粉末渗锌防腐在海上平台上的应用

张佃臣，杜溪婷，李茂林，赵晓亮，徐峰

粉末渗锌防腐在海上平台上的应用

张佃臣，杜溪婷，李茂林，赵晓亮，徐峰

（海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451）

海上平台各类结构物长期暴露高盐雾和高紫外线照射的恶劣的海洋大气环境中，腐蚀环境极其恶劣，易发生外部腐蚀。由于锌耐腐蚀、黏附力强、易涂敷并具有电化学保护等优点，在海洋平台上发挥着越来越重要的作用。对粉末渗锌工艺的技术原理和特点进行了阐述分析，以供后续工程建设参考。

海上平台；腐蚀；粉末渗锌

海洋平台所处的环境湿度较大、盐分高，属于盐雾环境。这种恶劣的环境容易使钢板产生电化学腐蚀，同时空气中的盐，甚至酸性物质会加剧这种腐蚀的速度。海洋石油平台各类生产设施受到各种腐蚀介质的侵袭，发生不同程度的腐蚀，其使用寿命会大大降低。

由于锌耐腐蚀、黏附力强、易涂敷并具有电化学保护等优点，海洋平台上广泛采用其作为保护涂层。粉末渗锌作为钢铁防腐领域较为有效地一种腐蚀防护措施，已经在工程领域受到了越来越多的青睐。本文将对粉末渗锌防腐的技术原理、工艺特点、研究现状及应用领域进行了介绍，并对粉末渗锌工艺的特点进行了比较分析，以供后续工程建设参考。

1 粉末渗锌技术原理简介

渗锌工艺是把待处理的钢铁构件先进行表面处理，然后与锌粉、惰性冲击介质等充分混合，密封填充于不锈钢容器中，然后将容器置于热处理炉中，在旋转容器中加热到350～450 ℃，此时活性锌原子则由表及里地向钢铁制件渗透，保温一定的时间，然后随炉冷却到室温。渗锌工艺的原理是利用金属原子的热扩散作用，在构件表面形成锌铁合金保护涂层。渗锌处理后，通常对渗层进行磷化处理，使渗锌层表面形成一层保护膜，进一步提高渗锌层的耐蚀性。

由于渗锌层表面存在微小孔隙，如不进行处理，含盐水汽进入孔隙后，由于氯离子的存在，在溶解质环境下将会造成渗层及钢材的腐蚀。粉末渗锌热扩散涂层必须进行钝化后处理。因此，粉末渗锌技术是一种需要包含渗锌前处理、热渗锌以及渗锌后处理等一系列完整工序的热扩散涂层加工工艺流程。粉末渗锌所用的渗锌箱见图1。

图1 粉末渗锌所用的渗锌箱

粉末渗锌与热浸镀锌、电镀锌等涂层防腐技术相比，优点如下：加工处理过程简单、节约涂层材料以及对环境无污染等。粉末渗锌处理后，锌涂层和钢材构件基体结合的强度很高，具有良好的抗高温氧化性、耐腐蚀性和抗磨损冲击等特性，钢结构构件的使用性能得到了大幅的提升，处理后的钢结构构件可以使用在各类强腐蚀环境中。粉末渗锌涂层组织见图2。

2 海上平台的腐蚀环境

海上油田作为处于海洋大气环境中的结构物，钢铁构件长期暴露于高温、高湿、高盐雾、高紫外线的海洋大气环境中，其工况极其恶劣，同时一些CO2、SO2、氯化物和硫酸盐等成分沉积在结构物表面，加速了结构物的腐蚀。由于氯离子的侵蚀，钢铁表面会有氯离子的吸附，吸附氯离子会降低机体电极电位而加速钢铁腐蚀。因此，海洋平台上的钢结构物的点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等局部腐蚀较为严重，钢铁表面保护性的致密锈层难以形成，因此腐蚀情况非常严重，使用寿命大大降低。

图2 粉末渗锌涂层组织

海上平台常用标准ISO 12944—2将海洋大气腐蚀环境划分为C5-M等级, 湿性气候下的典型环境为高盐度的沿海和离岸地带, 总是处于高湿高污染的建筑物或其他地方。海洋平台钢结构腐蚀见图3。海洋平台管道附件腐蚀见图4。

图3 海洋平台钢结构腐蚀

3 粉末渗锌在海上平台应用前景

目前海洋平台上支架、托架以及紧固件等的常规防腐方式主要是采用热浸镀锌附加油漆涂层的方式，支架首先进行热浸镀锌处理，然后进行油漆涂装，安装完成后对焊接造成的锌层及涂层破坏部分进行局部修复补涂油漆。热浸镀锌附加油漆涂层的方式为传统做法，该做法防腐效果受热浸镀锌质量及油漆喷涂质量的影响较大，由于热浸镀锌的防腐形式以及支架的结构尺寸，决定了油漆喷涂之前表面处理存在一定困难，焊接后被破坏区域处理较困难，边角部位存在无法处理的情况，成为防腐薄弱点。另外，由于紧固件在热浸镀锌过程中会析出一种无色有刺激性气味的气体—氯化氢；高温锌池表面产生的锌蒸汽，在高温下形成的氧化锌烟雾可致金属烟雾热。因此热浸镀锌的工作环境很差。当前，许多私营企业仍采用燃煤的反射加热炉进行热浸镀锌生产，向大气中排放大量含有SO2、CO2、CO和粉尘的烟雾，造成严重的大气污染。目前，在国内热浸镀锌已经被逐渐取代。

