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(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

熱噴金屬涂層在海洋鋼結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)用

馬永青，趙增元，朱玉婷，孔琦，易桂虎

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島266520)

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)海洋石油鋼結(jié)構(gòu)物熱噴金屬涂層施工和檢驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，詳細(xì)介紹熱噴金屬涂層的施工工序、各工序的具體操作方法、相關(guān)注意事項(xiàng)以及熱噴涂層質(zhì)量的要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為熱噴金屬涂層施工方案設(shè)計(jì)人員、現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員和施工人員提供參考。

熱噴金屬涂層；鋼結(jié)構(gòu)物；應(yīng)用

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)以其力學(xué)性能好、整體穩(wěn)定性強(qiáng)、組裝方便等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代海洋石油開(kāi)采和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的主要用材[1]。海洋環(huán)境中鹽含量高，濕度大，鋼鐵腐蝕嚴(yán)重，將鋅、鋁等金屬涂層涂敷在鋼鐵上可有效地防止鋼鐵腐蝕。熱噴涂金屬涂層具有良好的隔離水、空氣及其他腐蝕介質(zhì)的作用。同時(shí)，由于鋁、鋅的電極電位低于鋼鐵，在電解質(zhì)溶液中，鋁、鋅涂層局部破損或有孔隙時(shí)，熱噴金屬涂層作為犧牲陽(yáng)極可對(duì)鋼鐵基體起到陰極保護(hù)作用。

電弧噴涂是熱噴涂施工中最常采用的方式，它將2根金屬絲分別與直流電源的正負(fù)極接觸，并在其端部成一定夾角(30°～60°)，采用機(jī)械推動(dòng)的方式將噴涂絲連續(xù)送進(jìn)，當(dāng)正、負(fù)極的金屬絲短路時(shí)，正負(fù)極間產(chǎn)生高壓電弧，電弧高溫使金屬熔化，通過(guò)高壓氣流將熔化的金屬霧化噴射到基體表面形成電弧噴涂層[2]。電弧噴涂具有噴涂效率高、涂層質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，適合大面積表面施工。同時(shí)，電弧噴涂層初期制備成本高于有機(jī)涂層，但保護(hù)壽命更長(zhǎng)、維護(hù)成本更低，因此，其全壽命周期內(nèi)的成本更低，彌補(bǔ)了較高的初期制備成本。本文對(duì)熱噴涂涂層施工過(guò)程的表面處理、熱噴涂施工、檢驗(yàn)和易出現(xiàn)缺陷及控制方法進(jìn)行了總結(jié)。

1 表面處理

鋼結(jié)構(gòu)表面處理要求為：服役于海洋環(huán)境和浸沒(méi)環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)噴砂應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 8501 Sa3；服役于其他環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)噴砂應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 8501 Sa2.5；表面可溶鹽污染物水平應(yīng)符合合同的要求。

為保證熱噴涂金屬涂層和鋼結(jié)構(gòu)間具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，鋼結(jié)構(gòu)基材的粗糙度至關(guān)重要，其粗糙度要求遠(yuǎn)高于噴涂有機(jī)涂層。熱噴涂金屬涂層金屬基材表面粗糙度應(yīng)≥65 μm，最好在85～110 μm，并且噴砂后表面要有尖角。表面粗糙度應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 4417的方法C(復(fù)制膠帶法，超粗,38～113 μm)或方法B(粗糙度計(jì))，或兩者同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

不同表面處理方式得到的表面粗糙度測(cè)試頻率不同：手動(dòng)噴砂，每1～2 m2至少測(cè)量1次噴砂表面的粗糙度；自動(dòng)噴砂，每100～200 m2至少測(cè)量1次噴砂表面的粗糙度；應(yīng)使用清潔、干燥、無(wú)油污的角形噴砂磨料。礦石和礦渣磨料噴砂磨料應(yīng)滿足SSPC-AB1的要求；可循環(huán)利用的含鐵金屬磨料應(yīng)滿足SSPC-AB 2的要求；鋼砂應(yīng)滿足SSPC-AB 3的要求。磨料可溶性鹽含量應(yīng)按照ASTM D 4940進(jìn)行檢測(cè)，有角噴砂磨料、噴砂設(shè)備和噴涂程序的適用性應(yīng)按照該文件的第14章進(jìn)行驗(yàn)證。

