海洋工程重防腐涂料的要求及應(yīng)用

引言

中國是海陸兼?zhèn)涞拇髧?，對海洋的探索從未停止過，從最初的魚鹽之利，到初步的海權(quán)思想，再到近年來國家提出的發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新海洋科技、保護(hù)海洋環(huán)境、建設(shè)海洋生態(tài)文明等一系列思路，對海洋的開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入一個由淺入深的階段。

海洋油氣資源儼然是沿海開發(fā)的關(guān)鍵，沿海省市把海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。其中，不僅有鉆井平臺，儲運(yùn)設(shè)施，石油和天然氣管道，而且近年來還開發(fā)了石油加工船，即移動石化廠。我們通常定義水深0~300 m為淺水區(qū)、300~1 500 m為深水區(qū)、1 500~3 000 m為超深水區(qū)。海工設(shè)備的建造成本按照水深程度和離岸距離等情況不同而變動幅度巨大，維修、折舊和運(yùn)營成本比陸地高得多，對防腐技術(shù)要求更高、更復(fù)雜，因為任何因涂料防腐性能引起的停產(chǎn)、停工都將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

除了海洋油氣開發(fā)工程，近年來隨著全球?qū)Φ吞记鍧嵞茉吹年P(guān)注，各國均將目光投向了風(fēng)力資源巨大的海上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)。我國有較長的海岸線，豐富的天然風(fēng)能資源，雖然風(fēng)電行業(yè)在海上的發(fā)展起步較晚，但海風(fēng)資源以其穩(wěn)定性和發(fā)電功率大的特點(diǎn)，發(fā)展日益迅速。近幾年來，我國也在上海、廣東等地沿海建成了多處海上風(fēng)力發(fā)電廠。與海上石油平臺一樣，海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)施也受到海風(fēng)、鹽霧、日曬、潮汐等因素的影響，防腐形勢十分嚴(yán)峻。

海工防腐涂裝特點(diǎn)及要求

海工項目設(shè)施所處環(huán)境惡劣，所需防腐蝕技術(shù)相對復(fù)雜，需要按不同的防腐要求進(jìn)行分解，從而有針對性地進(jìn)行。其中防腐的難點(diǎn)在于海面以上的部位，主要受鹽霧、海氣和波浪飛濺的腐蝕，其通常是指涉及高水位向上1.5 m到低水位向下1 m之間的區(qū)域，在這個區(qū)域腐蝕速率高，是大氣區(qū)和全浸沒區(qū)的數(shù)倍，最大腐蝕區(qū)在平均海水高潮位以上0.5 m左右。

造成嚴(yán)重腐蝕的原因主要有3個：

（1）大氣因素：日照輻射，干濕交替；（2）海水因素：溫度變化，且海水富含氯離子；（3）潮汐因素：不間斷的海水沖刷。

同時，這個區(qū)域的施工環(huán)境惡劣，維修難度高，對涂層技術(shù)性能、施工性能要求極高，通常要滿足以下幾個要求：

（1）能帶濕、帶銹涂裝，能在低表面處理的底材上有良好的附著力；（2）能在水下施工，水下固化；（3）固化時間短；（4）施工方式可選擇噴涂或刮涂等；（5）能有長效的防腐能力；（6）機(jī)械性能優(yōu)異。

海工防腐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，就固定式平臺、自升式平臺、輔助設(shè)施及鉆井船等簡單海工設(shè)施，國內(nèi)設(shè)計院已具備自主設(shè)計能力。FPSO、FLNG、大型半潛平臺等未來將大力發(fā)展的中大型海工設(shè)施，國內(nèi)設(shè)計院尚無法自主設(shè)計，F(xiàn)EED設(shè)計階段通常由國外設(shè)計公司負(fù)責(zé)，詳細(xì)設(shè)計階段再由國內(nèi)設(shè)計院如708所，海工設(shè)計部等負(fù)責(zé)，所以海工項目的涂裝配套設(shè)計非常復(fù)雜。

在海工項目建設(shè)中，國內(nèi)石油石化設(shè)計院所設(shè)計的配套多參考石油石化標(biāo)準(zhǔn)，面對國內(nèi)業(yè)主參考的標(biāo)準(zhǔn)主要有：

