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    行業新聞

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    海洋工程重防腐涂料的應用技術
    作者:zz 發布于:2020-10-8 11:52:47 點擊量:

    海洋防腐蝕是海洋工程的關鍵技術之一,金屬在海洋中腐蝕導致的應力腐蝕斷裂( SCC) 、氫脆( HE) 、腐蝕疲勞( CF) 、晶間腐蝕( IC) 等會使海工鋼結構發生突然斷裂,導致海洋環境生態災難,造成巨大損失。此外,海工產品防腐涂層的提前失效和涂層維修帶來的停工損失也相當大。因此,必須采取合適的防腐蝕技術予以解決。
        近年來國內外對海洋腐蝕與防護日趨重視,雖然各種耐海水腐蝕材料不斷推出,各種防腐蝕施工技術也大有發展,但仍遠不能滿足實際需求。我國對海洋工程結構設施的防腐蝕研究與國外發達國家有明顯的差距,一些關鍵技術尚未解決,沒有形成具有我國自主知識產權的技術,而且缺少相應的防腐規范和標準,這些都嚴重影響了海洋工程結構的設計、建造和安全運行。因此,針對我國重點海域和重大海洋工程所面臨的共性和關鍵防腐蝕問題,開展海洋工程結構設施的長效防腐蝕關鍵技術研究,不但可以防止腐蝕發生,避免或減少后期服役的維修、維護費用和因維修造成的經濟損失,減少重大惡性事故的發生,而且能夠使海工設施的安全性大大提高,具有重大意義。
        1 海洋防腐涂料的要求
        海洋防腐涂料是指在海洋環境中使用的防腐蝕涂料。由于海洋環境非常嚴酷且具有強腐蝕性,因此,海洋防腐蝕是我國海洋工程發展中急需認真研究的課題。
        按防腐對象材質和腐蝕機理,海洋防腐涂料可分為海洋鋼結構防腐涂料和非鋼結構防腐涂料。海洋鋼結構防腐涂料主要指運輸船舶、集裝箱、海上橋梁、港口機械、輸油管線、海上采油平臺等大型設施的防腐涂料,非鋼結構海洋防腐涂料主要指海洋混凝土構造物防腐涂料。
        海洋防腐涂料主要有無機富鋅、有機富鋅、有機硅、環氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷類涂料,可根據不同海洋環境腐蝕特點和防腐年限選用不同的涂料和涂層體系。
        海洋防腐涂料一般要求具有如下性能: ① 具有良好的物理性能。對腐蝕介質抗滲性好,對鋼材表面附著力好; ② 具有良好的力學性能。耐海水沖刷、耐海冰碰撞、耐船舶?康哪p; ③ 具有優異的化學性能。耐海水、耐鹽霧、耐油、耐化學品、耐紫外線等的侵蝕; ④ 與電化學保護系統相容性好。飛濺區和全浸區涂料要具有耐陰極剝離性; ⑤ 具有良好施工性能?稍诟鞣N環境條件下對不同結構進行高質量涂裝施工; ⑥ 符合健康、環保、安全的要求。要求涂料固含量高,揮發性有機化合物( VOC) 含量符合國家或國際標準要求; ⑦ 其他特殊要求。如: 淡水艙涂料要求無毒性并符合國家衛生認證要求; 用于不銹鋼表面的涂層中可濾去氯含量不能超過 200 mg/kg,涂層中不含鋅; 船舶壓載艙涂料要符合國際海事局( IMO) 《船舶壓載艙保護涂層性能標準》的要求; 船舶水線以下部位涂料要求防止海生物附著等。
        常用的海洋重防腐涂料主要相關國際標準有: ① ISO12944 防護涂料體系對鋼結構的腐蝕防護; ② NORSOK M501表面處理和保護涂料; ③ ISO 20340 近海及相關結構防護涂層體系的性能要求; ④ NACE SP O108 防護涂層對近海結構的腐蝕控制; ⑤ IMO 船舶壓載艙保護涂層性能標準( PSPC) 。
