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海工裝備重防腐涂料的特點、要求及解決方案!

發布時間:2023-12-22 09:32:05

中國是海陸兼備的大國,對海洋的探索從未停止過,從最初的魚鹽之利,到初步的海權思想,再到近年來國家提出的發展海洋經濟、創新海洋科技、保護海洋環境、建設海洋生態文明等一系列思路,對海洋的開發已經進入一個由淺入深的階段。



 

海洋油氣資源儼然是沿海開發的關鍵,沿海省市把海洋經濟建設作為海洋經濟發展的重要戰略方向。其中,不僅有鉆井平臺,儲運設施,石油和天然氣管道,而且近年來還開發了石油加工船,即移動石化廠。我們通常定義水深0300 m為淺水區、3001 500 m為深水區、1 5003 000 m為超深水區。海工設備的建造成本按照水深程度和離岸距離等情況不同而變動幅度巨大,維修、折舊和運營成本比陸地高得多,對防腐技術要求更高、更復雜,因為任何因涂料防腐性能引起的停產、停工都將帶來巨大的經濟損失。

除了海洋油氣開發工程,近年來隨著全球對低碳清潔能源的關注,各國均將目光投向了風力資源巨大的海上風力發電行業。我國有較長的海岸線,豐富的天然風能資源,雖然風電行業在海上的發展起步較晚,但海風資源以其穩定性和發電功率大的特點,發展日益迅速。近幾年來,我國也在上海、廣東等地沿海建成了多處海上風力發電廠。與海上石油平臺一樣,海上風力發電設施也受到海風、鹽霧、日曬、潮汐等因素的影響,防腐形勢十分嚴峻。

 

海工防腐涂裝特點及要求:

海工項目設施所處環境惡劣,所需防腐蝕技術相對復雜,需要按不同的防腐要求進行分解,從而有針對性地進行。其中防腐的難點在于海面以上的部位,主要受鹽霧、海氣和波浪飛濺的腐蝕,其通常是指涉及高水位向上1.5 m到低水位向下1 m之間的區域,在這個區域腐蝕速率高,是大氣區和全浸沒區的數倍,最大腐蝕區在平均海水高潮位以上0.5 m左右。

造成嚴重腐蝕的原因主要有3個:(1)大氣因素:日照輻射,干濕交替;(2)海水因素:溫度變化,且海水富含氯離子;(3)潮汐因素:不間斷的海水沖刷。

同時,這個區域的施工環境惡劣,維修難度高,對涂層技術性能、施工性能要求極高,通常要滿足以下幾個要求:(1)能帶濕、帶銹涂裝,能在低表面處理的底材上有良好的附著力;(2)能在水下施工,水下固化;(3)固化時間短;(4)施工方式可選擇噴涂或刮涂等;(5)能有長效的防腐能力;(6)機械性能優異。



 

海工防腐相關標準

目前,就固定式平臺、自升式平臺、輔助設施及鉆井船等簡單海工設施,國內設計院已具備自主設計能力。FPSO、FLNG、大型半潛平臺等未來將大力發展的中大型海工設施,國內設計院尚無法自主設計,FEED設計階段通常由國外設計公司負責,詳細設計階段再由國內設計院如708所,海工設計部等負責,所以海工項目的涂裝配套設計非常復雜。

在海工項目建設中,國內石油石化設計院所設計的配套多參考石油石化標準,面對國內業主參考的標準主要有:(1)SY/T 4091—2018灘海石油工程外防腐技術規范;(2)SY/T 6930—2012海上構筑物的保護涂層腐蝕控制;(3) GB/T 30790—2014色漆和清漆防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護。

國外海工設計院所設計的配套通常會將船用標準和海工標準并用,通常包括ISO12944、ISO 20340、NORSOK M501、NACE SP0108等幾個標準。

海上風電行業,目前主要的設計院包括華東勘察設計研究院,廣東電力設計院,上??辈煸O計研究院等,也基本都會參考NorsokISO 20340標準推薦的涂層配套系統。