表1為表面處理噴砂磨料種類和磨料粒度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 適用于鋼材基材上熱噴涂層的噴砂種類和粒度

2 熱噴涂涂層施工

所有熱噴金屬涂層用金屬絲應(yīng)滿足ANSI/AWS C2.25要求。金屬絲軸向粗細(xì)均勻，不含結(jié)狀物或其他影響施工的物質(zhì)。

所有熱噴金屬涂層應(yīng)按照中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《鋼鐵防腐蝕用熱噴涂鋁、鋅及其合金與復(fù)合物涂層(金屬噴涂)施工規(guī)范》進(jìn)行施工和檢測(cè)。

(1) 除了將要在場(chǎng)地焊接的區(qū)域，所有的熱噴金屬涂層施工最好在車間內(nèi)進(jìn)行，特別是大型構(gòu)件或大面積的熱噴涂施工，宜在車間內(nèi)完成，組裝現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行修補(bǔ)。

(2) 對(duì)于鋼鐵基體，熱噴金屬涂層施工必須在噴涂表面噴砂處理合格后6 h以內(nèi)完成。在高潮濕度環(huán)境下應(yīng)縮短涂裝間隔。在低潮濕度環(huán)境條件下或使用工業(yè)除濕設(shè)備的密閉空間， 將會(huì)推遲鋼鐵氧化時(shí)間，噴涂間隔可適當(dāng)延長(zhǎng)。經(jīng)采購(gòu)方同意，熱噴金屬涂層施工方可根據(jù)作業(yè)空間溫度-濕度值，采用樣板彎曲試驗(yàn)或結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)或兩者相結(jié)合的方法分析確定能否延長(zhǎng)噴涂間隔時(shí)間。

(3) 為延長(zhǎng)噴砂處理后熱噴金屬涂層涂裝間隔時(shí)間，可先噴涂一層25～50 μm厚的薄熱噴金屬涂層，但熱噴區(qū)域最好在4 h內(nèi)涂層表面無(wú)污染情況下補(bǔ)噴至規(guī)定厚度。在低潮濕度環(huán)境條件下或使用工業(yè)除濕設(shè)備的密閉空間，噴涂間隔可適當(dāng)延長(zhǎng)。經(jīng)業(yè)主同意，熱噴金屬涂層施工方可根據(jù)作業(yè)空間溫度-濕度值，采用樣板彎曲試驗(yàn)、結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)或兩者相結(jié)合的方法分析確定能否延長(zhǎng)薄噴涂層間涂裝間隔時(shí)間。

(4) 人工金屬噴涂，金屬噴霧應(yīng)與表面垂直，然后再以合適的角度搭接。噴涂時(shí)不能一次達(dá)到規(guī)定膜厚，應(yīng)噴涂3或4道完成，避免因?yàn)橐淮螄娡窟^(guò)厚產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。表面的每個(gè)區(qū)域都要保證至少有2道噴涂。

(5) 根據(jù)熱噴金屬涂層是在導(dǎo)管腿內(nèi)密閉空間作業(yè)的實(shí)際情況，所有施工人員都應(yīng)配備合適的個(gè)人防護(hù)設(shè)備。

(6) 噴槍和基材的距離一般為150～250 mm，應(yīng)遵守噴槍生產(chǎn)商推薦的距離。

(7) 在低溫環(huán)境下(低于0°)在待噴涂表面不出現(xiàn)凝露的情況下可以進(jìn)行表面處理和熱噴金屬涂層，可通過(guò)彎曲試驗(yàn)或拉伸試驗(yàn)或兩者結(jié)合的方法確定是否可進(jìn)行施工。

(8) 施工期間用電磁測(cè)厚儀測(cè)量膜厚，在施工達(dá)標(biāo)準(zhǔn)膜厚之前不能移動(dòng)工件。

3 封孔劑

在熱噴金屬涂層施工達(dá)標(biāo)準(zhǔn)膜厚后，用潔凈的壓縮空氣吹去表面的顆粒物。在封閉漆施工之前應(yīng)對(duì)熱噴金屬涂層表面進(jìn)行外觀檢測(cè)，根據(jù)ISO 8502-3標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)用專用膠帶對(duì)潔凈的表面進(jìn)行檢測(cè)。

