馬桂君*，王長軍，曼得拉·查汗，易桂虎，王伊諾

（海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520）

荔灣導管架為國內在南海項目最大的導管架，重達32 000 t，高度197 m。LW3-1 導管架4 條導管腿中設置有儲存貧乙二醇(MEG)罐，全長76.5 m，內徑2.6～3.4 m。對于大直徑封閉管徑內部防腐，熱噴鋁具有對人體危害性小、設備簡單、結合強度大和維護周期長的優(yōu)點，因此，LW3-1 導管架MEG 儲罐內表面及內部所有附件(包括管線、管支架)全部采用噴鋁處理。本文主要針對MEG 罐內熱噴鋁作業(yè)特點，討論如何更好地解決施工過程中所遇到的質量問題。

1 熱噴鋁施工前表面處理及影響

表面處理在防腐技術中起著至關重要的作用，尤其是熱噴鋁，良好的表面處理可以增加熱噴鋁的附著力，保證其使用性能，減少維修成本[1]。

1.1 噴涂前鋼鐵表面要求

被噴涂的容器、管道等表面必須平滑，棱角毛邊應磨平滑，焊縫要呈平或圓弧狀，無氣孔、裂紋和焊瘤，要清除焊接飛濺物；待噴涂表面必須清潔、干燥、無污染，表面油或脂類物質應按標準SSPC-SP 1 規(guī)定用溶劑清洗去除。

1.2 磨料及清潔度要求

1.2.1 磨料清潔度

磨料應干燥、清潔，無污染物，采用目測、手感或加熱方法均可檢查其干燥程度。檢查磨料是否含有油污，一般是將磨料放入盛水的500 mL 燒杯中攪拌，觀察表面是否含有油污痕跡，若磨料含有油污，它會浮于水表面，則該批磨料不合格，禁止使用。

1.2.2 磨料類型及性能

表面處理對噴射磨料的規(guī)定如下：

(1)磨料應由比重大、韌性的精細粒狀物組成；

(2)磨料應不易破碎，并且不易產(chǎn)生粉塵；

(3)磨料使用后，被處理表面不易殘余留存，且易于清除；

(4)粘附在鋼結構表面的磨料粉塵的電化學電位盡量與鋼材電位相同。

1.2.3 清潔度與粗糙度

熱噴鋁涂層表面粗糙度應達到65～150 μm 要求，噴砂清理至SSPC-SP 5 級(等同于ISO Sa3)，噴砂處理后表面灰塵數(shù)量和粒度不超過ISO 8502-3 的2 級，對于筋板熱切割位置，由于采用較粗的鋼砂很難達到粗糙度要求，因此，需采用氧化鋁噴砂。

1.2.4 鋼材表面鹽分要求

清理后的待噴涂表面其可溶性雜質含量可用蒸餾水萃取后測試，氯化物的含量不超過50 mg/m2，如鋼材表面鹽分過高，則極易返銹，從而引起熱噴鋁涂層失效。

1.2.5 壓縮空氣要求

為保證鋼結構表面處理的壓縮空氣清潔、干燥、無油，應對壓縮空氣進行定期檢查，檢查方法是將干燥、白色的吸附材料放在壓縮空氣出口50～60 cm 處，2 min 后觀察吸附材料表面(每4 h 檢查一次)，如無水痕和油痕，則壓縮空氣達到質量要求，否則，應對設備進行檢查和維修，直至滿足要求。

1.3 噴涂施工環(huán)境因素

環(huán)境因素的重要指標是空氣溫度、相對濕度、露點和鋼板表面溫度。處理好的表面如果暴露在潮濕環(huán)境中，極易發(fā)生銹蝕，這些銹蝕及鋼材表面的潮濕膜會嚴重影響鋁的附著力和耐蝕性，造成鋁層過早失效。施工中要求相對濕度小于80%，且鋼板表面溫度高于露點3°C，噴砂合格后必須立即進行熱噴鋁，須在規(guī)定時間(4 h 內)完工。需要指出的是，青島環(huán)境比較潮濕，施工過程須采用除濕裝置，以保證底材在未返銹前進行噴涂。

2 熱噴鋁施工過程的影響因素

2.1 材料

電弧噴鋁的材料需滿足ISO 14919 標準要求，所有熱噴涂用鋁絲中Al 的純度應達到99.5%以上。鋁絲中不含結狀物、肉眼可見的氧化物顆?；蛘咂渌绊懯┕ひ约巴繉用芏群透街Φ奈镔|，尤其要注意保持鋁材表面清潔、無油、無折痕。熱噴涂金屬絲材應有明確的標識，須儲存在干燥的室內環(huán)境中。

2.2 熱噴鋁設備的運行參數(shù)

影響MEG 罐熱噴鋁的主要設備參數(shù)有噴涂電壓、噴涂電流、氣壓、噴槍到基材的距離、送絲速度等，這些參數(shù)會直接影響金屬涂層的外觀、厚度及附著力。LW3-1 導管架MEG 罐熱噴鋁設備參數(shù)見表1。