        海洋防腐涂料及其涂層配套通常要滿足 ISO 12944、NOR-SOK M501、NACE SPO108 和 ISO 20340 相關防腐標準的要求。一般都要預先通過嚴格的腐蝕試驗和認證,試驗項目主要有:① 耐鹽霧( 鹽水) 試驗 4 000 h; ② 耐陰極剝離試驗; ③ 耐濕熱試驗 4 000 h; ④ 循環腐蝕試驗 4 200 h[1 -4]。
        2 海洋防腐涂料研發重點
        海洋防腐涂料的研發具有科技含量高、研制周期長、投資大、技術難度高且風險大,國外海洋防腐涂料研發主要集中在實力雄厚的大公司或靠政府支持的部門。例如英國的 IP、美國的 PPG、丹麥的 Hemple、挪威的 Jotun 及日本的關西涂料等幾家大公司均有上百年的相關涂料開發歷史,在涂料生產供應、質量監督、涂裝規范及涂裝現場管理等方面形成了一整套十分嚴格和嚴密的體系,目前這些公司的產品占據了我國海洋防腐涂料的主要市場[5]。
        我國海洋防腐涂料的生產主要集中在青島、上海、大連、天津、常州、廣州及廈門等幾家涂料企業,研究工作主要集中在中科院海洋研究所、中科院金屬腐蝕研究所、海洋化工研究院、中海油常州涂料研究院、中船 725 所等研究機構。近年來,雖然建立了“中國船舶工業船舶涂料廈門檢測站”、“海洋涂料產品質量監督中心”等質量管理監督機構,但整體技術水平仍落后于先進國家。
        目前,國外海洋重防腐涂料的研發主要側重以下幾個方面。
        2. 1 長壽命
        由于越來越多的超大型鋼結構及所處海域特點不具備直接重涂或返岸施工的條件,因此要求開發具有超長使用壽命的海洋防腐涂料,最理想的是涂層使用壽命包括現場直接涂裝維修后的延續使用壽命等同于鋼結構設備的使用壽命,即涂層與設備同壽命設計,使用中只需進行少量維修,免重涂。
        比利時的涂膜鍍鋅屬于有機類高富鋅涂料,干膜中的金屬鋅含量達 96%,在挪威奧斯陸的沿海海洋大氣環境中,涂覆在鋼橋上 120 μm 膜厚的單一鋅加涂層 15 a 后實測每年的涂層平均損耗僅為 1 μm[6]。
        無機富鋅涂料應用最為典型的成功案例是澳大利亞 Mor-ganwyalla 長達 250 km 的油管工程,其防腐采用了單層水性無機富鋅涂層,涂層歷經 50 余年仍保持著良好狀態,無腐蝕發生。美國?松( EXXON) 公司在硫球島建的煉油廠采用單層硅酸鋅防腐涂層,歷經 15 a 后僅需小部分涂層修補,補后又經 4 a 完好無銹。
        作為面漆,目前開發的氟碳涂料和聚硅氧烷涂料耐侯性已可達到 15 a 以上,如日本旭硝子公司生產的三氟氯乙烯FEVE 氟碳漆、大金公司生產的四氟乙烯 FEVE 氟碳漆、國際油漆公司生產的丙烯酸聚硅氧烷涂料 interfine 979 及美國亞美隆公司生產的環氧聚硅氧烷涂料 PSX 700 等等。
        2. 2 低表面處理
        由于涂裝前處理費用會占到總涂裝成本的 60%,因此低表面處理涂料已成為防腐涂料的重要研究方向之一。主要包括可帶銹、帶濕涂裝的涂料,以及可直接涂覆在其他種類舊涂層表面的涂料。這類涂料主要是環氧類,它們具有在潮濕帶銹鋼材表面上直接涂裝的功能,有超強的附著力,VOC 含量 <340 g / L,一次無氣噴涂膜厚可達 200 μm 以上,施工性能優良。
