海洋工程重防腐涂料的应用技术

海洋防腐蚀是海洋工程的关键技术之一，金属在海洋中腐蚀导致的应力腐蚀断裂( SCC) 、氢脆( HE) 、腐蚀疲劳( CF) 、晶间腐蚀( IC) 等会使海工钢结构发生突然断裂，导致海洋环境生态灾难，造成巨大损失。此外，海工产品防腐涂层的提前失效和涂层维修带来的停工损失也相当大。因此，必须采取合适的防腐蚀技术予以解决。
    近来内外对海洋腐蚀与防护日趋重视，虽然各种耐海水腐蚀材料不断推出，各种防腐蚀施工技术也大有发展，但仍远不能满足实际需求。我对海洋工程结构设施的防腐蚀研究与外发达有明显的差距，一些关键技术尚未解决，没有形成具有我自主知识产权的技术，而且缺少相应的防腐规范和标准，这些都严重影响了海洋工程结构的设计、建造和安全运行。因此，针对我重点海域和重大海洋工程所面临的共性和关键防腐蚀问题，开展海洋工程结构设施的长效防腐蚀关键技术研究，不但可以防止腐蚀发生，避免或减少后期服役的维修、维护费用和因维修造成的经济损失，减少重大恶性事故的发生，而且能够使海工设施的安全性大大提高，具有重大意义。
    1 海洋防腐涂料的要求
    海洋防腐涂料是指在海洋环境中使用的防腐蚀涂料。由于海洋环境非常严酷且具有强腐蚀性，因此，海洋防腐蚀是我海洋工程发展中急需认真研究的课题。
    按防腐对象材质和腐蚀机理，海洋防腐涂料可分为海洋钢结构防腐涂料和非钢结构防腐涂料。海洋钢结构防腐涂料主要指运输船舶、集装箱、海上桥梁、港口机械、输油管线、海上采油平台等大型设施的防腐涂料，非钢结构海洋防腐涂料主要指海洋混凝土构造物防腐涂料。
    海洋防腐涂料主要有无机富锌、有机富锌、有机硅、环氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷类涂料，可根据不同海洋环境腐蚀特点和防腐限选用不同的涂料和涂层。
    海洋防腐涂料一般要求具有如下性能: ① 具有良好的物理性能。对腐蚀介质抗渗性好，对钢材表面附着力好; ② 具有良好的力学性能。耐海水冲刷、耐海冰碰撞、耐船舶停靠的磨损; ③ 具有优异的化学性能。耐海水、耐盐雾、耐油、耐化学品、耐紫外线等的侵蚀; ④ 与电化学保护系统相容性好。飞溅区和全浸区涂料要具有耐阴极剥离性; ⑤ 具有良好施工性能。可在各种环境条件下对不同结构进行高质量涂装施工; ⑥ 符合健康、环保、安全的要求。要求涂料固含量高，挥发性有机化合物( VOC) 含量符合或际标准要求; ⑦ 其他特殊要求。如: 淡水舱涂料要求无毒性并符合卫生要求; 用于不锈钢表面的涂层中可滤去氯含量不能超过 200 mg/kg，涂层中不含锌; 船舶压载舱涂料要符合际海事局( IMO) 《船舶压载舱保护涂层性能标准》的要求; 船舶水线以下部位涂料要求防止海生物附着等。
    常用的海洋重防腐涂料主要相关际标准有: ① ISO12944 防护涂料对钢结构的腐蚀防护; ② NORSOK M501表面处理和保护涂料; ③ ISO 20340 近海及相关结构防护涂层的性能要求; ④ NA SP O108 防护涂层对近海结构的腐蚀控制; ⑤ IMO 船舶压载舱保护涂层性能标准( PSPC) 。