（1）SY/T 4091-2018 灘海石油工程外防腐技術(shù)規(guī)范；（2）SY/T 6930-2012 海上構(gòu)筑物的保護(hù)涂層腐蝕控制；（3） GB/T 30790-2014 色漆和清漆 防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)。

國外海工設(shè)計院所設(shè)計的配套通常會船用標(biāo)準(zhǔn)和海工標(biāo)準(zhǔn)并用，通常包括ISO12944、ISO 20340、NORSOK M501、NACE SP0108等幾個標(biāo)準(zhǔn)。

海上風(fēng)電行業(yè)，目前主要的設(shè)計院包括華東勘察設(shè)計研究院，廣東電力設(shè)計院，上海勘察設(shè)計研究院等，也基本都會參考Norsok和ISO 20340標(biāo)準(zhǔn)推薦的涂層配套系統(tǒng)。

ISO 20340-2009（GB/T 31415）PERFORMANCE REQUIREMENTS FOR PROTECTIVE PAINT SYSTEMS FOR OFFSHORE AND RELATED STRUCTURES海洋工程及相關(guān)結(jié)構(gòu)保護(hù)涂層系統(tǒng)的性能要求。其針對海洋工程腐蝕環(huán)境，規(guī)定了海上建筑及相關(guān)結(jié)構(gòu)（即那些暴露于海洋大氣和浸于咸水或微咸水中的結(jié)構(gòu)）所用防護(hù)涂料體系的性能要求，本標(biāo)準(zhǔn)也適用于其他采用符合本標(biāo)準(zhǔn)的涂料或防護(hù)涂料體系的建筑結(jié)構(gòu)，定義了3種涂料性能測試方法：循環(huán)老化試驗、海水浸泡試驗和耐陰極剝離試驗。

ISO 12944-2017（GB/T 30790）Paints and varnishes - Corrosion protection of steel structures by protective paint systems色漆和清漆 防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)明確定義了各種腐蝕條件和環(huán)境類型，針對采用涂料體系和涂覆層來保護(hù)。其內(nèi)容宗旨是為了獲得適當(dāng)?shù)?、成功的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)效果。ISO20340-2009修訂后編入最新版ISO12944-2014第9部分，根據(jù)暴露的環(huán)境可以在標(biāo)準(zhǔn)中合并C5-I 和C5-M，重新定義了離岸（CX）和浸沒（IM4）兩個區(qū)域，另外還有兩個綜合處于離岸（CX）和浸沒（IM4）之間的區(qū)域，就是浪濺區(qū)和潮汐區(qū)，并給出了一套資格認(rèn)證試驗規(guī)范。

NORSOK M501-2012 SURFACE PREPARATION AND PROTECTIVE COATING海洋工程的表面處理和涂裝。NORSOK標(biāo)準(zhǔn)由挪威石油工業(yè)制訂，以確保其石油工業(yè)的發(fā)展和運(yùn)行足夠安全、增值（附加價值）和資金的有效利用。該標(biāo)準(zhǔn)盡可能廣泛地代替石油公司的技術(shù)規(guī)格書并可作為官方規(guī)章之用。針對固定式或系泊式海上平臺在建造和安裝過程中所采用的防護(hù)涂層，就涂層材料的選擇、表面處理、施工工藝、涂層檢查提出了要求。

標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了油漆、金屬涂層和鋼結(jié)構(gòu)防火涂層，測試方法采用了ISO 20340的方法。其中對于海工項目最重要的3個系統(tǒng)為：

（1） 適用于大氣區(qū)域外表面防腐；（2） 7A適用于浪濺區(qū)和潮差區(qū)防腐；（3） 7B適用于水下區(qū)防腐。

其全部需要經(jīng)過第三方測試機(jī)構(gòu)的預(yù)認(rèn)證。分別采用ISO20340定義的3種涂料性能測試方法：循環(huán)老化試驗、海水浸泡試驗和耐陰極剝離試驗進(jìn)行實驗，實驗完畢后還需要按照要求對涂層狀況、附著力、劃痕處銹蝕寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行考察，是目前涂料界較為嚴(yán)苛的涂層測試要求。

