海上平台防腐涂层老化在线监测技术研究

程 宇，刘传彬，李丙焱

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452）

0 引 言

金属腐蚀问题是海洋开发过程不可忽视的问题，金属腐蚀不仅会引发安全生产事故，同时会导致严重的资源浪费和经济损失。据调查，2014 年中国腐蚀总损失约2 万亿元，占GDP的3.34%。

防腐涂层能够防止钢结构的腐蚀和增加钢结构的使用寿命。海上平台腐蚀情况复杂，除海洋性气候的影响外，涂层配套体系的选择、施工质量的好坏也对涂层使用年限有重要影响，各种因素所导致的防腐涂层在服役过程中产生的裂缝、腐蚀、起泡和剥落等现象，大幅降低了防腐涂层的保护作用，从而影响钢结构的强度，给安全生产带来了隐患［1］。

海上平台导管架的涂层老化评估对于结构评估至关重要。运用电化学阻抗谱在线监测技术，通过在钢结构关键部位布置涂层阻抗探头，实现对涂层老化程度的在线监测，可提前预知涂层老化程度和维修概率。基于检查、检测过程中发现的缺陷或损坏，连同全面检查的详细情况，推荐进行修复的类型和方法，对涂层质量进行有针对性的检测，对于确定涂层维保周期、减少维护成本、延长海上平台服役时间具有重要意义。

1 技术原理

1.1 服役环境

《色漆和清漆防护漆体系对钢结构的腐蚀防护》（ISO 12944—2017）［4］系列标准以其优异的有效性和实用性，在防腐蚀设计和涂层勘验过程中得到了广泛应用。该标准第二部分环境分类涉及材料所处的主要腐蚀环境的腐蚀等级和这些环境的腐蚀性，依据阐述，海上平台均属于腐蚀最严重的CX环境。

1.2 涂层老化评价标准

涂层老化评价一般是针对起泡、生锈、开裂、粉化、失光、剥落等方面采用缺陷数量、尺寸大小和均匀变化的程度来评价，规定评定等级由0 ~ 5，其中：0 表示没有缺陷或变化，5 表示缺陷或变化程度非常严重，1、2、3、4 等级的确定使整个等级范围得到最佳区分。同时，通过考察涂层厚度来评价整个涂层的老化程度，能更真实地反映涂层粉化后膜厚衰减的情况。按照《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》（GB/T 1766—2008）相关检测方法如下［5］：

①对漆膜表面进行监测，考察涂层粉化的程度；②对漆膜表面进行监测，考察涂层开裂的情况；③对漆膜表面进行监测，考察涂层起泡的程度；④对漆膜表面进行监测，考察涂层锈蚀的程度；⑤对漆膜表面进行监测，考察涂层剥落的情况；⑥对漆膜表面进行监测，考察涂层分层的情况；⑦对漆膜表面进行监测，考察涂层线状腐蚀的情况。

1.3 涂层老化在线监测机理

我们可以通过测量涂层探头阻抗谱随时间的变化来判断涂层的防腐蚀状态。电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）是一种以10 mV以内较小振幅的正弦波电位为扰动信号的电化学测量方法［6］。基于电化学阻抗原理，采用高速数字模拟电子技术实现准确的阻抗测量和特征阻抗计算，通过测量从低阻到高阻的宽频涂层阻抗谱，实时监测服役环境条件下防腐涂层与钢结构的界面电容和金属腐蚀速率，然后确定涂层的介电常数、含水率和孔隙率等特征参数，以实现对防腐涂层老化的实时监测［7］。

将涂层探头安装在需要监测的钢结构表面，以实现对涂层老化参数的实时监测，从而为防腐涂层的维保计划提供可靠依据。通过涂层阻抗谱可以实现对涂层性能的评估，涂层的重要参数中涂层电容和涂层电阻计算方式如下：

涂层电阻与涂层中的孔隙率相关：

其中：ρ代表孔隙电阻率；代表涂层剥离面积；是涂层的初始电阻。

有机涂层在阻抗测试过程中，阻抗模值Z的计算公式如下：

涂层相当于一个电容器，当涂层保护性能较好时，其电阻较大，电容很小，电流可以穿过涂层，相位角在中频到高频很大范围内接近90°，水分子通过涂层孔隙进入涂层内部后，涂层电容逐渐增大，电阻降低，部分电流被电容吸收，此时相位角会逐渐减小，而且当涂层孔隙充满水分子达到饱和后，涂层电容变化较小，但是电阻会继续降低，相位角也会有较大幅度的降低，所以相位角的变化可以反映涂层电阻和电容的变化，可以选择定频条件下中频1 kHz对应的相位角作为拟评价涂层防护性能的参数。采用阻抗原理测量得到的涂层阻抗变化更为明显，可以用于检测涂层剥离率，这是通过三电极体系下的电化学阻抗方法获得涂层性能与电化学参数之间的关系。

