海上平臺防腐涂層老化在線監測技術研究

程 宇，劉傳彬，李丙焱

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452）

0 引 言

金屬腐蝕問題是海洋開發過程不可忽視的問題，金屬腐蝕不僅會引發安全生產事故，同時會導致嚴重的資源浪費和經濟損失。據調查，2014 年中國腐蝕總損失約2 萬億元，占GDP的3.34%。

防腐涂層能夠防止鋼結構的腐蝕和增加鋼結構的使用壽命。海上平臺腐蝕情況復雜，除海洋性氣候的影響外，涂層配套體系的選擇、施工質量的好壞也對涂層使用年限有重要影響，各種因素所導致的防腐涂層在服役過程中產生的裂縫、腐蝕、起泡和剝落等現象，大幅降低了防腐涂層的保護作用，從而影響鋼結構的強度，給安全生產帶來了隱患［1］。

海上平臺導管架的涂層老化評估對于結構評估至關重要。運用電化學阻抗譜在線監測技術，通過在鋼結構關鍵部位布置涂層阻抗探頭，實現對涂層老化程度的在線監測，可提前預知涂層老化程度和維修概率。基于檢查、檢測過程中發現的缺陷或損壞，連同全面檢查的詳細情況，推薦進行修復的類型和方法，對涂層質量進行有針對性的檢測，對于確定涂層維保周期、減少維護成本、延長海上平臺服役時間具有重要意義。

1 技術原理

1.1 服役環境

《色漆和清漆防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護》（ISO 12944—2017）［4］系列標準以其優異的有效性和實用性，在防腐蝕設計和涂層勘驗過程中得到了廣泛應用。該標準第二部分環境分類涉及材料所處的主要腐蝕環境的腐蝕等級和這些環境的腐蝕性，依據闡述，海上平臺均屬于腐蝕最嚴重的CX環境。

1.2 涂層老化評價標準

涂層老化評價一般是針對起泡、生銹、開裂、粉化、失光、剝落等方面采用缺陷數量、尺寸大小和均勻變化的程度來評價，規定評定等級由0 ~ 5，其中：0 表示沒有缺陷或變化，5 表示缺陷或變化程度非常嚴重，1、2、3、4 等級的確定使整個等級范圍得到最佳區分。同時，通過考察涂層厚度來評價整個涂層的老化程度，能更真實地反映涂層粉化后膜厚衰減的情況。按照《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》（GB/T 1766—2008）相關檢測方法如下［5］：

①對漆膜表面進行監測，考察涂層粉化的程度；②對漆膜表面進行監測，考察涂層開裂的情況；③對漆膜表面進行監測，考察涂層起泡的程度；④對漆膜表面進行監測，考察涂層銹蝕的程度；⑤對漆膜表面進行監測，考察涂層剝落的情況；⑥對漆膜表面進行監測，考察涂層分層的情況；⑦對漆膜表面進行監測，考察涂層線狀腐蝕的情況。

1.3 涂層老化在線監測機理

我們可以通過測量涂層探頭阻抗譜隨時間的變化來判斷涂層的防腐蝕狀態。電化學阻抗譜（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）是一種以10 mV以內較小振幅的正弦波電位為擾動信號的電化學測量方法［6］。基于電化學阻抗原理，采用高速數字模擬電子技術實現準確的阻抗測量和特征阻抗計算，通過測量從低阻到高阻的寬頻涂層阻抗譜，實時監測服役環境條件下防腐涂層與鋼結構的界面電容和金屬腐蝕速率，然后確定涂層的介電常數、含水率和孔隙率等特征參數，以實現對防腐涂層老化的實時監測［7］。

將涂層探頭安裝在需要監測的鋼結構表面，以實現對涂層老化參數的實時監測，從而為防腐涂層的維保計劃提供可靠依據。通過涂層阻抗譜可以實現對涂層性能的評估，涂層的重要參數中涂層電容和涂層電阻計算方式如下：

涂層電阻與涂層中的孔隙率相關：

其中：ρ代表孔隙電阻率；代表涂層剝離面積；是涂層的初始電阻。

有機涂層在阻抗測試過程中，阻抗模值Z的計算公式如下：

涂層相當于一個電容器，當涂層保護性能較好時，其電阻較大，電容很小，電流可以穿過涂層，相位角在中頻到高頻很大范圍內接近90°，水分子通過涂層孔隙進入涂層內部后，涂層電容逐漸增大，電阻降低，部分電流被電容吸收，此時相位角會逐漸減小，而且當涂層孔隙充滿水分子達到飽和后，涂層電容變化較小，但是電阻會繼續降低，相位角也會有較大幅度的降低，所以相位角的變化可以反映涂層電阻和電容的變化，可以選擇定頻條件下中頻1 kHz對應的相位角作為擬評價涂層防護性能的參數。采用阻抗原理測量得到的涂層阻抗變化更為明顯，可以用于檢測涂層剝離率，這是通過三電極體系下的電化學阻抗方法獲得涂層性能與電化學參數之間的關系。

