程 宇，劉傳彬，李丙焱

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452）

0 引 言

金屬腐蝕問題是海洋開發(fā)過程不可忽視的問題，金屬腐蝕不僅會引發(fā)安全生產(chǎn)事故，同時(shí)會導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)調(diào)查，2014 年中國腐蝕總損失約2 萬億元，占GDP的3.34%。

防腐涂層能夠防止鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和增加鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。海上平臺腐蝕情況復(fù)雜，除海洋性氣候的影響外，涂層配套體系的選擇、施工質(zhì)量的好壞也對涂層使用年限有重要影響，各種因素所導(dǎo)致的防腐涂層在服役過程中產(chǎn)生的裂縫、腐蝕、起泡和剝落等現(xiàn)象，大幅降低了防腐涂層的保護(hù)作用，從而影響鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，給安全生產(chǎn)帶來了隱患［1］。

海上平臺導(dǎo)管架的涂層老化評估對于結(jié)構(gòu)評估至關(guān)重要。運(yùn)用電化學(xué)阻抗譜在線監(jiān)測技術(shù)，通過在鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位布置涂層阻抗探頭，實(shí)現(xiàn)對涂層老化程度的在線監(jiān)測，可提前預(yù)知涂層老化程度和維修概率?；跈z查、檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷或損壞，連同全面檢查的詳細(xì)情況，推薦進(jìn)行修復(fù)的類型和方法，對涂層質(zhì)量進(jìn)行有針對性的檢測，對于確定涂層維保周期、減少維護(hù)成本、延長海上平臺服役時(shí)間具有重要意義。

1 技術(shù)原理

1.1 服役環(huán)境

《色漆和清漆防護(hù)漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)》（ISO 12944—2017）［4］系列標(biāo)準(zhǔn)以其優(yōu)異的有效性和實(shí)用性，在防腐蝕設(shè)計(jì)和涂層勘驗(yàn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)第二部分環(huán)境分類涉及材料所處的主要腐蝕環(huán)境的腐蝕等級和這些環(huán)境的腐蝕性，依據(jù)闡述，海上平臺均屬于腐蝕最嚴(yán)重的CX環(huán)境。

1.2 涂層老化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

涂層老化評價(jià)一般是針對起泡、生銹、開裂、粉化、失光、剝落等方面采用缺陷數(shù)量、尺寸大小和均勻變化的程度來評價(jià)，規(guī)定評定等級由0 ~ 5，其中：0 表示沒有缺陷或變化，5 表示缺陷或變化程度非常嚴(yán)重，1、2、3、4 等級的確定使整個(gè)等級范圍得到最佳區(qū)分。同時(shí)，通過考察涂層厚度來評價(jià)整個(gè)涂層的老化程度，能更真實(shí)地反映涂層粉化后膜厚衰減的情況。按照《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》（GB/T 1766—2008）相關(guān)檢測方法如下［5］：

①對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層粉化的程度；②對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層開裂的情況；③對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層起泡的程度；④對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層銹蝕的程度；⑤對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層剝落的情況；⑥對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層分層的情況；⑦對漆膜表面進(jìn)行監(jiān)測，考察涂層線狀腐蝕的情況。

1.3 涂層老化在線監(jiān)測機(jī)理

我們可以通過測量涂層探頭阻抗譜隨時(shí)間的變化來判斷涂層的防腐蝕狀態(tài)。電化學(xué)阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）是一種以10 mV以內(nèi)較小振幅的正弦波電位為擾動信號的電化學(xué)測量方法［6］。基于電化學(xué)阻抗原理，采用高速數(shù)字模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的阻抗測量和特征阻抗計(jì)算，通過測量從低阻到高阻的寬頻涂層阻抗譜，實(shí)時(shí)監(jiān)測服役環(huán)境條件下防腐涂層與鋼結(jié)構(gòu)的界面電容和金屬腐蝕速率，然后確定涂層的介電常數(shù)、含水率和孔隙率等特征參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對防腐涂層老化的實(shí)時(shí)監(jiān)測［7］。

將涂層探頭安裝在需要監(jiān)測的鋼結(jié)構(gòu)表面，以實(shí)現(xiàn)對涂層老化參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而為防腐涂層的維保計(jì)劃提供可靠依據(jù)。通過涂層阻抗譜可以實(shí)現(xiàn)對涂層性能的評估，涂層的重要參數(shù)中涂層電容和涂層電阻計(jì)算方式如下：

涂層電阻與涂層中的孔隙率相關(guān)：

其中：ρ代表孔隙電阻率；代表涂層剝離面積；是涂層的初始電阻。

有機(jī)涂層在阻抗測試過程中，阻抗模值Z的計(jì)算公式如下：

涂層相當(dāng)于一個(gè)電容器，當(dāng)涂層保護(hù)性能較好時(shí)，其電阻較大，電容很小，電流可以穿過涂層，相位角在中頻到高頻很大范圍內(nèi)接近90°，水分子通過涂層孔隙進(jìn)入涂層內(nèi)部后，涂層電容逐漸增大，電阻降低，部分電流被電容吸收，此時(shí)相位角會逐漸減小，而且當(dāng)涂層孔隙充滿水分子達(dá)到飽和后，涂層電容變化較小，但是電阻會繼續(xù)降低，相位角也會有較大幅度的降低，所以相位角的變化可以反映涂層電阻和電容的變化，可以選擇定頻條件下中頻1 kHz對應(yīng)的相位角作為擬評價(jià)涂層防護(hù)性能的參數(shù)。采用阻抗原理測量得到的涂層阻抗變化更為明顯，可以用于檢測涂層剝離率，這是通過三電極體系下的電化學(xué)阻抗方法獲得涂層性能與電化學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。