对于特征频率，其是在相位角为45°时对应的频率，由于其与涂层的剥落面积有关，且通常在高频段不需要复杂的处理就能从阻抗数据中提取，可以作为涂层性能的一种快速评价参数。

因此，可以发现f和涂层的剥离面积有关，当涂层完好剥离面积较小时，频率f较小，涂层老化过程中脱落面积逐渐增大后，频率f也逐渐增大，且通常在高频段不需要复杂的处理就能从阻抗数据中提取，可以作为涂层性能的一种潜在的快速评价参数。

2 防腐涂层老化在线监测系统

2.1 监测系统组成

①防腐涂层老化监测部分：涂层老化监测仪、涂层老化监测探头、电位参比电极、供电模块、通信模块、RS485 转换模块。

②防护箱：采用316 不锈钢材质，保护各测量控制盒及各测量仪器，适用于海上高盐雾、高温高湿、强紫外线的室外环境需求。

③防腐涂层老化在线监测系统软件。

2.2 涂层老化监测仪

涂层老化监测仪主要用于研究涂层的老化程度，可实现开路电位、电化学阻抗谱等多种测试方法，可测量被测涂层的交流阻抗、温湿度、自腐蚀电位和基体腐蚀速率等电化学参数。通过内部开关电路控制，实现定时控制的4 个探头循环测量，或通过上位机软件下发指令进行测量，并将测试数据存储在内置的Flash存储器内，用户后期可通过上位机软件读取数据。阻抗监测仪内置时钟定时器，可以实现自主定时阻抗扫描或单频阻抗测量。通过安装温湿度附件，还可以同时测量环境温湿度和大气压变化。

2.3 涂层老化监测探头

采用专用阻抗探头测量涂层阻抗谱，通过测量涂层阻抗的变化，可以计算涂层介电常数和吸水率，进而评价涂层的老化指数。其外观为同心双环结构，分别作为工作电极、辅助电极，将涂层喷涂到传感器表面，利用涂层在侵蚀环境中阻抗下降原理监测涂层在工况条件下的老化系数。探头的中心内圆为工作电极，蓝色环为辅助电极，整体固定在ABS塑料圆环中。为了测量涂层的自然腐蚀电位，探头中还另加一只高纯锌参比电极。

探头通过航空防水插头与涂层阻抗监测仪器连接，即可实现涂层阻抗与电位的在线监测。

非原位涂层阻抗监测探头制作过程中所用的涂层配套体系和涂装工艺应与所监测位置的导管架/组块所使用的涂层配套体系及涂装工艺保持一致。导管架及组块不同部位所使用的具体涂层配套体系可见现场调研报告，涂装过程中必须保持涂层表面清洁、干燥、无污染，表面油或脂类物质应该按照美国防护涂装协会标准SSPC-SP1 所规定的溶剂清理要求去除，并打磨至所要求的粗糙度。

2.4 防护箱

防护箱采用316 不锈钢材质，可保护各测量控制盒、测量仪器，适用于海上高盐雾、高温高湿、强紫外线的室外环境。通过RS485+DC12V的4 芯1.0 mm2复合海工屏蔽电缆连接至平台机房上的串口服务器，满足数据传输功能。

2.5 防腐涂层老化在线监测系统软件

防腐涂层老化在线监测软件用于在上位机进行数据下载和分析，可将涂层阻抗值转化为涂层老化指数。采用RS485 串口线连接上位机与涂层老化监测仪，测量涂层阻抗模值、实部、虚部、相位角、温湿度、大气压等数据，并可计算出涂层电容、涂层含水率和涂层老化指数。

3 结 论

运用电化学阻抗谱在线监测技术，通过在关键部位布置涂层阻抗探头，实现对涂层老化程度的在线监测，提前预知涂层老化程度和维修概率，有计划地收集、统计、分析涂层的质量数据，逐步完善涂层寿命精准评估，对后期海上平台的维保提供科学的实施方案有着十分重要的意义。■