海洋工程钢结构热喷铝涂层设计应用

刘 存高 伟陈虹宇(.海洋石油工程（青岛）有限公司,山东 青岛 6650；.中油抚顺石化设备检测监理研究中心，辽宁 抚顺 3000）



海洋工程钢结构热喷铝涂层设计应用

刘 存1高 伟1陈虹宇2
(1.海洋石油工程（青岛）有限公司,山东 青岛 266520；2.中油抚顺石化设备检测监理研究中心，辽宁 抚顺 113000）

摘 要：热喷铝(TSA)涂层在海洋工程钢结构腐蚀防护领域的应用逐渐拓宽，虽然TSA技术已经比较成熟，但是在海洋工程实际施工和检测过程中，TSA施工质量还存在一定的问题。本文针对电弧喷涂铝涂层在海洋工程中的应用、施工工艺设计、现场施工、检测过程进行了经验总结，提出了相应的推荐做法，希望为从事相关工作人员提供参考。

关键词：海洋工程 热喷涂 铝涂层 设计应用

0 引言

海洋工程结构维修不便且保养费用昂贵，因此迫切需要研究更为长效的腐蚀防护涂层。电弧喷涂具有高效节能、操作灵活、适合大面积喷涂、易于现场施工等特点[1]。电弧喷涂铝层具有服役寿命长、兼具阴极保护功能、不含有机挥发性溶剂、无需固化时间、无最低施工温度、全寿命成本最低等特点，在海洋结构物腐蚀防护领域电弧喷涂铝涂层已经有许多工程应用实例[2-4]。

1 热喷铝涂层海洋工程应用

热喷涂铝涂层是海洋环境中最好的防腐材料之一，在海洋工程领域TSA涂层主要在重防腐区域、难以维护部位、不锈钢表面、高温腐蚀环境、以及某些盛装化学试剂的特殊储罐中施用。

1.1 重防腐

TSA层在全浸环境下兼具涂层隔离和阴极保护联合防腐功能，海水压载舱采用TSA层可使得检测时间间隔最大而维护最小。

海管系统保护涂层通过阴极保护系统来补偿因涂层缺陷、破损及老化造成的防腐能力下降，耐蚀涂层越有效，所需要的阴极保护系统越少。海管飞溅区外表面涂层要求其能抵御腐蚀介质在干湿交替环境下的联合侵蚀，TSA涂层已被用于保护有高温（操作温度可达200℃以上）和长防护寿命要求的立管结构。

TSA涂层比有机涂层通常能提供更为持久的保护，在海洋大气环境条件下200μm厚的TSA涂层通常可维持30年。TSA涂层比有机涂层更耐久，难以接近维护保养的区域（例如：保温表面、底层甲板背面、火炬臂、起重机臂、导管架飞溅区等）应考虑采用终生寿命涂装系统，这些区域可采用封孔TSA涂层。

1.2 不锈钢

不锈钢与普通碳钢相比具有优异的耐蚀性能，但是在海洋环境等含氯离子环境中，不锈钢材料宜遭受氯致应力腐蚀开裂（CSCC）和点蚀，因此所有承压不锈钢结构在建造过程中必须进行涂装处理。

TSA涂层可用于保护不锈钢免遭CSCC。不锈钢根据材质和耐CSCC能力不同有不同的使用温度范围，采用TSA涂层还可提高其最高使用温度限制。以海洋工程行业常用316不锈钢为例，在保温和非保温条件下，当操作温度在50～175℃之间时，316不锈钢容器、管线CSCC较为敏感，需要外加TSA涂层进行防护。当操作温度在-5～175℃之间循环变化时，316不锈钢容器和管线更需要喷涂TSA进行防护。

近年来，大型油气钻采、加工设施使用不锈钢材质的管线逐渐增多，对不锈钢材质管线的防腐，特别是对保温不锈钢表面的防腐多倾向于采用TSA涂层。

温度超过60℃时，奥氏体不锈钢（例如316L）尤其易遭受SCC，因此若不进行隔离防护的话316L已不适宜作为管线等结构材料。除热喷铝涂层以外，油漆和其他涂层已不足以防护SCC损伤。

1.3 高温

在干燥环境下TSA涂层最高使用温度可达590℃，在潮湿或全浸条件下最高使用温度约为200℃。因此TSA涂层特别适合于某些由于热辐射或热传导使得其使用环境温度超出400℃的高温区域，例如火炬臂、烟囱等。TSA涂层还具有较高的结合强度、延展性等，某些处于-5～175℃冷热循环服役环境中的碳钢容器和管线，也推荐采用热喷铝涂层进行防护。此外，TSA涂层还可扩大某些钢种最高服役温度范围，如低温钢材质立管通过增加3mm腐蚀裕量和表面附加TSA涂层保护的方法可用于设计温度达350℃环境中。