    海洋防腐涂料及其涂层配套通常要满足 ISO 12944、NOR-SOK M501、NA SPO108 和 ISO 20340 相关防腐标准的要求。一般都要预先通过严格的腐蚀试验和，试验项目主要有:① 耐盐雾( 盐水) 试验 4 000 h; ② 耐阴极剥离试验; ③ 耐湿热试验 4 000 h; ④ 循环腐蚀试验 4 200 h［1 －4］。
    2 海洋防腐涂料研发重点
    海洋防腐涂料的研发具有科技含量高、研制周期长、投资大、技术难度高且风险大，外海洋防腐涂料研发主要集中在实力雄厚的大公司或靠政府支持的。例如英的 IP、美的 PPG、丹麦的 Hemple、挪威的 Jotun 及日本的关西涂料等几家大公司均有上百的相关涂料开发历史，在涂料生产供应、质量监督、涂装规范及涂装现场管理等方面形成了一整套十分严格和严密的，目前这些公司的产品占据了我海洋防腐涂料的主要市场［5］。
    我海洋防腐涂料的生产主要集中在青岛、上海、大连、天津、常州、广州及厦门等几家涂料企业，研究工作主要集中在中科院海洋研究所、中科院金属腐蚀研究所、海洋化工研究院、中海油常州涂料研究院、中船 725 所等研究机构。近来，虽然建立了“中船舶船舶涂料厦门检测站”、“海洋涂料产品质量监督中心”等质量管理监督机构，但整体技术水平仍落后于。
    目前，外海洋重防腐涂料的研发主要侧重以下几个方面。
    2. 1 长寿命
    由于越来越多的超大型钢结构及所处海域特点不具备直接重涂或返岸施工的条件，因此要求开发具有超长使用寿命的海洋防腐涂料，理想的是涂层使用寿命包括现场直接涂装维修后的延续使用寿命等同于钢结构设备的使用寿命，即涂层与设备同寿命设计，使用中只需进行少量维修，免重涂。
    比利时的涂膜镀锌属于有机类高富锌涂料，干膜中的金属锌含量达 96%，在挪威奥斯陆的沿海海洋大气环境中，涂覆在钢桥上 120 μm 膜厚的单一锌加涂层 15 a 后实测每的涂层平均损耗仅为 1 μm［6］。
    无机富锌涂料应用为典型的成功案例是澳大利亚 Mor-ganwyalla 长达 250 km 的油管工程，其防腐采用了单层水性无机富锌涂层，涂层历经 50 余仍保持着良好状态，无腐蚀发生。美埃克森( EXXON) 公司在硫球岛建的炼油厂采用单层硅酸锌防腐涂层，历经 15 a 后仅需小部分涂层修补，补后又经 4 a 完好无锈。
    作为面漆，目前开发的氟碳涂料和聚硅氧烷涂料耐侯性已可达到 15 a 以上，如日本旭硝子公司生产的三氟氯乙烯FEVE 氟碳漆、大金公司生产的四氟乙烯 FEVE 氟碳漆、际油漆公司生产的丙烯酸聚硅氧烷涂料 interfine 979 及美亚美隆公司生产的环氧聚硅氧烷涂料 PSX 700 等等。
    2. 2 低表面处理
    由于涂装前处理费用会占到总涂装成本的 60%，因此低表面处理涂料已成为防腐涂料的重要研究方向之一。主要包括可带锈、带湿涂装的涂料，以及可直接涂覆在其他种类旧涂层表面的涂料。这类涂料主要是环氧类，它们具有在潮湿带锈钢材表面上直接涂装的功能，有超强的附着力，VOC 含量 ＜340 g / L，一次无气喷涂膜厚可达 200 μm 以上，施工性能优良。
    2. 3 高固体分、无溶剂
