海洋鋼結構節點多層包覆防腐結構設計及性能研究

劉 苒,于海波,劉 俊,蘇碧煌,李海寧

1.中國石油集團工程技術研究有限公司,天津 300451

2.中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室——涂層材料與保溫結構研究室,天津 300451

3.國家管網集團西氣東輸公司武漢輸氣分公司,湖北武漢 430070

隨著對海洋開發的不斷深入，海洋鋼結構的防腐成為了研究重點[1-3]。由于海水具有特殊腐蝕性，會對船舶和海洋工程中的各種材料造成腐蝕[3]。另外，海水是多組分的電解質溶液[4]，因此海洋鋼結構也會由于形成化學電極而出現腐蝕[5]。除此之外，影響海洋腐蝕作用的因素還有生物因素、物理因素等[6-8]。

基于上述分析，本文設計了海洋鋼結構的多層包覆防腐結構，并研究了該結構的防腐性能，為提升海洋鋼結構使用壽命奠定基礎。

1 海洋鋼結構節點多層包覆防腐結構優化設計

1.1 選取海洋鋼結構節點多層包覆防腐涂料

針對海洋鋼結構節點多層包覆防腐材料，選取的涂料必須具有下列特點：第一，較好的成膜性；第二，良好的抗鹽性和熱穩定性，能確保不受海水形成原電池的影響，避免涂層分解[10]；第三，一定的柔韌性和耐劃傷特性，需要滿足在不同條件下作業要求；第四，穩定的電阻率，避免電阻率變化形成更多的原電極，破壞涂料表面；第五，防止鋼鐵生銹。由于海洋鋼結構涂料在使用初期需要預涂底漆，需要對鋼結構進行除銹處理，因此選取的底漆必須具有防止鋼鐵生銹的功能，可以立即進行結膜。

本文設計的涂層選用含有金屬鋅粉狀顆粒的環氧聚酰胺富鋅底漆，具有耐熱、耐油性，在海浪沖刷后仍能保持良好的耐腐蝕效果。在預涂底漆后需要涂防銹底漆，為了保證底漆的防銹效果，添加了磷酸鉛，并且添加了環氧樹脂和氯化橡膠以提高黏接力，通過綜合調配，降低了原電池反應對防腐層的作用。

涂敷了防銹底漆后還需要選取并涂刷中間漆，其可以增加海洋鋼結構的防腐效應，本文設計的涂層利用云母氧化鐵制作鱗片結構，保證防腐材料可以呈魚鱗狀拼接，保證防腐材料的基本特性。完成上述步驟后，還需要利用面漆涂抹海洋鋼結構暴露在空氣中的部分。面漆的類型有很多，面漆的性能比較見表1。

由表1可知，不同面漆的性能效果不一，各有利弊，性能指數越高其相對性能越好，可以根據上述指數進行綜合判斷。選取環氧聚酰胺富鋅底漆+云母氧化鐵中間漆和復合材料面漆組成了符合海洋鋼結構需求的多層包覆防腐涂料體系。

1.2 覆層防護

在選取涂層后，需要根據選取的涂層進行覆層防護，本文采取熱噴涂覆層防護。

使用氧氣、乙炔火焰、電弧、等離子弧、沖擊波等熱源產生高溫高壓火焰流，選取其他霧化裝置產生超音速火焰流，利用熱噴涂技術，將陶瓷、金屬或陶瓷復合材料等基材上的各種塑料粉末的固體磨料瞬間加熱至塑性或熔融狀態，然后噴涂在被加工物體表面，實現表面處理。

金屬噴涂防腐是利用噴涂設備對金屬絲（如鋅、鋁等）進行加熱、熔融、霧化、噴涂形成防腐涂層。熱噴涂覆層防護后，鋁涂層會形成致密的氧化鋁薄膜，該薄膜具有良好的鈍化保護性。由于現場施工難度較大，需要在金屬涂層上涂上持久、優質的密封漆來提高其防腐蝕保護性能。熱噴涂涂層的無氧化性和高純度決定了其較高的發展潛力，在鋼結構覆層防護中能夠取得優異的防護效果。

在熱噴涂后，需要噴涂防銹漆，現場組裝后即可進行噴涂，防銹漆的應用范圍廣，在鋼結構防腐中起著輔助性作用。在有機涂料涂裝后，溶劑揮發作用往往會使聚合物鏈結構產生針孔和微裂紋，水、氧等腐蝕性介質會形成擴散通道，對底層基材造成腐蝕。除了涂層本身的缺陷外，當涂層因機械損傷而剝落時，還會發生局部腐蝕。因此在飛濺區和潮濕設備上修復損壞的涂層時，新涂層必須干燥一段時間才能獲得良好的性能。