NACE SP0108-2008 （SY/T6930）CORROSION CONTROL OF OFFSHORE STRUCTURES BY PROTECTIVE COATINGS用涂料保護(hù)的方法控制海洋鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。該標(biāo)準(zhǔn)中對飛濺區(qū)的涂料性能給出了驗收標(biāo)準(zhǔn)，推薦環(huán)氧玻璃鱗片涂料配套，其性能必須滿足：

 （1）抗腐蝕蔓延，耐濕熱循環(huán)：<3.5mm （不含鋅粉底漆涂層系統(tǒng)）；（2）邊緣成膜性良好；（3）耐熱，無開裂；（4）良好的柔韌性，沖擊強(qiáng)度> 5.6J（50in·1b）；（5）耐陰極剝離：<7.0mm。

另外，常引用的一些海工防腐的評價標(biāo)準(zhǔn)還有：

（1）NACE TM0104-2004 海上平臺結(jié)構(gòu)壓載水艙涂層體系評估；（2）NACE TM0204-2004 海水浸沒（構(gòu)件）外部防護(hù)涂層；（3）NACE TM0304-2004 海上平臺結(jié)構(gòu)大氣區(qū)和飛濺區(qū)涂層體系評估；（4）NACE TM0404-2004 海上平臺結(jié)構(gòu)大氣區(qū)和飛濺區(qū)涂層體系評估。

高性能環(huán)氧涂料：海工防腐的解決方案

防腐涂料在保障海工裝備的長期正常工作中尤為重要。突破研發(fā)技術(shù)和高成本瓶頸是海上工程設(shè)備防腐蝕新技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。前面標(biāo)準(zhǔn)推薦的涂料系統(tǒng)，比如Norsok和ISO20340中所推薦的環(huán)氧、聚氨酯涂層體系，NACE SP0108中的環(huán)氧玻璃鱗片涂料在實際應(yīng)用中有廣泛的案例。

但傳統(tǒng)的涂層體系有其局限性比如干燥慢、不能厚涂、低溫、潮氣下的副反應(yīng)較多，無法水下固化及水下施工，抗開裂性能差，尤其在高低溫循環(huán)的情況下更為嚴(yán)重。這些性能的缺失在海工防腐項目中帶來的問題也不少見，急需一種高性能的產(chǎn)品來適用更廣泛的環(huán)境。

同時，海上鉆井平臺的第一個建造高峰期是在20世紀(jì)70年代中期和80年代初，這批海上平臺的役齡基本上都超過了30a，鑒于其使用年限通常為20~30a，未來幾年更新?lián)Q代的需求比較大，將進(jìn)入一個高峰期。另一方面，在役的平臺中有相當(dāng)部分需要局部維修。據(jù)統(tǒng)計，中海油需要翻新的平臺就有50座以上，目前正以每年10座的速度進(jìn)行維修。在如此惡劣的環(huán)境中進(jìn)行有效維修是個難題。

維修過程中需要克服幾個難點(diǎn)：

（1）能夠在水下固化，局部區(qū)域甚至需要水下施工；（2）潮汐浪濺區(qū)域施工窗口時間短；（3）基材表面地表潮濕，能單道厚涂，減少施工周期。

為了應(yīng)對這些要求，在設(shè)計涂料配方時，不僅要考慮涂層的防腐性能，還要兼顧其施工性能。

高性能環(huán)氧涂料的面世很好地解決了這些問題。海工防腐與船舶防腐一樣，都屬于海洋性腐蝕環(huán)境下防護(hù)。早期的海工防腐，都沿用了船舶防腐產(chǎn)品。尤其是船舶涂料中的壓載艙漆，包括現(xiàn)代船舶制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的通用底漆（universal primer）具有優(yōu)異防腐性能，在海工防腐中得到了廣泛的應(yīng)用。Norsok M501第五版中系統(tǒng)7（水下和浪濺區(qū)的防腐配套）也根據(jù)船舶的壓載艙和船底防腐的經(jīng)驗推薦了配套方案。

對于海工飛濺區(qū)的防護(hù)，防腐專家們借鑒冰區(qū)航行船舶的成功經(jīng)驗，將超強(qiáng)耐磨環(huán)氧、環(huán)氧玻璃鱗片涂料應(yīng)用于飛濺區(qū)，取得了較好的效果。但由于維護(hù)/維修便利性的影響，海工防腐的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于船舶防腐。所以一般的船舶涂料的防腐性能和施工性能還是不能達(dá)到前面提到的那些要求。自20世紀(jì)90年代開始，國際上的涂料公司開始陸續(xù)推出專門應(yīng)用于海工防腐的高性能環(huán)氧涂料。