热喷铝涂层已经在超高温刚性立管防护领域取得了一系列实际工程项目成功。

1.4 化学品储罐

TSA适用于弱酸性和高温环境，其可接受的酸碱度范围在pH 4～8之间。某些特殊化学品，如贫乙二醇(MEG)，在运输过程中通常采用铝制容器或内衬铝箔容器进行运输。海洋油气钻采设施通常采用MEG作为脱水剂，盛装MEG的容器或储罐最好的内涂防腐保护涂层就是TSA涂层。

化学注入剂盛装容器可选用316L不锈钢外加TSA涂层外表面防腐结构。

2 电弧喷涂铝涂层施工工艺设计

2.1 热喷涂设备选择及调试

喷涂距离需根据具体喷涂设备类型及热源形式，按照厂家推荐参数并结合施工现场情况进行调试确定。喷涂参数不当会导致涂层孔隙率过大、结合强度不能满足要求、膜厚不足或不均匀、涂层外观不符合要求等缺陷。设备调试阶段必须对涂层进行孔隙率、金相形貌、结合强度等涂层物理性能进行严格测试，确定后续正常施工时使用的喷涂参数，并严格执行。

2.2 材料选择

TSA材料和涂层厚度应按照预期服役环境和防腐使用寿命参照标准NACE No.12/AWS C2.23M/ SSPC-CS 23.00[5]及ANSI/AWS C 2.18[6]进行选择。喷涂丝材化学成分和类型应按照ANSI/AWS C2.25/2.25M[7]、ASTM B833[8]或ISO 209-2007确定。

热喷涂金属丝材应满足AWS-C2.25/C2.25M W-AL-1100或 W-AL-1350、ISO 209 Grade1350或Grade1100级要求，且生产商应提供各批次材料合格证书。关于丝材检验证书，需要提醒的是虽然某些供应商能提供满足AWS-C2.25/C2.25M要求的材料，但无法提供相应检验证书，导致丝材无法满足业主要求不能使用，笔者就曾遇到过此类情况。

丝材成分及纯净度直接影响热喷涂层的防护效果。丝材的圆周度（同轴度）对其施工性能将产生重要影响。若铝丝材粗细不均，在施工过程中极易堵塞喷枪导电嘴，造成卡丝、断弧现象，进而影响涂层质量。有研究表明[9]随着电弧喷涂丝材直径的减小，沉积涂层密度会逐渐增大。

2.3 表面处理

有研究表明[10]，磨料类型、表面处理清洁度、表面粗糙度对TSA涂层结合强度均产生相应影响。其中表面清洁度越高，在一定范围内粗糙度越大，涂层结合强度越高。

碳钢表面推荐采用颗粒大小合适的棱角状氧化铝、石榴石或角钢砂磨料[5]；不锈钢表面推荐氧化铝磨料；禁止使用丸料进行喷砂处理，因为丸型磨料喷砂处理陨坑状表面，不利于TSA层与钢基体之间机械咬合附着。TSA涂层厚度越大所需锚纹深度越深，工程上常用粗糙度范围在75～110μm之间。对于厚度超过300μm的热喷涂层，表面处理锚纹深度大约为热喷涂层厚度的1/3。可采用弯曲试验和拉伸试验的方式验证所选磨料和喷砂处理表面粗糙度是满足要求[5]。

TSA施工时最终表面处理至少应达到SSPC-SP10 或ISO 8501 Sa 近白级喷砂处理要求；特殊部位（如飞溅区、全浸区）必须达到SSPC-SP 5或ISO 8501 Sa 3.0出白级处理要求。SSPC-SP 5是热喷涂表面处理的理想要求，也是许多工程应用强制表面处理要求。

喷砂处理后的表面清理非常重要，对涂层结合强度具有较大影响，TSA要求表面处理清洁度最低为ISO 8502-3规定的2级，推荐1级。喷砂处理前，所有锐边应进行打磨倒角处理，倒角半径至少为2mm，推荐倒角处理半径为6mm。

2.4 封孔剂

TSA涂层存在一定的孔隙，孔隙率通常要求低于5%。热喷涂铝涂层喷涂施工、检测后应尽可能快的进行封孔处理，封孔处理应在16小时以内完成，最长不能超过24小时，推荐最佳施工时间为8小时以内。若不进行封孔处理，各种酸、碱、有机介质就会浸入孔隙，使涂层脱落，影响防腐效果。孔隙率还会影响涂层结合强度[11]。