表1 熱噴鋁主要參數(shù)Table 1 Main parameters of thermal spraying aluminum

所有操作人員在進行熱噴鋁施工之前必須熟悉設備的操作參數(shù)，操作者必須通過考核得到業(yè)主認證，確保熱噴鋁時設備的操作參數(shù)處于給定的范圍。

2.3 熱噴鋁施工

熱噴鋁施工時噴槍與工件的噴涂角度為90°，噴槍與罐內表面的噴涂距離應為150～200 mm，最大距離不得超過200 mm；噴槍移動速度應為300～400 mm/s，移動速度要均勻；每層噴鋁層厚度應均勻，一般為30～50 μm，200 μm 的噴鋁層應分4～5 道完成，各層之間盡量垂直、交叉噴涂，相鄰噴涂區(qū)應有1/3 寬度的搭接，其分層噴鋁間隔時間不得超過1 h。噴鋁時，應防止工件表面有局部過熱或涂層局部過厚等現(xiàn)象，不得用手撫摸被噴涂的表面。由于MEG 罐管徑較大(達3.2 m)，熱噴鋁的噴槍較沉(大約為3 kg)，施工人員在MEG 罐內采用手工噴涂的方式不便于施工，且無法保證噴涂角度，因此，可將熱噴鋁噴槍、送絲機構固定在可移動三角支架上，噴槍由電機帶動進行往復運動，見圖1。改進后的噴涂效率為20～30 m2/d，而手工噴涂的效率一般為8～10 m2/d。采用此裝置可節(jié)省人力，且工作效率大幅度提高。

圖1 改進的熱噴鋁裝置Figure 1 Improved device for thermal spraying aluminum

3 熱噴鋁前期存在的問題及原因分析

熱噴鋁主要是對膜厚度、外觀以及附著力等方面進行質量檢查。對于外觀，須將涂層在不放大和放大10 倍的情況下進行檢查。涂層表面要光滑勻稱，不能有污點、結塊和粗糙的區(qū)域，也不能殘留飛濺物和有漏涂現(xiàn)象。對于膜厚，要求所有的表面涂層厚度均不低于200 μm(ISO 19840)。根據(jù)SSPC-PA 2 要求，每10 m2的面積范圍內至少取5 個不同的點測量膜厚，允許偏離標準膜厚的量在?10%～50%之間。對于附著力，單一測量值不得低于7 MPa，平均值不低于9 MPa。如果粘接劑本身發(fā)生斷裂，應重新進行測試。應使用具有自動校正功能的充氣或水力附著力測試儀器。

前期車間內熱噴鋁施工流程如下：

自LW3-1 導管架MEG 罐熱噴鋁開工以來，熱噴鋁附著力不合格一直成為制約熱噴鋁施工進度的主要因素。圖2 和圖3 為LW3-1 導管架MEG 罐環(huán)板焊縫位置出現(xiàn)的熱噴鋁涂層局部與鋼材基體脫離翹起現(xiàn)象。

圖2 熱噴鋁涂層缺陷Figure 2 Defects of thermal sprayed aluminum coating

3.1 涂層翹起原因分析及解決措施

3.1.1 原因分析

環(huán)板、焊縫位置及熱切割邊緣涂層翹起原因分析如下：

(1)環(huán)板焊縫位置由于與內部管壁垂直，噴砂后灰塵清理不徹底。

(2)噴鋁過程中產(chǎn)生大量鋁粉，環(huán)板與管壁焊縫噴鋁前存在粉塵堆積現(xiàn)象，導致附著力失效。

(3)對焊縫位置進行超聲波檢驗(UT)，發(fā)現(xiàn)耦合劑殘留，導致附著力變差。

(4)熱切割邊緣硬度大，采用鋼砂噴砂無法滿足粗糙度要求，導致附著力失效。

(5)熱噴鋁工藝參數(shù)及工人施工技術影響。

3.1.2 解決措施

(1)噴砂前，按要求對耦合劑進行清理，去除油污。

(2)焊縫噴鋁前用真空吸塵，保證清潔度。

(3)熱切割位置首先進行打磨，然后采用硬度較大的氧化鋁進行噴砂，保證粗糙度符合要求。

3.2 附著力測試不合格原因分析

MEG 罐附著力測試結果見表2，由表中數(shù)據(jù)可知，除第一個點膠斷外，其余7 個點附著力的平均值為7.86 MPa，小于9 MPa。其中，2、3、5 號的附著力都小于7 MPa。根據(jù)熱噴鋁檢驗要求可知，MEG 罐熱噴鋁附著力不合格。

表2 前期熱噴鋁附著力測試結果Table 2 Test results of adhesion of thermal spraying aluminum at early stage of construction

熱噴鋁附著力不合格的原因主要如下：

(1)表面粗糙度偏低。前期熱噴鋁噴砂所用的磨料為G25 角鋼砂，其噴砂后MEG 罐管壁的平均粗糙度在70～80 μm，一些特殊部位(如環(huán)板、焊縫)由于其上有切割留下的鈍化層，打砂后的平均表面粗糙度只有60～70 μm，局部粗糙度甚至在60 μm 以下，表面粗糙度小導致了熱噴鋁涂層附著力降低。