熱噴金屬涂層的封閉漆應(yīng)在8 h之內(nèi)施工。在此期間，熱噴金屬涂層噴涂表面所處環(huán)境應(yīng)保持在可控的環(huán)境中且表面沒(méi)有固體、液體或結(jié)露等污染。

對(duì)于噴漆后要被焊接的桿件，在焊接區(qū)域周圍預(yù)留出50～100 mm不噴涂區(qū)域，并且在熱噴金屬涂層表面要多預(yù)留出30～40 mm的區(qū)域不噴涂封閉漆。

4 熱噴金屬涂層檢測(cè)

4.1涂層厚度

圖1為線性測(cè)量和點(diǎn)測(cè)量的測(cè)點(diǎn)分布圖。

圖1 線性測(cè)量和點(diǎn)測(cè)量測(cè)點(diǎn)分布圖

(1) 線性測(cè)量對(duì)于平坦表面應(yīng)選擇一測(cè)量線，沿測(cè)量線每2.5 cm測(cè)量一厚度值，共測(cè)量5個(gè)點(diǎn)， 5個(gè)點(diǎn)的平均數(shù)值即為熱噴涂層厚度[3]。該方法可以測(cè)量熱噴涂層的波峰和波谷。

(2) 點(diǎn)測(cè)量對(duì)于復(fù)雜的幾何構(gòu)件和幾何過(guò)渡構(gòu)件應(yīng)選擇面積約為10 cm2的區(qū)域測(cè)量，共測(cè)5個(gè)點(diǎn)， 5個(gè)點(diǎn)的平均數(shù)值即為熱噴涂層厚度。該方法不能測(cè)量熱噴涂層的波峰和波谷。

(3) 測(cè)量頻率為每10～20 m2進(jìn)行一次線性測(cè)量或點(diǎn)測(cè)量。

4.2附著力測(cè)試

按照ASTM D 4541使用自調(diào)整附著力測(cè)試儀或認(rèn)可的設(shè)備測(cè)量熱噴涂層附著力。每50 m2應(yīng)進(jìn)行一次附著力測(cè)試，如果附著力低于合同的要求，應(yīng)清除不符合要求的熱噴涂層，重新噴涂。對(duì)于非破壞性測(cè)量，拉力達(dá)到合同規(guī)定的拉力值后，應(yīng)減小拉力，并在沒(méi)有破壞熱噴涂層的情況下移去拉力裝置。熱噴涂層附著力接受標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，合同可指定更高的接受標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 附著力最低要求(按照ASTM D 4541使用自調(diào)整拉力測(cè)試設(shè)備)

4.3彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)(沿同心軸進(jìn)行180°彎曲)可以定性地測(cè)試表面處理、設(shè)備設(shè)置和噴涂參數(shù)是否滿足要求[4]。彎曲測(cè)試會(huì)給熱噴涂層帶來(lái)張力，熱噴涂層開(kāi)裂極限的同心軸直徑取決于基材厚度和涂層厚度。表3為厚度1.3 mm鋼板試樣上電弧噴涂鋅熱噴涂層厚度與開(kāi)裂極限同心軸直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 1.3 mm鋼板試樣彎曲同心軸直徑和熱噴涂層厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

熱噴涂層厚度范圍在175～300 μm的彎曲測(cè)試具體要求：

(1) 噴涂5個(gè)彎曲試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試樣需滿足：a) 彎曲試樣為碳鋼試樣，尺寸約為50 mm ×(100 mm～200 mm)×1.3 mm；b) 表面應(yīng)按照合同要求進(jìn)行處理；c) 熱噴涂層的噴涂厚度應(yīng)為175～300 μm，應(yīng)以交叉噴道方式噴涂，每1道噴涂厚度約為75～100 μm；d) 試樣應(yīng)繞直徑為13 mm的同心軸彎曲180°。