    体积固含量在70%以上为高固体分涂料，固含量为的为无溶剂涂料。由于少用甚至不用有机溶剂，从而使高固体分涂料可减少 VOC 的排放，符合环保要求，且一次施工即可获得所需膜厚，因此减少了施工道数，节省了重涂时间，提高了工作效率。由于无溶剂挥发降低了涂层的孔隙率，从而提高了涂层的抗渗能力和耐腐蚀能力。
    2. 4 水性化
    涂料水性化是涂料研发的另一个重要方面。其 VOC 含量低，对节能减排、发展低碳经济、保护环境及可持续发展都有重要意义。目前，水性涂料的研发主要在水性无机富锌、水性环氧、水性丙烯酸、水性氟碳等领域。其中水性丙烯酸、水性环氧、水性无机富锌涂料品种的化应用在一定程度上已取得成功。日本旭硝子公司研究出新型低 VOC 水性FEVE 共聚物，以其制备的涂料的耐候性、耐水性、耐溶剂性及光泽均可与溶剂型氟碳漆媲美［7］。
    2008  3 月，在由美腐蚀工程师( NA) 举办的防腐研讨会上，挪威 Hydro 石油能源公司对水性涂料按照 NORS-KOK M － 501 进行了测试和评估，其结果显示了水性涂料在远洋环境下对新建设施的涂装和修补领域具有令人鼓舞的应用前景。
    2. 5 环保新材料
    环保型新材料主要是采用低毒、无毒的材料，如以复合磷酸盐防锈颜料代替有毒、有污染的红丹、铬酸盐等防锈颜料，严格控制颜料中铅、镉、铬、汞、砷等重金属的含量。
    美能源部布罗卡温实验室以谷物、螃蟹壳、龙虾壳为原料研制出一种生物重防腐涂料，在适当的温度条件下，该涂料变得坚固、光滑，能紧密粘附在铝或其他金属表面防止金属的腐蚀。
    2. 6 聚脲弹性体
    聚脲涂层是近来兴起的无溶剂、无污染的高性能重防腐涂料，简称 SPUA。SPUA 为双组分、 固含量、对环境友好，其固化速度快，对湿度、温度不敏感，且施工时不受环境湿度影响; 固化后涂膜弹性及强度、耐侯性、热稳定性优异，户外长期使用不开裂、不脱落，对钢铁附着力好，具有优异的耐腐蚀性能。但 SPUA 对被涂基材的表面处理要求极为严格，钢材要进行彻底的喷砂，处理后必须马上涂装［8］。
    美和我台湾地区已将其应用在海工结构物的防腐蚀中，尤其是海上平台钢结构在飞溅区的涂装。聚脲主要有芳香族聚脲、脂肪族聚脲和聚天门冬氨酸酯脂肪族聚脲。
    3 海洋防腐涂料涂装分析与建议
    3. 1 涂料应用现状及问题
    目前，海洋工程上使用的防腐涂料大部分为外跨公司品牌的产品，内涂料产品很少使用。不论在涂料产品质量方面，还是其质量控制机制方面，内涂料产品与外产品都有很大差距。究其原因主要是我海洋防腐涂料发展时间短，不掌握核心技术，缺乏研究资金，研究人员的水平不高等因素所致，这些不足极大地制约了产涂料进入际海工市场，也削弱了产品牌的竞争力。
    基于海工产品的使用环境，对其必须采取防腐蚀保护措施，对离岸的海工产品防腐涂层而言，服役期内很难在海上进行修复或重涂，延长防腐涂层的耐久限以及防腐涂层与海工产品使用寿命同步是海工防腐研究的终目标。因此，研发在海洋环境中具有 15 a 以上耐久限的海洋重防腐涂料和涂装技术，设计可在海洋环境中达到 15 ～ 30 a 耐久限的金属涂层 + 有机涂层配套、多层有机或无机涂层配套，不仅是海洋开发战略海工防腐蚀需要研究的重点，也是“十二·五”规划中海工防腐涂装技术工作的研究方向，而研制阴极保护效率高的底漆、屏蔽效果好的中涂漆和耐候性好的面漆，以及与之适宜的涂层配套设计则是防腐蚀涂层配套的技术关键。
