电弧喷涂铝在海洋工程中应用与质量控制

程国东 ，李家福，马永青，崔峰瑞，张有慧，薛伟航，万举惠

(1.海洋石油工程有限公司 山东 青岛 266520;2.青岛科泰重工机械有限公司 山东 青岛 266510)

电弧喷涂由于其突出的经济性、工艺灵活性和长效的防腐寿命，目前已经逐渐应用到深海石油工程装备，1984 年世界第一条TLP(张力腿)平台HUTTON TLP 整体采用热喷铝加封闭涂料防腐［1-3］。特别是平台上作为高温服役的管线和结构件，越来越多的使用热喷涂金属铝涂层作为防腐涂层来代替有机涂料涂层，如必和必拓FPSO PYRENESS 火炬臂;对于在高温条件下腐蚀的防护，还没有比较理想的涂料，目前可使用的是有机硅耐高温涂料和磷酸盐耐热涂料。但这类涂料虽具有使用方便等优点，但其使用寿命较短，粘结强度较低，抗冲击性能差等缺陷，因而不适合在海洋环境下的长期使用;还有某些主要设备的内表面，荔湾3-1 导管架大腿MEG 罐内;处于海洋飞溅区的结构，如导管架的大腿［4］，还有一些在液化石油天然气(LNG)工厂的高温管线和海水提升管线以及各类海洋装备中组块上不锈钢管线与碳钢管线焊接接头的热影响区部位均要求采用电弧喷涂铝涂层防腐。

1 电弧喷涂铝涂层防腐机理

(1)电弧喷涂铝涂层起物理覆盖作用，可较好地将钢铁基体与水、空气及其它介质隔离开。同时，铝本身的耐蚀性远好于钢铁［5-7］。

(2)由于铝的电极电位比钢铁低，在电解质溶液(海水)中，当铝涂层局部破损或有孔隙时，热喷铝在海洋平台防腐中为阳极，钢铁基体为阴极，铝涂层将作为牺牲阳极，而使钢铁基体得以保护，起阴极保护作用。

2 电弧喷涂铝涂层施工

2.1 施工工艺流程

电弧喷涂施工工艺流程主要包括工件表面处理、表面检查、喷涂铝涂层、性能检验和涂料封孔等。

2.2 表面处理

表面处理要求至少达到ISO 8501-1 Sa2.5，磨料应干燥、清洁，无污染物。

喷砂除锈后表面粗糙度应符合ISO 8503 标准，粗糙度应使用专用纸带或者对比法进行测量。对于碳钢表面粗糙度需要满足65～125 μm，对于不锈钢表面粗糙度需要满足25～45 μm 要求。

表面灰尘数量和粒度不超过ISO 8502-3 的2 级。

热喷铝之前，清理后表面的可溶性杂质的含量，按ISO 8502-6 标准用蒸馏水萃取后测试，电导率不得超过相当于依照ISO 8502-9 测试20 mg/m2NaCl 时的测试值。

2.3 电弧喷涂铝材料

一般来说，用于热喷铝的铝丝中Al 质量分数至少为99.5%。此金属丝不含结状物、肉眼可见的氧化物颗粒或者其他影响施工以及涂层的密度和附着力的物质。金属丝应有明确的标识，必须储存在干燥的室内环境中。

2.4 修补/修理

漆膜厚度不足区域的修补要在热喷铝最开始施工2 h 之内，且在封闭漆涂装之前完成。

如果喷涂厚度超过规格书规定的厚度，应将此情况记录在工作控制报告中，并告知检验人员。检验人员应将解决方法告知业主。热喷铝施工人员和业主应记录下所有膜厚超过标准值150%的区域。

涂层缺陷，包括附着力测试不达标的区域，应按照以下方法修补:

用动力工具或扫砂处理除去封闭漆或者用电动工具或喷砂除去热喷铝涂层不合格的区域。

修补区域按照 ISO 8501-1 标准喷砂Sa3.0;小的缺陷要用真空喷砂设备进行表面处理，如果会影响到周围的涂层，可以使用MBX 设备。

周围毗邻的涂层距离边缘75 mm 的范围以内，用真空喷砂或电动工具进行打毛处理。

3 质量控制

3.1 厚度控制

电弧喷涂铝涂层的最大和最小厚度要用标准SSPC-PA 2，使用类型2 型固定式探头或与此相当的仪器进行测量。根据碳钢、不锈钢或双相不锈钢选用合适的探头和校准试样。

对于平表面需要进行线测量。在一条直线上每隔2.5 cm 取一个读数，5 个读数取平均值。线测量主要测量热喷铝的峰值和谷值。

对于复杂几何体或形状的不规则的需要采用点测量。测量点的面积大约应为10 cm2。

每10 m2的范围内至少读5 个膜厚值。对于小于10 m2的表面，至少测量3 个膜厚值。膜厚测量的结果要记录在COOEC 的涂装检验报告中。在杆件的下部、角落和业主指出的地方要额外测量膜厚。