高性能環(huán)氧涂料配方采用了環(huán)氧互穿網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)技術(shù)，樹脂采用小相對分子質(zhì)量環(huán)氧降低其體系黏度，同時配以特種胺固化劑增加漆膜的交聯(lián)密度，增加了其耐水、耐化學(xué)品性能。使用剛玉、玻璃鱗片等功能性填料，使其能夠得到優(yōu)異的物理性能和抗開裂性能，最大限度地保護(hù)運(yùn)輸、工作過程中的破壞，減少安裝現(xiàn)場修補(bǔ)工作量。加入特種助劑，可以增加漆膜早期耐水性，防止漆膜施工后受到浪濺和海浪的侵襲。

通常高性能環(huán)氧涂料產(chǎn)品應(yīng)具有如下特性：

（1）噴涂后30 min浸泡海水不影響防腐和附著性能，甚至可以水下施工 ；（2）快干性能優(yōu)異；（3）附著力均在10MPa以上；（4）體積固體含量＞80%，甚至可以達(dá)到98%~100%，能滿足單道厚涂要求；（5）推薦單道涂層噴涂干膜 200~1 000 ?m，大大縮短了施工周期。

施工時可選擇多種噴涂模式，解決適用期問題，通過調(diào)節(jié)電子配比自動控制系統(tǒng)在線混合，施工效率高，一道施工干膜厚能達(dá)到600~2 500 ?m，常溫干燥6 h，冬季隔夜即可搬運(yùn)，快速的固化使得施工后能快速抵抗潮汐或海浪的侵襲。

高性能環(huán)氧涂料在海工行業(yè)的應(yīng)用前景

近年來，隨著我國對環(huán)保問題的日益重視，制定了很多嚴(yán)格的VOC管控措施及環(huán)保法規(guī)，我國也開始向著綠色、環(huán)保涂料的方向發(fā)展。2015年2月1日起，國家開始對涂料企業(yè)征收4%的涂料消費(fèi)稅，但對施工狀態(tài)下VOC含量≤420 g/L的涂料，可免征消費(fèi)稅。GB/T 35602-2017《綠色產(chǎn)品評價涂料》，《低揮發(fā)性有機(jī)化合物含量涂料產(chǎn)品技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范也在編制實施。

隨即，無溶劑厚膜環(huán)氧涂料推出，不僅符合、通過多地區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)（AS/NZS 3750.2, CFE, NORSOK system 7B）的要求，其突出的性能遠(yuǎn)超世界范圍各公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于其獨(dú)特的施工特性，滿足水下修補(bǔ)、水下固化的要求，同時綠色環(huán)保，幾乎無溶劑排放，減少了VOC。目前高性能環(huán)氧涂料已得到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可，隨著我國海工的蓬勃發(fā)展，更環(huán)保的高性能環(huán)氧涂料必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

中國的海洋發(fā)展尚處于起步階段，現(xiàn)在我國正在加速推進(jìn)海洋油氣的勘探和開發(fā)工作，因此迫切需要發(fā)展海工裝備的制造，其防腐技術(shù)的發(fā)展也是工作的重心。不僅僅是油氣項目，海上風(fēng)電項目近年來也蓬勃發(fā)展，我國東部沿海地區(qū)，大力發(fā)展海上風(fēng)電，不僅可以滿足東部用電需求，陸、海風(fēng)電相結(jié)合，更會加快我國綠色發(fā)電的步伐。海上風(fēng)電發(fā)展到現(xiàn)在也有近10a的歷史，現(xiàn)在逐步進(jìn)入到維修期，高固含或無溶劑厚膜環(huán)氧涂料必定在海上風(fēng)電維修項目中有很大的市場。高固含或無溶劑產(chǎn)品低VOC，符合低碳、綠色的理念，滿足了海洋工業(yè)長期或超長期的防腐要求，減少了設(shè)備的維護(hù)和運(yùn)營成本，在海工行業(yè)的應(yīng)用將是一個趨勢。