    海洋防腐涂料目前主要用于防止暴露在海洋大气中的构筑物腐蚀，浸在海水中特别是深水区的海工构造物( 如船舶和钻井平台) 的水下部位、海底钢管等也需要采用涂料防腐蚀。由于此区域的含氧量低，腐蚀程度相对较低，目前主要采用环氧涂料、环氧沥青涂料、环氧玻璃鳞片涂料等，如需防止海生物附着，则采用环氧涂料 + 防污涂料组合。对海底区而言，由于此区域的腐蚀程度低，因此涂层主要采用环氧沥青涂料。钢质管道除采用液态环氧涂料外，还大量使用熔融环氧粉末涂料，由于检修极其困难，通常要求其在不维修的条件下能正常使用 20 a 以上。
    应用于海水中的防腐涂料通常要求具有良好的耐海生物作用和化学稳定性，以保证涂层能够防污损和防腐蚀; 具有良好的机械强度，以保证涂层能承受一定压力和碰撞，保持涂层的完整性使其不开裂或脱落; 对钢管表面和混凝土应有良好的附着力; 对外加阴极保护系统有良好的相容性，在使用阴极保护时涂层不剥离。
    涂料防腐和涂料 + 电化学防腐蚀是目前海洋防腐的主要方法。相对于涂料的防腐性能而言，涂料在海水中的施工性能和可修复性更加重要，因此在涂层配套设计时通常建议设计成涂层寿命与被涂结构主体同寿命或可免维修。此外采用可在水中施工的防腐涂料也是目前努力发展的方向，外已有多个公司开发出此类产品，它们通常是液态高固含量环氧类涂料。
    船舶制造是海洋工程中使用海洋防腐涂料较多的行业，与此联系紧密的我船舶防腐涂料涂装技术也获得了较快的发展，并达到了一定的水平，例如: 涂装工序已被列为船舶设计的重要内容之一; 钢材预处理工艺在船舶制造企业得到广泛应用，建立了分段除锈、喷涂车间，并配备了相应的自动、半自动除锈和喷涂设备，制定了一系列除锈和涂装的技术标准;从业人员已经掌握了高性能涂料施工工艺和化学品/成品油船特种涂装技术; 计算机辅助涂装设计和治理技术、区域涂装技术已在大型船厂推广。
    涂装新技术的应用使我的涂装技术水平、生产效率和涂装质量大幅度提高，明显缩短了与外涂装技术的差距，涂装质量受到内外船东的好评。但是，我船舶涂装技术与外相比仍存在较大的差距，主要表现在以下几个方面: ① 船舶涂装出产设计深度不够，壳舾涂一体化的概念不强; ② 船舶涂装技术装备的机械化、自动化程度不高，致使除锈、涂装指标偏高执行的现象较多; ③ 预处理质量和车间底漆性能有待改进; ④ 因其他工种施工造成涂膜损坏而进行多次涂装问题十分突出，其中技术和人才缺乏则是阻碍涂料涂装行业整体水平进步的重要原因之一。
    3. 2 解决问题的思路
    海洋工程防腐蚀涉及到海洋开发的战略，因此希望能从层面由相关或行业组织牵头组织有关、整合社会资源，就海洋防腐涂料和涂装技术需要解决的关键难题开展协作攻关，并提供雄厚的资金支持。建议加强以下方面的研究工作:
    ( 1) 加强基础研究，提高防腐涂料产品水平。我海洋防腐涂料要想上一个新台阶，则各相关机构、涂料生产企业应加强新产品的研制，关注高耐候性配套涂料的开发、高效低毒防腐涂料的开发及海洋防腐涂料环保化等。