        2. 3 高固體分、無溶劑
        體積固含量在70%以上為高固體分涂料,固含量為100%的為無溶劑涂料。由于少用甚至不用有機溶劑,從而使高固體分涂料可減少 VOC 的排放,符合環保要求,且一次施工即可獲得所需膜厚,因此減少了施工道數,節省了重涂時間,提高了工作效率。由于無溶劑揮發降低了涂層的孔隙率,從而提高了涂層的抗滲能力和耐腐蝕能力。
        2. 4 水性化
        涂料水性化是涂料研發的另一個重要方面。其 VOC 含量低,對節能減排、發展低碳經濟、保護環境及可持續發展都有重要意義。目前,水性涂料的研發主要在水性無機富鋅、水性環氧、水性丙烯酸、水性氟碳體系等領域。其中水性丙烯酸、水性環氧、水性無機富鋅涂料品種的工業化應用在一定程度上已取得成功。日本旭硝子公司研究出新型低 VOC 水性FEVE 共聚物,以其制備的涂料的耐候性、耐水性、耐溶劑性及光澤均可與溶劑型氟碳漆媲美[7]。
        2008 年 3 月,在由美國腐蝕工程師協會( NACE) 舉辦的防腐研討會上,挪威 Hydro 石油能源公司對水性涂料按照 NORS-KOK M - 501 進行了測試和評估,其結果顯示了水性涂料在遠洋環境下對新建設施的涂裝和修補領域具有令人鼓舞的應用前景。
        2. 5 環保新材料
        環保型新材料主要是采用低毒、無毒的材料,如以復合磷酸鹽防銹顏料代替有毒、有污染的紅丹、鉻酸鹽等防銹顏料,嚴格控制顏料中鉛、鎘、鉻、汞、砷等重金屬的含量。
        美國能源部布羅卡溫實驗室以谷物、螃蟹殼、龍蝦殼為原料研制出一種生物重防腐涂料,在適當的溫度條件下,該涂料變得堅固、光滑,能緊密粘附在鋁或其他金屬表面防止金屬的腐蝕。
        2. 6 聚脲彈性體
        聚脲涂層是近年來興起的無溶劑、無污染的高性能重防腐涂料,簡稱 SPUA。SPUA 為雙組分、100% 固含量、對環境友好,其固化速度快,對濕度、溫度不敏感,且施工時不受環境濕度影響; 固化后涂膜彈性及強度、耐侯性、熱穩定性優異,戶外長期使用不開裂、不脫落,對鋼鐵附著力好,具有優異的耐腐蝕性能。但 SPUA 對被涂基材的表面處理要求極為嚴格,鋼材要進行徹底的噴砂,處理后必須馬上涂裝[8]。
        美國和我國臺灣地區已將其應用在海工結構物的防腐蝕中,尤其是海上平臺鋼結構在飛濺區的涂裝。聚脲主要有芳香族聚脲、脂肪族聚脲和聚天門冬氨酸酯脂肪族聚脲。
        3 海洋防腐涂料涂裝分析與建議
        3. 1 涂料應用現狀及問題
        目前,海洋工程上使用的防腐涂料大部分為國外跨國公司品牌的產品,國內涂料產品很少使用。不論在涂料產品質量方面,還是其質量控制機制方面,國內涂料產品與國外產品都有很大差距。究其原因主要是我國海洋防腐涂料發展時間短,不掌握核心技術,缺乏研究資金,研究人員的水平不高等因素所致,這些不足極大地制約了國產涂料進入國際海工市場,也削弱了國產品牌的競爭力。
        基于海工產品的使用環境,對其必須采取防腐蝕保護措施,對離岸的海工產品防腐涂層而言,服役期內很難在海上進行修復或重涂,延長防腐涂層的耐久年限以及防腐涂層與海工產品使用壽命同步是海工防腐研究的最終目標。因此,研發在海洋環境中具有 15 a 以上耐久年限的海洋重防腐涂料和涂裝技術,設計可在海洋環境中達到 15 ~ 30 a 耐久年限的金屬涂層 + 有機涂層配套體系、多層有機或無機涂層配套體系,不僅是國家海洋開發戰略海工防腐蝕需要研究的重點,也是國家“十二·五”規劃中海工防腐涂裝技術工作的研究方向,而研制陰極保護效率高的底漆、屏蔽效果好的中涂漆和耐候性好的面漆,以及與之適宜的涂層配套設計則是防腐蝕涂層配套體系的技術關鍵。