(2)導管母材存在一些表面缺陷。有些缺陷在打砂之前不容易被發(fā)現(xiàn)，如焊道咬邊、氣孔等，如果這些缺陷在熱噴鋁之前未處理，就會導致熱噴鋁涂層與底材不能更好地接觸，進而降低熱噴鋁涂層的附著力。

(3)熱噴鋁施工過程中產(chǎn)生的粉塵沒有得到很好的控制。前期熱噴鋁施工采用的是兩把噴槍從導管兩端向中間噴涂且單次噴涂長度為5 m 的方式，作業(yè)過程中也只是采用小功率的通風機對作業(yè)區(qū)域進行通風，造成熱噴鋁施工過程中產(chǎn)生的粉塵不容易排除，粉塵可能附著在熱噴鋁涂層或者是未噴涂的底材上，使表面粗糙度降低，導致熱噴鋁涂層的附著力下降。這可能是熱噴鋁附著力不合格的主要原因。

(4)熱噴鋁設備的參數(shù)可能偏離了廠家推薦的范圍。影響熱噴鋁附著力的工藝參數(shù)主要有噴涂電壓、電流、壓縮空氣的壓力和噴涂距離。噴涂的電壓、電流發(fā)生波動，壓縮空氣的壓力降低，或噴槍到底材的距離增大，都可能會導致熱噴鋁涂層的附著力降低。

(5)施工工人噴涂技巧、手法熟練度不夠。由于LW3-1 熱噴鋁是在罐內大面積噴涂作業(yè)，以前沒有相關的罐內大面積熱噴鋁作業(yè)經(jīng)驗，因此前期施工工人的噴涂技巧和手法的熟練度欠佳。

4 MEG 罐熱噴鋁改進措施

針對MEG 罐熱噴鋁出現(xiàn)的以上問題，采取以下的解決措施：

(1)每次熱噴鋁開工之前，及時檢查所有設備，如果發(fā)現(xiàn)設備存在問題，立即更換。

(2)所有需要進行熱噴鋁的導管在進入車間之前，先對內部的環(huán)板焊道進行打磨處理，磨掉其上的鈍化層。

(3)用普通的G25 角鋼砂先對MEG 罐進行整體噴砂，找出缺陷并進行打磨處理；

(4)用16 目氧化鋁(棕剛玉)對MEG 罐進行第二次噴砂作業(yè)，噴砂的長度為1.0～1.5 m，待該段熱噴鋁完成之后再進行下一段噴砂作業(yè)。

(5)將熱噴鋁的噴涂方式改為從一端噴涂，在噴涂的導管端設大功率的通風機，增加風管的數(shù)量，對噴涂的區(qū)域加強通風，改善熱噴鋁施工的環(huán)境。已經(jīng)噴涂完畢的涂層用塑膠布進行保護，減少灰塵在熱噴鋁涂層上的附著，避免涂層磕碰損壞。

(6)熱噴鋁過程中，設專人每過一段時間檢查熱噴鋁設備噴涂電壓、噴涂電流、噴槍到底材的距離、系統(tǒng)壓力和流量等工作參數(shù)，以保證熱噴鋁設備工作參數(shù)處于設備廠家推薦的范圍。

(7)加強對熱噴鋁施工工人的資質考核，優(yōu)先采用技術嫻熟的工人進行熱噴鋁，控制施工人員的作業(yè)時間，當超過2 h 時應適當休息，避免過度勞累影響施工質量。

(8)每次施工前采用彎曲試驗定性測試表面處理、工藝參數(shù)是否符合要求。采用寬50 mm、長100～200 mm、厚1.3 mm 的碳鋼板作為試驗樣板，對樣板進行噴砂處理，彎曲試驗用熱噴鋁涂層厚度為180～300 μm。試樣繞13 mm 圓柱彎曲180°，若無裂紋或僅有微小的裂紋，且裂紋用小刀無法剝離則試驗合格。

改進后的熱噴鋁施工流程(粗線框部分為改進的部分)如下：

改進后，熱噴鋁涂層的附著力測試結果見表3?？梢钥闯觯瑹釃婁X施工改進后，MEG 罐膜厚在180～300 μm 之間，附著力的單點測試值都在7 MPa 以上，平均值在9 MPa 以上。可見，采取的這些措施對提高熱噴鋁的質量是有效的。

表3 改進后熱噴鋁附著力測試結果Table 3 Test results of adhesion of thermal sprayed aluminum after improvement

5 結論

表面粗糙度、母材表面缺陷、施工過程中產(chǎn)生的粉塵等是影響熱噴鋁施工質量的重要因素，通過對影響施工質量的因素進行改進，成功解決了LW3-1 導管架MEG 罐熱噴鋁施工過程中所出現(xiàn)的質量問題，優(yōu)化了施工流程。該工藝對后續(xù)海洋鋼結構封閉環(huán)境下熱噴鋁涂層施工具有指導意義。

[1]謝東,吳習,蔣濤.電弧噴鋁在工程應用中的各種影響因素[J].全面腐蝕控制,2004,18 (5):37-39.