3.2 附着力测试要求

按照ISO 4624 或者ASTM4541 使用便携式拉伸测试设备，每个部件或每50 m2表面要至少单独进行3 次测试(选择频率高的)(为了不破坏原有涂层的完整性，通常在施工过程均准备多块试样，其表面处理和热喷铝施工工艺流程均与原施工结构施工工艺流程一致，在测量结合强度时候只要测量试板结合强度即可)。测试应该在焊接和维修区进行。附着力的最低可接受的单值为7 MPa，同时应保证总体的平均值不小于9 MPa。测试结果低于该指标的粘合剂需要重新测试。如果粘合剂在任何重复测试中附着力低于7 MPa，经过业主同意可以更换附着力要求或更改工艺程序。已经涂装完毕的工件如果没有通过测试则需要剥离原涂层从新进行涂装。

3.3 铝涂层弯曲测试要求

弯曲测试(在心轴上弯曲180°)作为资格测试的一部分，可以保证表面处理、仪器安装和喷涂要素的质量。为了达到破裂的下限值，心轴的直径根据底材的厚度和涂层厚度来决定。在一张1.3 mm厚的钢板上，热喷铝涂层为200 到250 μm，那弯曲测试使用的心轴直径为13 mm。应喷涂5 个弯曲试样，尺寸为50 mm×(100～200 mm)× 1.3 mm，铝涂层达到200 到250 μm;并通过弯曲测试，在直径为13 mm 的心轴上，将试样弯曲180°［9］。在下列情况下，弯曲达标测试(见图1)。

图1 涂层弯曲性能测试

无裂纹或散裂;不能用刀片剥离的微小裂纹;如果涂层裂纹从底材上剥离，则没有通过测试。在涂装施工中，每班开始工作或施工人员发生改变时没有裂纹或散裂，或者只有不能用刀片剥离的微小裂纹。直到弯曲测试达标后才能进行涂装施工。

3.4 电弧喷涂铝涂层的孔率

当一些熔融粒子在同方向且平行地打击到基体表面上时，由于“阴影效果”、扁平状粒子之间的不完全堆积或在基体待喷涂表面的凹坑处含有空气或其他气体时形成孔隙或者气孔。涂层气孔和孔隙的形成与喷涂前基体表面预处理及喷涂工艺不规范有关。降低孔隙率，提高致密度要着重从控制有害气体的产生和采取合理的工艺参数两个方面着手。

3.5 涂层固有缺陷后处理

对于因表面预处理工艺、喷涂工艺不当而产生的涂层缺陷，可以通过优化工艺来改善涂层质量，提高结合强度［10］。对涂层本身的固有缺陷，可以针对涂层不同的使用工况进行不同的涂层后处理来改善涂层性能。涂层后处理的方法主要有封孔处理、重熔处理、机械处理和扩散处理等，在海洋工程中普遍的后处理方法为封孔处理。

封孔处理是把封孔涂料喷涂在涂层表面上，使其浸入到涂层孔隙中来填充涂层孔隙，它主要用于防蚀涂层、热障涂层和保持陶瓷涂层的绝缘性能上。常用的封孔剂有环氧树脂、环氧酚醛、铝硅涂料等。

4 结论

依托荔湾3-1 导管架建造项目贫乙二醇罐以及LNG 项目的管线，主要及各项控制方法、控制参数等均采用实际的方式进行检验和测试，得到了良好验证，解决了热喷铝施工遇到的诸多技术难题，为后续涉及到热喷铝相关施工作业工程项目积累了丰富的施工设计经验和现场施工经验。

［1］陈长江，李秉忠.海洋钢结构长效复合防护涂层及其性能研究［J］.表面技术，2005，34(2):58-59.

［2］B Xu，M Shinshi，J Wang.Application of Electric Arc spraying Technique to Enhance Corrosion Resistance of steel structures on ships［J］.Surface Engineering，1995，11(1):38-40.

［3］赖国伟，谢晓君，武自修，等.金属喷涂长效复合防护涂层在海洋大气环境中的应用［J］.材料开发与应用，2002，17(4):29-31.

［4］肖文功.线材电弧热喷涂技术在浅海钢结构防腐中的应用［J］.石油工程建设.2004，30 (3):33-34.

［5］李春玲，鲁玉祥，郭春玲，等.电弧喷涂铝涂层海洋飞溅区腐蚀模拟实验研究［J］.石油化工腐蚀与防护，2010，27(2):16-20.

［6］盛长松，李选亭，刘文亮.电弧喷涂稀土铝涂层在储罐中的应用［J］.石油化工腐蚀与防护，2010，27(5):55-59.

［7］胡传炘.涂层技术原理及应用［M］.北京:化学工业出版社，2000:3.

［8］Robert M Kain，Earl A Baker.Marine atmospheric corrosion museum report on the performance of thermal spray coatings on steel［C］.Testing of Metallic and Inorganic coatings，Chicago:1987:211.