        海洋防腐涂料目前主要用于防止暴露在海洋大氣中的構筑物腐蝕,浸在海水中特別是深水區的海工構造物( 如船舶和鉆井平臺) 的水下部位、海底鋼管等也需要采用涂料防腐蝕。由于此區域的含氧量低,腐蝕程度相對較低,目前主要采用環氧涂料、環氧瀝青涂料、環氧玻璃鱗片涂料等,如需防止海生物附著,則采用環氧涂料 + 防污涂料組合體系。對海底區而言,由于此區域的腐蝕程度最低,因此涂層主要采用環氧瀝青涂料。鋼質管道除采用液態環氧涂料外,還大量使用熔融環氧粉末涂料,由于檢修極其困難,通常要求其在不維修的條件下能正常使用 20 a 以上。
        應用于海水中的防腐涂料通常要求具有良好的耐海生物作用和化學穩定性,以保證涂層能夠防污損和防腐蝕; 具有良好的機械強度,以保證涂層能承受一定壓力和碰撞,保持涂層的完整性使其不開裂或脫落; 對鋼管表面和混凝土應有良好的附著力; 對外加陰極保護系統有良好的相容性,在使用陰極保護時涂層不剝離。
        涂料防腐和涂料 + 電化學防腐蝕是目前海洋防腐的主要方法。相對于涂料的防腐性能而言,涂料在海水中的施工性能和可修復性更加重要,因此在涂層配套設計時通常建議設計成涂層壽命與被涂結構主體同壽命或可免維修。此外采用可在水中施工的防腐涂料也是目前努力發展的方向,國外已有多個公司開發出此類產品,它們通常是液態高固含量環氧類涂料。
        船舶制造是海洋工程中使用海洋防腐涂料較多的行業,與此聯系緊密的我國船舶防腐涂料涂裝技術也獲得了較快的發展,并達到了一定的水平,例如: 涂裝工序已被列為船舶設計的重要內容之一; 鋼材預處理工藝在船舶制造企業得到廣泛應用,建立了分段除銹、噴涂車間,并配備了相應的自動、半自動除銹和噴涂設備,制定了一系列除銹和涂裝的技術標準;從業人員已經掌握了高性能涂料施工工藝和化學品/成品油船特種涂裝技術; 計算機輔助涂裝設計和治理技術、區域涂裝技術已在大型船廠推廣。
        涂裝新技術的應用使我國的涂裝技術水平、生產效率和涂裝質量大幅度提高,明顯縮短了與國外涂裝技術的差距,涂裝質量受到國內外船東的好評。但是,我國船舶涂裝技術與國外相比仍存在較大的差距,主要表現在以下幾個方面: ① 船舶涂裝出產設計深度不夠,殼舾涂一體化的概念不強; ② 船舶涂裝技術裝備的機械化、自動化程度不高,致使除銹、涂裝指標偏高執行的現象較多; ③ 預處理質量和車間底漆性能有待改進; ④ 因其他工種施工造成涂膜損壞而進行多次涂裝問題十分突出,其中技術和人才缺乏則是阻礙涂料涂裝行業整體水平進步的重要原因之一。
        3. 2 解決問題的思路
        海洋工程防腐蝕涉及到國家海洋開發的戰略,因此希望能從國家層面由國家相關部門或行業組織牽頭組織有關單位、整合社會資源,就海洋防腐涂料和涂裝技術需要解決的關鍵難題開展協作攻關,并提供雄厚的資金支持。建議加強以下方面的研究工作:
        ( 1) 加強基礎研究,提高防腐涂料產品水平。我國海洋防腐涂料要想上一個新臺階,則各相關機構、涂料生產企業應加強新產品的研制,關注高耐候性配套涂料體系的開發、高效低毒防腐涂料的開發及海洋防腐涂料環;。