图4 海洋平台管道附件腐蚀

在海洋平台环境下，渗锌层均具有良好的耐腐蚀性能。由于扩散冶金结合，渗锌层与基体的结合强度明显比较高，而在渗层中随着铁-锌合金中锌浓度的变化，使其性能也逐渐改变；铁-锌渗层是阳极覆盖层，比被保护钢铁的电位负、且电位差值较低，因而在腐蚀介质中具有更有效的保护作用。即使在渗层局部损坏的情况下，渗层与基体形成的电解偶也能有效保护基体金属不腐蚀。另外，渗锌层为致密的完全没有空隙的冶金层，具有很高的硬度和抗磨损特性，这种均匀的渗层也会对基体性能起到良好的保护作用。螺母表面粉末渗锌热扩散涂层截面金相照片见图5。

实验及工程经验表明在合理的渗锌工艺下，渗锌层与基体之间为扩散冶金结合，因而具有良好的结合强度，在各种弯曲和冲击载荷作用下，渗层不会起皱和脱落。渗锌层为铁-锌合金，其硬度高，具有良好的耐磨损性。基于渗锌的工艺过程，是在不停旋转中金属原子相互扩散，使锌粉扩散渗透入钢铁零件表面，在旋转过程中锌粉与钢铁零件表面充分接触，钢铁构件的结构形式对此无影响，因而，非常适合于海上平台复杂形状钢铁构件的加工处理。

图5 螺母表面粉末渗锌热扩散涂层截面金相照片

图6中的渗锌件渗锌厚度为120 μm，经过1 000 h的盐雾试验后，从试验结果看，渗锌层基本无变化，仅出现少量白锈，由此可见渗锌层能够满足盐雾环境下耐腐蚀的需求。

图6 渗锌件在1 000 h盐雾试验效果

4 结束语

海上油田作为处于海洋大气环境中的结构物，钢铁构件长期暴露于高温、高湿、高盐雾、高紫外线的海洋大气环境中，其工况极其恶劣，外部腐蚀情况十分严重。由于金属锌具有耐腐蚀性好、粘附性强、熔点低、易于涂覆等特点，因此使用金属锌作为涂层是应用较为广泛的一种防腐手段。粉末渗锌在锌表面形成的一层致密的ZnCO3·3Zn(OH)3保护膜，这种保护膜与渗层结合牢固并且是很难溶解的腐蚀产物，它阻挡了腐蚀剂与金属的接触，阻止了腐蚀的进一步发生。因而，粉末渗锌层具有更高的耐腐蚀寿命，在海洋平台防腐工程领域具有广泛应用前景。

[1] 任颂赞．金相分析原理及技术［M］. 上海科学技术出版社，2013.

[2] 张晶. 热扩散锌涂层防腐技术研究［D］. 天津大学, 2006.

[3] 周志伟, 徐春华, 李晓蕾. 钢构件热镀锌防腐层附着性能及其测定[J]. 公路交通科技, 2003, 20 (z1): 156-158.

[4]彭磊，杨富鑫，余喆，等. 冷喷锌与热镀锌防腐性能的对比试验研究[J]. 全面腐蚀控制, 2020, 34 (11): 7-12.

[5]张广冰, 徐明月. 影响热镀锌防腐性能主要因素分析[J]. 中国包装科技博览, 2011 (037): 5-5.

[6]许哲峰, 梅东生, 刘常升, 等. 热镀锌板表面单宁酸-H2TiF6/SiO2复合涂层的防腐性能研究[J]. 工程科学与技术, 2011, 43 (002): 197-201.

[7]樊栋，曾佳俊，张三平，等. 热镀锌、渗锌层在城市及化工大气环境中的大气腐蚀与加速腐蚀相关性[C]//2017全国防腐蚀新材料应用技术发展研讨会论文集. 2017.

[8]尹丽晶. 表面自纳米化在热浸镀锌和粉末渗锌中的应用研究[D]. 重庆大学, 2014.

[9]吴勇, 张三平, 夏春怀, 等. 钢铁制件热浸镀锌标准研究[C]//中国腐蚀与防护学会. 中国腐蚀与防护学会, 2016.

[10]张晶. 热扩散锌涂层防腐技术研究[D]. 天津大学, 2006.

[11]胡大伟, 李国新, 赵高文. 热浸镀锌层在中性盐雾试验中的防腐性能研究[J]. 广东工业大学学报, 2016, 33 (4): 74-78.

[12]胡隆庆. 粉末渗锌技术及其应用[J]. 铁道物资科学管理, 1995 (02): 28-30.

[13]胡大伟, 荆红莉, 刘光秀. 热浸镀锌镀层在酸性盐雾试验中的防腐性能研究[J]. 当代化工, 2018, 047 (009): 1875-1877.

Application of Powder Zincification Anticorrosion on Offshore Platforms

（Offshore Oil Engineering Co., Ltd. Engineering Company, Tianjin 300451, China）

All kinds of offshore platform structures are exposed to the harsh marine atmospheric environment of high salt fog and high ultraviolet radiation for a long time, and the corrosion environment is extremely harsh, which is prone to external corrosion. Zinc plays an increasingly important role in offshore platforms due to its corrosion resistance, strong adhesion, easy coating and electrochemical protection. In this paper, the technical principle and characteristics of powder zincification process were expounded and analyzed, so as to provide reference for subsequent engineering construction.

Offshore platform; Corrosion; Powder zincification process

2021-06-01

张佃臣（1985-），男，山东省日照市人，高级工程师，2007年毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，从事海上平台总体布置及管道技术工作。

TQ051

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1004-0935（2021）12-1857-03