對于特征頻率，其是在相位角為45°時(shí)對應(yīng)的頻率，由于其與涂層的剝落面積有關(guān)，且通常在高頻段不需要復(fù)雜的處理就能從阻抗數(shù)據(jù)中提取，可以作為涂層性能的一種快速評價(jià)參數(shù)。

因此，可以發(fā)現(xiàn)f和涂層的剝離面積有關(guān)，當(dāng)涂層完好剝離面積較小時(shí)，頻率f較小，涂層老化過程中脫落面積逐漸增大后，頻率f也逐漸增大，且通常在高頻段不需要復(fù)雜的處理就能從阻抗數(shù)據(jù)中提取，可以作為涂層性能的一種潛在的快速評價(jià)參數(shù)。

2 防腐涂層老化在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

①防腐涂層老化監(jiān)測部分：涂層老化監(jiān)測儀、涂層老化監(jiān)測探頭、電位參比電極、供電模塊、通信模塊、RS485 轉(zhuǎn)換模塊。

②防護(hù)箱：采用316 不銹鋼材質(zhì)，保護(hù)各測量控制盒及各測量儀器，適用于海上高鹽霧、高溫高濕、強(qiáng)紫外線的室外環(huán)境需求。

③防腐涂層老化在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件。

2.2 涂層老化監(jiān)測儀

涂層老化監(jiān)測儀主要用于研究涂層的老化程度，可實(shí)現(xiàn)開路電位、電化學(xué)阻抗譜等多種測試方法，可測量被測涂層的交流阻抗、溫濕度、自腐蝕電位和基體腐蝕速率等電化學(xué)參數(shù)。通過內(nèi)部開關(guān)電路控制，實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制的4 個(gè)探頭循環(huán)測量，或通過上位機(jī)軟件下發(fā)指令進(jìn)行測量，并將測試數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)置的Flash存儲器內(nèi)，用戶后期可通過上位機(jī)軟件讀取數(shù)據(jù)。阻抗監(jiān)測儀內(nèi)置時(shí)鐘定時(shí)器，可以實(shí)現(xiàn)自主定時(shí)阻抗掃描或單頻阻抗測量。通過安裝溫濕度附件，還可以同時(shí)測量環(huán)境溫濕度和大氣壓變化。

2.3 涂層老化監(jiān)測探頭

采用專用阻抗探頭測量涂層阻抗譜，通過測量涂層阻抗的變化，可以計(jì)算涂層介電常數(shù)和吸水率，進(jìn)而評價(jià)涂層的老化指數(shù)。其外觀為同心雙環(huán)結(jié)構(gòu)，分別作為工作電極、輔助電極，將涂層噴涂到傳感器表面，利用涂層在侵蝕環(huán)境中阻抗下降原理監(jiān)測涂層在工況條件下的老化系數(shù)。探頭的中心內(nèi)圓為工作電極，藍(lán)色環(huán)為輔助電極，整體固定在ABS塑料圓環(huán)中。為了測量涂層的自然腐蝕電位，探頭中還另加一只高純鋅參比電極。

探頭通過航空防水插頭與涂層阻抗監(jiān)測儀器連接，即可實(shí)現(xiàn)涂層阻抗與電位的在線監(jiān)測。

非原位涂層阻抗監(jiān)測探頭制作過程中所用的涂層配套體系和涂裝工藝應(yīng)與所監(jiān)測位置的導(dǎo)管架/組塊所使用的涂層配套體系及涂裝工藝保持一致。導(dǎo)管架及組塊不同部位所使用的具體涂層配套體系可見現(xiàn)場調(diào)研報(bào)告，涂裝過程中必須保持涂層表面清潔、干燥、無污染，表面油或脂類物質(zhì)應(yīng)該按照美國防護(hù)涂裝協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)SSPC-SP1 所規(guī)定的溶劑清理要求去除，并打磨至所要求的粗糙度。

2.4 防護(hù)箱

防護(hù)箱采用316 不銹鋼材質(zhì)，可保護(hù)各測量控制盒、測量儀器，適用于海上高鹽霧、高溫高濕、強(qiáng)紫外線的室外環(huán)境。通過RS485+DC12V的4 芯1.0 mm2復(fù)合海工屏蔽電纜連接至平臺機(jī)房上的串口服務(wù)器，滿足數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.5 防腐涂層老化在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件

防腐涂層老化在線監(jiān)測軟件用于在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和分析，可將涂層阻抗值轉(zhuǎn)化為涂層老化指數(shù)。采用RS485 串口線連接上位機(jī)與涂層老化監(jiān)測儀，測量涂層阻抗模值、實(shí)部、虛部、相位角、溫濕度、大氣壓等數(shù)據(jù)，并可計(jì)算出涂層電容、涂層含水率和涂層老化指數(shù)。

3 結(jié) 論

運(yùn)用電化學(xué)阻抗譜在線監(jiān)測技術(shù)，通過在關(guān)鍵部位布置涂層阻抗探頭，實(shí)現(xiàn)對涂層老化程度的在線監(jiān)測，提前預(yù)知涂層老化程度和維修概率，有計(jì)劃地收集、統(tǒng)計(jì)、分析涂層的質(zhì)量數(shù)據(jù)，逐步完善涂層壽命精準(zhǔn)評估，對后期海上平臺的維保提供科學(xué)的實(shí)施方案有著十分重要的意義?！?/p>