(2)如果彎曲試樣涂層處于以下?tīng)顩r則通過(guò)彎曲測(cè)試：a) 無(wú)開(kāi)裂或剝落;b) 只有細(xì)微的裂紋，用刀片無(wú)法將其從基材上剝落。

(3)如果涂層開(kāi)裂并可從基材上剝落，則說(shuō)明未通過(guò)彎曲測(cè)試。

4.4涂層孔隙率

使用金相法在顯微鏡下檢測(cè)熱噴金屬涂層孔隙率。該項(xiàng)指標(biāo)一般不作為生產(chǎn)過(guò)程中控制熱噴金屬涂層工藝使用，一般應(yīng)用在施工工人資格測(cè)試中，根據(jù)ASTM E 2109熱噴金屬涂層孔隙率應(yīng)≤10%。如果孔隙率過(guò)高，需要重新進(jìn)行程序和/或操作工的資質(zhì)測(cè)試。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，也可采用在金屬涂層上噴灑飲用水，如24 h內(nèi)熱噴涂金屬涂層上出現(xiàn)閃銹點(diǎn)，應(yīng)重新進(jìn)行表面處理和熱噴涂。

5 熱噴涂層質(zhì)量要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

熱噴涂工藝相對(duì)復(fù)雜，噴涂距離、噴涂角度、送絲速度、電流量、電壓和壓縮空氣壓力等參數(shù)都會(huì)對(duì)熱噴涂涂層質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，因此在施工之前應(yīng)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)試以得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，避免或減少涂層缺陷。熱噴涂層缺陷包括低附著力、涂層龜裂和高孔隙率等，具體表現(xiàn)為起皮、鼓泡、裂紋、孔、表面粗糙和返銹等。熱噴涂層系統(tǒng)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 熱噴涂層質(zhì)量要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié) 語(yǔ)

由于熱噴涂金屬涂層具有不含有機(jī)揮發(fā)性溶劑、無(wú)需固化時(shí)間、無(wú)最低施工溫度、耐高溫性能良好和全壽命成本最低等特點(diǎn)，已在海洋鋼結(jié)構(gòu)物防腐中得到了廣泛的應(yīng)用。處于海洋飛濺區(qū)的導(dǎo)管架的大腿，高溫管線、火炬臂高溫區(qū)和一些有機(jī)溶劑儲(chǔ)罐均已經(jīng)采用熱噴金屬涂層防腐。如荔灣3-1項(xiàng)目中，采用熱噴鋁涂層對(duì)貧乙二醇罐內(nèi)壁進(jìn)行防腐，經(jīng)過(guò)三年多的應(yīng)用運(yùn)行，熱噴鋁涂層防腐性能良好，解決了易吸水的有機(jī)溶劑無(wú)法采用有機(jī)涂層防腐的難題。

[1] 易春龍．電弧噴涂技術(shù)[M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006:5-16.

[2] 徐濱士,李長(zhǎng)久,張偉剛．表面工程與熱噴涂技術(shù)及其發(fā)展[J] ．中國(guó)表面工程, 1998,38(01):3-10.

[3] 程國(guó)東，李家福，馬永青，等.電弧噴涂鋁在海洋工程中應(yīng)用與質(zhì)量控制[J] ．石油化工腐蝕與防護(hù), 2015,22(03):51-53.

[4] 韓少寧．淺談MEG存儲(chǔ)罐建造及熱噴涂鋁制造工藝[J] ．中國(guó)海洋平臺(tái), 2017,32(01):96-100.

ThermalSprayMetallicCoatingsApplicationforSteelStructureinOffshoreOilSteelStructure

MA Yongqing， ZHAO Zengyuan， ZHU Yuting， KONG Qi， YI Guihu

(Offshore Oil Engineering(Qingdao) Co., Ltd.， Qingdao 266520, Shandong, China)

The application of thermal spray metallic coatings for steel structure is summarized according to engineering practice experience. The steps of thermal spray metallic coatings application, and the detail method for all steps are discussed. The quality requirement for thermal spray metal coat and the test standard are also discussed. It provides reference for engineers operators and inspectors to prepare procedure of passive fire protection coating.

thermal spray metallic coating; steel structure；application

2017-04-10

馬永青(1978-)，男，工程師

1001-4500(2017)04-0085-05

TG174

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