    ( 2) 加强涂料涂装工艺的研究。从涂料涂装一体化出发重视涂料施工性能的研究，不断优化和提升涂料产品的综合性能，开发施工性能好适应性强的涂料，提高配套涂料的科学性与合理性，以适应不同海工产品的不同涂装要求。通常涂料涂装一体化由第三方来实施，即海工建造商将其所有涂装生产外包给专业的涂装工程企业———第三方，自己只负责监督和检验。目前，一些有实力的涂料公司和涂装设备公司推出了 BOT 服务模式，即海工建造商的涂装车间由涂料公司或涂装设备公司投资建设，并负责生产管理，根据海工建造商的生产计划进行涂装生产，实现涂料涂装一体化，终提供的是合格的涂层而不是液态或粉状的涂料，而海工建造商只需制定技术标准和验收监督涂装产品质量，依据涂装质量和涂层面积进行结算。此模式这将成为涂料涂装一体化的发展趋势。
    ( 3) 改进海洋防腐涂料的防腐性能和施工性能，加强研制耐高温烧蚀( ＞800 ℃) 的车间底漆，具有高固含量、低黏度特性且施工方便的无溶剂防腐涂料，性能更好的自干或低温烘干水性无机富锌底漆、水性丙烯酸、环氧防腐涂料和可一次性涂覆 300 ～ 500 μm 的环氧厚浆涂料，可在水下进行涂装施工的重防腐涂料，防腐蚀性能更好的单组分富锌底漆和湿固化聚氨酯防腐涂料，防腐蚀性能和耐老化性能更好的无机或无机改性防腐涂料等。
    ( 4) 海工结构多数外形尺寸很大，目前涂装施工大多在露天进行，手工喷涂是主要的涂装方式，涂装效率低、质量难以保证，因此机械化涂装是其发展的主要方向。对港机、平台、专用船舶等海工产品中数量较大、外形规范的管件、杆件、型钢、箱梁可以采用抛丸、涂装机械化生产线实施涂装，可以极大提高生产效率、保证涂装质量、缩短工期、保护环境。对外形相对简单、数量较大的配套部件，可采用线上机器人涂装或采用静电喷涂。对涂装效率较低的人工刷涂和辊涂，应研制能够自动供漆的漆刷或漆辊来提高效率，外已有类似的产品。
    ( 5) 加强专业人才培养。市场竞争归根到底是人才的竞争和管理水平的竞争，我防腐涂料及涂装企业与外同类企业相比较，薄弱的环节就在于此。目前从事涂料涂装技术工作的人员多数是从化工或机械专业转换过来的，由于专业设置原因，专业从事金属蚀防护的人员很少，因此知其然者多，知其所以然者少，缺乏既能够进行涂料防腐研究又精通涂装施工技术这样知识结构全面的工程研究人员。内培养金属防腐蚀专业人才的院校屈指可数，不能满足行业需求，需扩大人才培养规模。同时，涂装施工人员为涂装工艺的终实施者，其技术素质的高低将直接影响到涂装质量，甚至涂膜的防腐性能。目前在一线进行涂装施工的人员大多是未经专业培训的农民工，专业知识欠缺，因此培养合格的涂装工人尤其是喷涂操作工，也是涂装行业急待解决的问题。建议开展系统的社会和内部专业教育培训，例如按涂装工培训大纲进行培训，使其达到中级或高级涂装工资质。此外，实行持证上岗也是提高施工人员素质和涂装质量的重要途径之一。
    ( 6) 涂装检验是保证涂装质量的终环节，也是非常重要的环节，必须由具有专业资质的检验人员来实施。海工产品使用环境恶劣，对防腐蚀要求很高，通常海工产品和际标准都要求实施涂层检验的人员必须受过 NA、SSPC、FROSIO涂层检验的相关培训并取得相应职业资质，需要达到二级或三级才能进行此项工作。我在此环节应引进外相关培训教材，按照外标准培养专职涂装检验人员，在海工防腐涂装项目中实施涂装检验资格制度，改进内涂装检验水平，提高海洋工程的涂装质量。