        ( 2) 加強涂料涂裝工藝的研究。從涂料涂裝一體化出發重視涂料施工性能的研究,不斷優化和提升涂料產品的綜合性能,開發施工性能好適應性強的涂料,提高配套涂料體系的科學性與合理性,以適應不同海工產品的不同涂裝要求。通常涂料涂裝一體化由第三方來實施,即海工建造商將其所有涂裝生產全部外包給專業的涂裝工程企業———第三方,自己只負責監督和檢驗。目前,一些有實力的涂料公司和涂裝設備公司推出了 BOT 服務模式,即海工建造商的涂裝車間由涂料公司或涂裝設備公司投資建設,并負責生產管理,根據海工建造商的生產計劃進行涂裝生產,實現涂料涂裝一體化,最終提供的是合格的涂層而不是液態或粉狀的涂料,而海工建造商只需制定技術標準和驗收監督涂裝產品質量,依據涂裝質量和涂層面積進行結算。此模式這將成為涂料涂裝一體化的發展趨勢。
        ( 3) 改進海洋防腐涂料的防腐性能和施工性能,加強研制耐高溫燒蝕( >800 ℃) 的車間底漆,具有高固含量、低黏度特性且施工方便的無溶劑防腐涂料,性能更好的自干或低溫烘干水性無機富鋅底漆、水性丙烯酸、環氧防腐涂料和可一次性涂覆 300 ~ 500 μm 的環氧厚漿涂料,可在水下進行涂裝施工的重防腐涂料,防腐蝕性能更好的單組分富鋅底漆和濕固化聚氨酯防腐涂料,防腐蝕性能和耐老化性能更好的無機或無機改性防腐涂料等。
        ( 4) 海工結構多數外形尺寸很大,目前涂裝施工大多在露天進行,手工噴涂是主要的涂裝方式,涂裝效率低、質量難以保證,因此機械化涂裝是其發展的主要方向。對港機、平臺、專用船舶等海工產品中數量較大、外形規范的管件、桿件、型鋼、箱梁可以采用拋丸、涂裝機械化生產線實施涂裝,可以極大提高生產效率、保證涂裝質量、縮短工期、保護環境。對外形相對簡單、數量較大的配套部件,可采用線上機器人涂裝或采用靜電噴涂。對涂裝效率較低的人工刷涂和輥涂,應研制能夠自動供漆的漆刷或漆輥來提高效率,國外已有類似的產品。
        ( 5) 加強專業人才培養。市場競爭歸根到底是人才的競爭和管理水平的競爭,我國防腐涂料及涂裝企業與國外同類企業相比較,最薄弱的環節就在于此。目前從事涂料涂裝技術工作的人員多數是從化工或機械專業轉換過來的,由于專業設置原因,專業從事金屬蝕防護的人員很少,因此知其然者多,知其所以然者少,缺乏既能夠進行涂料防腐研究又精通涂裝施工技術這樣知識結構全面的工程研究人員。國內培養金屬防腐蝕專業人才的院校屈指可數,不能滿足行業需求,需擴大人才培養規模。同時,涂裝施工人員為涂裝工藝的最終實施者,其技術素質的高低將直接影響到涂裝質量,甚至涂膜的防腐性能。目前在一線進行涂裝施工的人員大多是未經專業培訓的農民工,專業知識欠缺,因此培養合格的涂裝工人尤其是噴涂操作工,也是涂裝行業急待解決的問題。建議開展系統的社會和內部專業教育培訓,例如按涂裝工培訓大綱進行培訓,使其達到中級或高級涂裝工資質。此外,實行持證上崗也是提高施工人員素質和涂裝質量的重要途徑之一。
        ( 6) 涂裝檢驗是保證涂裝質量的最終環節,也是非常重要的環節,必須由具有專業資質的檢驗人員來實施。海工產品使用環境惡劣,對防腐蝕要求很高,通常海工產品和國際標準都要求實施涂層檢驗的人員必須受過 NACE、SSPC、FROSIO涂層檢驗的相關培訓并取得相應職業資質,需要達到二級或三級才能進行此項工作。我國在此環節應引進國外相關培訓教材,按照國外標準培養專職涂裝檢驗人員,在海工防腐涂裝項目中實施涂裝檢驗資格認證制度,改進國內涂裝檢驗水平,提高海洋工程的涂裝質量。