封孔剂的作用是封堵热喷涂层内部的孔洞，而不是提供涂膜保护。因此，要求封孔剂要有粘度低，且足以渗透到孔隙之中封堵涂层表满孔隙。封孔剂最小需要施工两度，干膜厚度一般不应超过40μm，且只需完全封闭热喷涂层孔隙即可。若TSA需要涂覆面漆时，封孔剂膜厚过后可能会导致面漆与TSA涂层间结合强度的降低。

封孔剂要与设计使用环境相匹配封孔剂还应与面漆材料兼容。切忌将面漆直接涂覆在未封孔处理的裸TSA涂层表面。钢基体表面TSA涂层用封孔剂还应通过落锤试验测试，落锤试验可参照ASTM D 2794进行。

封孔材料包括：环氧类：最高温度120℃；硅酮类：最高温度达450℃。

在全浸、埋地和保温层下的热喷铝涂层不应进行封孔处理，当热喷铝在全浸条件下使用时，通常需要与牺牲阳极进行联合防腐。

3 TSA涂层施工

3.1 TSA施工

开机和设置、调整喷枪应远离带喷涂工件。在密闭空间，可在一块废金属板上进行喷涂调试。不允许任何不符合要求的热喷涂层喷涂到已处理过的工件表面。

在喷涂施工过程中，同样需要不断地对待喷涂表面进行清理，可采用压缩空气对带喷涂表面进行吹扫，清除待喷涂表面的灰尘及金属粉末。

涂层厚度一定时，采用多道喷涂工艺，即每道涂层厚度减薄，可获得较大的涂层结合强度。单道涂层喷涂过厚可能会降低热喷涂层整体的可利用结合强度。

TSA施工过程中要保证两度涂层之间的涂装间隔不能超过2小时。层间搭接宽度约50%。采用十字交叉法喷涂，即后一道喷涂应与前一道十字交叉。笔者曾遇到过平行喷涂产生膜厚不均未经封孔处理暴露在海洋大气环境中导致涂层环带状点蚀发生的情况，如图1所示。

实际工程应用中，在低湿度或安装有除湿设备的封闭车间内进行TSA施工时，喷涂间隔可适当延长，可通过伴随试样的弯曲试验定性测定合适的延长时间，并最终通过结合强度测试判定允许的最大涂装间隔时间。反之，当在潮湿环境条件下施工TSA涂层时，应根据伴随试样弯曲试验结果和结合强度试验结果适时调整缩短涂装间隔时间，以保证TSA涂层质量。

图1 热喷铝涂层点蚀

3.2 封孔剂施工

TSA施工完成后，封孔剂施工前，TSA涂层应储存在可控环境条件下，表面不能含有灰尘污染或水分等固体、液体或其它污染。

封孔剂应选择富含铝颜料的硅树脂油漆，为保证封孔剂能很好的渗透进TSA涂层内部孔隙封孔剂应按厂家推荐要求进行稀释、搅拌，一般要稀释至固体含量最大不超过15%。

用于全浸区、保温层下或埋地环境时，热喷铝涂层不应进行封闭处理。

封孔剂覆盖情况可采用伴随试样对比测试法或封孔剂着色法进行测试。

4 涂层检测及修补

质量控制措施应包括涂层厚度、结合强度和孔隙率[11]等。

按照ISO 2808规定要求在热喷涂施工完工2小时内对膜厚进行测量。膜厚评价标准：局部膜厚最小值不低于最小膜厚的90%；拐角等局部区域TSA膜厚最大值不超过规定最小膜厚的2倍。

膜厚不足区域，应在2小时之内进行补喷。对于TSA过厚部位的处理方法，标准ANSI/AWS C2.25/2.25M只规定将膜厚超标部位记录并告知业主方，而未给出相应的处理措施。笔者认为可借鉴实际项目经验，对局部涂层厚度超过规定最大膜厚值的区域进行拉拔测试，检测涂层性能是否满足要求；若测试不合格则应喷砂去除该处TSA涂层，并使底材达到规定表面处理要求后重新喷涂。

涂层孔隙率应按照ASTM E2109标准，对测试试样采用金相比较法或自动图像分析软件进行孔隙率测试，孔隙率应不超过5%。

TSA施工作业全程必须坚持弯曲试验测试。弯曲试验是一种定性试验，是保证TSA涂层施工质量的有效措施，也是减少TSA涂层返工的重要保证，可根据NACE C2.25标准进行。弯曲试验试样及芯轴必需按照标准规定尺寸进行，以保证不同测试试样之间的可比性。试验样板表面处理、涂层材料、喷涂参数、膜厚等必需与正式施工一致。弯曲测试试验失败，必须及时对基体表面处理情况、施工环境、喷涂参数等进行排查，找出试验失败原因并重新进行测试，直至试验通过。