1.3 構建長效防腐蝕體系

為了實現海洋鋼結構節點多層包覆防腐結構的優化設計，還需要構建長效的防腐蝕體系。根據電弧噴涂防腐原理，首先將金屬絲產生的電弧進行處理，得到防腐蝕的底層與封閉涂層組成的長效防腐蝕體系，這種體系使用的涂層材料必須具有如下特點：

一是必須具有較長的抗腐蝕壽命，保證該體系無須在使用過程中進行多次維護，避免維護造成的腐蝕；二是必須具有良好的結合力，這種結合力可以有效避免金屬涂層中的其他合金出現不適應性結合；三是該體系需要預先設計成犧牲陽極保護陰極的狀態，保證其即使在耐腐蝕的原電池環境中仍能保持自身的穩定狀態。

在長效防腐蝕體系中采用了鋅鋁偽合金涂層，這種涂層制備的方法較簡單，首先需要使用鹽霧加速腐蝕試驗篩選出符合涂層要求的合金，其次將合金與涂層相融合，進行涂層色彩試驗，務必保證該涂層使用后無紅棕色色塊出現。

上述體系構建完畢后，即完成了新的防腐結構優化設計。

2 海洋鋼結構節點多層包覆防腐結構性能分析

2.1 分析準備

為了驗證本文設計的多層包覆防腐結構的防腐效果，設計如下性能測試過程。

首先選取測試的原材料，為了保證測試的準確性，選取聚醚多二元醇、工業醇、催化劑進行材料預處理，將選取的材料進行脫水化處理，攪拌后冷卻備用。

向處理好的材料中添加N-220，為了防止材料過度聚合，向反應瓶中添加了阻聚劑，進行充分攪拌，加入指定量的TDI，設置標準的反應溫度進行攪拌，為了保證實驗的修復效果，在原有的基礎上需要使用浸膠機。

為了防止外界因素對實驗產生影響，此時需要參考低表面處理的防腐底漆配方表進行處理，該配方如表2所示。

表2 防腐底漆配方

根據表2的防腐配方，需要對材料進行固化處理，確保材料可以實現修復，為了驗證設計的多層包覆涂層結構拉伸性能，需要根據拉伸性能測定標準制備測試試樣，將試樣分成長60 mm、寬25 mm、厚度為0.5 mm的樣品，選取恰當的試樣間距進行測試，保證測試的拉伸機與試樣間始終處于標準距離。

為了驗證實驗的可行性，對其耐溫狀況進行了評估，使用式（1）計算設計結構與傳統結構的耐溫狀況。

式中：T為最大反應溫度，B為反應指標。

極限耐溫值為10，設定低于10則為合格，計算結果見表3。

表3 兩種結構的耐溫狀況

由表3可知，兩種結構的耐溫情況均在標準范圍內。此時將實驗分為1～15層，設置兩種結構中的涂裝涂層厚度，如表4所示。

表4 涂裝涂層

在涂裝時需要注意涂裝輔料的配套使用，避免由于輔料添加異常產生實驗誤差。

在實驗過程中可能會出現涂抹病態的情況，往往是由于鋼結構表面與漆面連接不佳，產生了涂膜異常問題，此時可以使用HPCC技術將涂層復合化，添加部分黏結劑和聚乙烯層，增加原有涂料的黏合性、柔韌性，避免涂層輕易被剝離。在性能分析過程中，還需要設置涂料的適應性分布表，確保涂料對海洋鋼結構應用區域的環境無影響。對一般的封層材料進行調查，需要在耐水性、耐堿性等方面與價格進行綜合分析，選出最符合性能分析測試的封層材料，最終選取的封層材料性能如表5所示。

表5 封層材料性能

由表5可知，此時的封層材料性能符合后續的拉伸性能檢測標準，可以進行拉伸檢測，在檢測過程中必須以ASME B117中3 000 h實驗為標準，綜合著火點、固化度等進行綜合研究分析。

2.2 結果與討論

分別使用本文設計的海洋鋼結構節點多層包覆防腐結構和海洋鋼結構傳統的防腐結構進行拉伸試驗，計算兩種結構的拉伸性能，拉伸強度越高證明拉伸性能越好，性能測試的結果如表6所示。

表6 性能測試結果

由表6可知，本文設計的海洋鋼結構節點多層包覆防腐結構的防腐性能較好，拉伸強度比海洋鋼結構傳統的防腐結構高，證明設計的結構性能良好，有一定的應用價值，對后續的海洋鋼結構防腐分析具有一定的參考價值。

3 結束語

在海洋產業飛速發展的時代，海洋鋼結構成為了研究海洋發展的核心，降低海洋鋼結構的腐蝕作用對增加鋼結構的耐久性十分重要。本文首先選取了性能良好的防腐材料，其次進行了覆層防護，構建了相應體系，從而實現了鋼結構防腐包覆結構的優化設計，性能分析結果表明，設計的防腐結構效果較好，有一定的應用價值。