對于特征頻率，其是在相位角為45°時對應的頻率，由于其與涂層的剝落面積有關，且通常在高頻段不需要復雜的處理就能從阻抗數據中提取，可以作為涂層性能的一種快速評價參數。

因此，可以發現f和涂層的剝離面積有關，當涂層完好剝離面積較小時，頻率f較小，涂層老化過程中脫落面積逐漸增大后，頻率f也逐漸增大，且通常在高頻段不需要復雜的處理就能從阻抗數據中提取，可以作為涂層性能的一種潛在的快速評價參數。

2 防腐涂層老化在線監測系統

2.1 監測系統組成

①防腐涂層老化監測部分：涂層老化監測儀、涂層老化監測探頭、電位參比電極、供電模塊、通信模塊、RS485 轉換模塊。

②防護箱：采用316 不銹鋼材質，保護各測量控制盒及各測量儀器，適用于海上高鹽霧、高溫高濕、強紫外線的室外環境需求。

③防腐涂層老化在線監測系統軟件。

2.2 涂層老化監測儀

涂層老化監測儀主要用于研究涂層的老化程度，可實現開路電位、電化學阻抗譜等多種測試方法，可測量被測涂層的交流阻抗、溫濕度、自腐蝕電位和基體腐蝕速率等電化學參數。通過內部開關電路控制，實現定時控制的4 個探頭循環測量，或通過上位機軟件下發指令進行測量，并將測試數據存儲在內置的Flash存儲器內，用戶后期可通過上位機軟件讀取數據。阻抗監測儀內置時鐘定時器，可以實現自主定時阻抗掃描或單頻阻抗測量。通過安裝溫濕度附件，還可以同時測量環境溫濕度和大氣壓變化。

2.3 涂層老化監測探頭

采用專用阻抗探頭測量涂層阻抗譜，通過測量涂層阻抗的變化，可以計算涂層介電常數和吸水率，進而評價涂層的老化指數。其外觀為同心雙環結構，分別作為工作電極、輔助電極，將涂層噴涂到傳感器表面，利用涂層在侵蝕環境中阻抗下降原理監測涂層在工況條件下的老化系數。探頭的中心內圓為工作電極，藍色環為輔助電極，整體固定在ABS塑料圓環中。為了測量涂層的自然腐蝕電位，探頭中還另加一只高純鋅參比電極。

探頭通過航空防水插頭與涂層阻抗監測儀器連接，即可實現涂層阻抗與電位的在線監測。

非原位涂層阻抗監測探頭制作過程中所用的涂層配套體系和涂裝工藝應與所監測位置的導管架/組塊所使用的涂層配套體系及涂裝工藝保持一致。導管架及組塊不同部位所使用的具體涂層配套體系可見現場調研報告，涂裝過程中必須保持涂層表面清潔、干燥、無污染，表面油或脂類物質應該按照美國防護涂裝協會標準SSPC-SP1 所規定的溶劑清理要求去除，并打磨至所要求的粗糙度。

2.4 防護箱

防護箱采用316 不銹鋼材質，可保護各測量控制盒、測量儀器，適用于海上高鹽霧、高溫高濕、強紫外線的室外環境。通過RS485+DC12V的4 芯1.0 mm2復合海工屏蔽電纜連接至平臺機房上的串口服務器，滿足數據傳輸功能。

2.5 防腐涂層老化在線監測系統軟件

防腐涂層老化在線監測軟件用于在上位機進行數據下載和分析，可將涂層阻抗值轉化為涂層老化指數。采用RS485 串口線連接上位機與涂層老化監測儀，測量涂層阻抗模值、實部、虛部、相位角、溫濕度、大氣壓等數據，并可計算出涂層電容、涂層含水率和涂層老化指數。

3 結 論

運用電化學阻抗譜在線監測技術，通過在關鍵部位布置涂層阻抗探頭，實現對涂層老化程度的在線監測，提前預知涂層老化程度和維修概率，有計劃地收集、統計、分析涂層的質量數據，逐步完善涂層壽命精準評估，對后期海上平臺的維保提供科學的實施方案有著十分重要的意義。■