9227進(jìn)行72h鹽霧試驗(yàn)；24h低溫暴露試驗(yàn)（-20±2）℃[11]。

3.4 常溫陰極剝離

有缺陷處的涂層因?yàn)殛帢O反應(yīng)而失去附著力，涂層從金屬上分離，這種現(xiàn)象稱為陰極剝離。由于涂層自身的性質(zhì)和工藝的影響，涂層與金屬體系中的缺陷是不可避免的，涂層劣化和涂層下金屬腐蝕會在缺陷位置發(fā)生。由于缺陷處的陰極反應(yīng)會導(dǎo)致微觀剝離不斷擴(kuò)展，進(jìn)而發(fā)展為宏觀鼓泡和剝離，導(dǎo)致涂層最終喪失防護(hù)能力。因此耐陰極剝離能力是決定涂層防護(hù)性能和使用壽命的主要因素之一[12]。

按照ISO15711對≤50℃的全浸鋼材表面進(jìn)行常溫陰極剝離試驗(yàn)，試板上加工出直徑為6mm的孔徑在合成海水溶液中暴露4200h，外加電流為-1.05V，電解質(zhì)溶液溫度保持在23℃±2℃，見圖3。

圖3 常溫陰極剝離測試

3.5 高溫陰極剝離

對于＞50℃的高溫陰極剝離測試，在要求的高溫下，在3.5%的氯化鈉溶液中暴露28天，氧氣濃度為8×10-6（pH6-9），外加電流為-1.2V。電解質(zhì)溶液的溫度保持在30±1℃。最多7天更換溶液或者其他參數(shù)之一開始接近最大值。

陰極剝離試驗(yàn)＜100℃試驗(yàn)裝置可連接電池（大氣壓）和冷卻電解液，裝置見圖4。

圖4 ＜100℃試驗(yàn)裝置

陰極剝離試驗(yàn)＞100℃試驗(yàn)裝置必須使用冷卻、流動和加壓的電解質(zhì)系統(tǒng)，裝置見圖5。

圖5 ＞100℃試驗(yàn)裝置

3.6 測試合格要求

試驗(yàn)通過要求見表4。

表4 合格要求

4 認(rèn)證系統(tǒng)

認(rèn)證由具備資質(zhì)的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，如ELEMENT，EXOVA、COT等。認(rèn)證過程及報(bào)告需要詳細(xì)的記錄涂料指紋信息、施工信息、樣板狀態(tài)、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)論等。以下為佐敦、國際、龐貝捷等涂料供應(yīng)商通過相關(guān)認(rèn)證的涂層系統(tǒng)。

4.1 涂層系統(tǒng)NO.7A

通過涂層系統(tǒng)NO.7A認(rèn)證涂層系統(tǒng)見表5。

表5 涂層系統(tǒng)NO.7A

該系統(tǒng)以環(huán)氧玻璃鱗片涂層為主要型號，膜厚在600～1000μm左右。對于飛濺區(qū)的涂層系統(tǒng)，工程中還需參考NACE SP 0108[15]的推薦。

4.2 系統(tǒng)NO.7B

通過涂層系統(tǒng)NO.7B認(rèn)證涂層系統(tǒng)見表6。

表6 涂層系統(tǒng)NO.7B

該系統(tǒng)主要以環(huán)氧玻璃鱗片或厚漿型耐磨環(huán)氧為主要型號，膜厚為350～600μm。

4.3 系統(tǒng)NO.7C

通過涂層系統(tǒng)NO.7C認(rèn)證的溫度需要結(jié)合涂料公司產(chǎn)品性能，見表7。

表7 涂層系統(tǒng)NO.7C

表格中Carboguard 890 GF適用于≤90℃的全浸鋼材，為環(huán)氧玻璃鱗片，認(rèn)證膜厚400μm。Hempadur 35900，Interzone 1000適用于溫度≤120℃的全浸鋼材，膜厚為600～800μm.。適用溫度≤150℃的全浸鋼材的涂層系統(tǒng)以酚醛環(huán)氧為主要型號，膜厚在350～360μm。按ISO 13628-1[16]水下生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)和操作標(biāo)準(zhǔn)推薦，為便于潛水員或水下機(jī)器觀測水下設(shè)施主要鋼結(jié)構(gòu)、管線應(yīng)采用RAL1004黃色。酚醛涂料通常不易調(diào)色，能提供RAL1004顏色的涂料較少，Intertherm 3070及Sigmaline 780可以滿足。

5 結(jié)語

海洋飛濺區(qū)與全浸區(qū)服役的涂層需要具備優(yōu)異的防腐可靠性，根據(jù)NORSOK M501對涂層系統(tǒng)認(rèn)證測試具有重要意義，測試的方法、評判需要結(jié)合ISO 20340等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)綜合分析。NORSOK M501推薦的涂層系統(tǒng)將飛濺區(qū)及全浸區(qū)按NO.7A、7B、7C區(qū)分，測試項(xiàng)目包括海水浸泡測試、循環(huán)老化測試、抗陰極剝離，各系統(tǒng)有不同的測試要求。涂料供應(yīng)通過測試的涂層系統(tǒng)膜厚、顏色、類型等有差異，需要結(jié)合工程實(shí)際選型。

◆參考文獻(xiàn)

[1] NORSOK M501-2012. Surface preparation and protective coating [S].

[2] 王強(qiáng). 電化學(xué)保護(hù)簡明手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] 馬勝軍，方健君，王秀娟，等. 海上平臺保護(hù)涂層及性能[J].表面技術(shù)，2017，46(12)：48-54.

[4] ISO8501-1-2007.Preparation of steel substrates before application of paints and related products-Visual assessment of surface cleanliness-Part 1:Rust grades and preparation grades of uncoated steel substrates and of steel substrates after overall removal of previous coatings[S].

[5] ISO8503-2012.Preparation of steel substrates before application of paints and related products-Surface roughness characteristics of blast-cleaned steel substrates[S].

[6] ISO20340-2009.Paints and varnishes-Performance requirements for protective paint SYSTEMs for offshore and related structures[S].

[7] 張亞丁，肖世猛，鄭衛(wèi)京，等. 腐蝕與防護(hù)手冊（第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[8] ISO2812-2-2007.Paints and varnishes-Determination of resistance to liquids-Part 2:water immersion method[S].

[9] ISO15711-2003.Paints and varnishes-Determination of resistance to cathodic disbonding of coatings exposed to sea water[S].

[10] ISO11507-2007.Paints and varnishes-Exposure of coatings to artificial weathering-Exposure to fluorescent UV lamps and water[S].

[11] ISO9227-2012. Corrosion test in artificial atmospheres-Salt spray tests[S].

[12] 趙增元，王佳. 有機(jī)涂層陰極剝離作用研究進(jìn)展[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2008，28(2)：116-119.

[13] ISO4624-2016.Paints and varnishes-Pull off test for adhesion[S].

[14] ISO4628-2003.Paints and varnishes-Evaluation of degradation of coatings-Designation of quantity and size of defects,and of intensity of uniform changes in appearance[S].

[15] NACE SP0108-2012.Corrosion Control of Offshore Structures by Protective Coatings.

[16] ISO13628-1-2005.Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems-Part 1: General requirements and recommendations[S].