拉伸结合强度是判定TSA质量的重要指标，测试必需在工件表面进行测量，单点测试值不应低于7MPa。

TSA裸金属涂层破损修补方法：若涂层已经破损至钢基体暴露，应采用干喷砂处理方法进行表面处理至SSPC-SP 5并对破损涂层周围进行拉毛处理后重新补喷TSA至规定膜厚；若仅是TSA层受损，则只需对受损部位进行预清理并局部扫砂处理，扫砂处理时注意保护完好涂层表面，然后补喷至规定膜厚。

5 小结

(1) TSA涂层在海洋工程钢结构腐蚀防腐领域应用前景广阔，近年来在高端油气钻采设备上逐渐受到各国防腐设计人员的重视，特别是在不锈钢CSCC防护方面备受青睐；

(2) TSA涂层现场施工过程中因施工人员资质不足或表面处理不合格造成涂层质量不能满足规定要求的情况，需要检测人员以认真负责的态度，严把涂层质量关；

(3) 防腐设计人员应充分考虑现场实际情况，注意影响TSA涂层质量的细节，制定出切实可行的、严格的TSA施工程序；

参考文献

[1]徐滨士,李长久,刘世参等.表面工程与热喷涂技术及其发展[J].中国表面工程,1998,38(1):3-10．

[2]Ellor J.A, Yong W.T.Thermally sprayed metal coatings to protect steel pilings: final report and guide [M].Washington D.C.: NCHRP, 2004:1-73.

[3]Fishcher K.P, Thomason W.H, Rosbrook T.Performance history of thermal sprayed aluminum coating in offshore service [J].Material Performance, 1995, 34(4): 27-35.

[4]Doble O, Pryde G.Use of thermally sprayed aluminum in the Norwegian Offshore Industry [J].Protective Coatings Europe, 1997, 2(4):1-10.

[5]NACE.No.12/AWS C2.23M/SSPC-CS 23.00, Specification for the Application of Thermal Spray Coatings (Metallizing) of Aluminum, Zinc, and Their Alloys and Composites for the Corrosion Protection of Steel [S]．American: NACE International, American Welding Society and SSPC , 2003．

[6]ANSI/AWS.C 2.18, Guide for the Protection of Steel with Thermal Sprayed Coating of Aluminium and Zinc and their Alloys and Composites [S]．American: American Welding Society, 1993．

[7]AWS.C2.25/C2.25M-2012, Specification for Thermal Spray Feedstock-Wire and Rods [S]．American: American Welding Society, 2012．

[8]ASTM.B833, Standard Specification for Zinc and Zinc Alloy Wire for Thermal Spraying (Metalizing) for the Corrosion Protection of Steel [S]．American: American Society for Testing and Materials, 2006．

[9]E.S.Lieberman, C.R.Clayton, H.Herman.Thermally Sprayed Active Metal Coatings for Corrosion Protection in Marine Environments [M].New York: State Univ.of New York , 1984:111-114

[10]A.D.Beitelman, W.Corbett.Evaluation of Surface Preparation and Application Parameters for Arc-Sprayed Metal Coatings [M].Washington, DC: U.S.Army Corps of Engineers, 2001:1-103.

[11]Dominic J.Varcalle, Jr.An Evaluation of Application and Surface Preparation Parameters for Thermal Spray Coatings [M].Washington, DC: U.S.Army Corps of Engineers, 2001:9-60.

中图分类号：TM207

文献标识码：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.046.05

作者简介：刘存（1982-），男，山东青岛人，工程师，硕士，主要从事海洋结构物腐蚀防护工作。

Design and Application of Thermal Spraying Coating in Offshore Engineering Steel Structures

LIU Cun1, GAO Wei1, CHEN Hong-yu2
(1.Offshore Oil Engineering (Qingdao) CO., Ltd.Qingdao 266520, China; 2.Research Center of CNPC Fushun petrochemical equipment inspection and supervision, Fushun, 113000, China)

Abstract：Thermal spraying aluminum (TSA) coating applications in the field of marine engineering steel corrosion protection gradually expanded.Although TSA technology is relatively mature, but in the marine engineering construction and testing process, TSA application quality there are still many problems.This file aiming arc spraying aluminum coatings in marine engineering applications, application process design, site construction and testing process were lessons learned.It put forwards the corresponding recommended practices and hopes to provide a reference for personnel engaged in the related work.

Keywords:offshore engineering; thermal spraying; aluminum coating; design and application