ISO20340—2009(GB/T31415)PERFORMANCE REQUIREMENTS FOR PROTECTIVE PAINT SYSTEMS FOR OFFSHOREAND RELATED STRUCTURES海洋工程及相關結構保護涂層系統的性能要求。其針對海洋工程腐蝕環境,規定了海上建筑及相關結構(即那些暴露于海洋大氣和浸于咸水或微咸水中的結構)所用防護涂料體系的性能要求,本標準也適用于其他采用符合本標準的涂料或防護涂料體系的建筑結構,定義了3種涂料性能測試方法:循環老化試驗、海水浸泡試驗和耐陰極剝離試驗。

ISO12944—2017(GB/T30790)Paintsandvarnishes-Corrosion protection of steel structures by protective paint systems色漆和清漆防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護。標準明確定義了各種腐蝕條件和環境類型,針對采用涂料體系和涂覆層來保護。其內容宗旨是為了獲得適當的、成功的鋼結構防腐蝕保護效果。ISO20340—2009修訂后編入最新版ISO12944—20149部分,根據暴露的環境可以在標準中合并C5-IC5-M,重新定義了離岸(CX)和浸沒(IM4)兩個區域,另外還有兩個綜合處于離岸(CX)和浸沒(IM4)之間的區域,就是浪濺區和潮汐區,并給出了一套資格認證試驗規范。

NORSOKM501—2012SURFACEPREPARATIONAND PROTECTIVE COATING海洋工程的表面處理和涂裝。NORSOK標準由挪威石油工業制訂,以確保其石油工業的發展和運行足夠安全、增值(附加價值)和資金的有效利用。該標準盡可能廣泛地代替石油公司的技術規格書并可作為官方規章之用。針對固定式或系泊式海上平臺在建造和安裝過程中所采用的防護涂層,就涂層材料的選擇、表面處理、施工工藝、涂層檢查提出了要求。標準涵蓋了油漆、金屬涂層和鋼結構防火涂層,測試方法采用了ISO 20340的方法。其中對于海工項目最重要的3個系統為:(1)適用于大氣區域外表面防腐;(2) 7A適用于浪濺區和潮差區防腐;(3) 7B適用于水下區防腐。

其全部需要經過第三方測試機構的預認證。分別采用ISO20340定義的3種涂料性能測試方法:循環老化試驗、海水浸泡試驗和耐陰極剝離試驗進行實驗,實驗完畢后還需要按照要求對涂層狀況、附著力、劃痕處銹蝕寬度等數據進行考察,是目前涂料界較為嚴苛的涂層測試要求。

NACESP0108—2008(SY/T6930)CORROSIONCONTROLOFFSHORESTRUCTURESBYPROTECTIVE COATINGS用涂料保護的方法控制海洋鋼結構的腐蝕。該標準中對飛濺區的涂料性能給出了驗收標準,推薦環氧玻璃鱗片涂料配套,其性能必須滿足:(1)抗腐蝕蔓延,耐濕熱循環:<3.5 mm(不含鋅粉底漆涂層系統);(2)邊緣成膜性良好;(3)耐熱,無開裂;(4)良好的柔韌性,沖擊強度>5.6J(50in·1b);

另外,常引用的一些海工防腐的評價標準還有:(1)NACE TM0104—2004海上平臺結構壓載水艙涂層體系評估;(2)NACE TM0204—2004海水浸沒(構件)外部防護涂層;(3)NACE TM0304—2004海上平臺結構大氣區和飛濺區涂層體系評估;(4)NACE TM0404—2004海上平臺結構大氣區和飛濺區涂層體系評估。



 

高性能環氧涂料———海工防腐的解決方案

防腐涂料在保障海工裝備的長期正常工作中尤為重要。突破研發技術和高成本瓶頸是海上工程設備防腐蝕新技術的當務之急。前面標準推薦的涂料系統,比如NorsokISO20340中所推薦的環氧、聚氨酯涂層體系,NACE SP0108中的環氧玻璃鱗片涂料在實際應用中有廣泛的案例。但傳統的涂層體系有其局限性比如干燥慢、不能厚涂、低溫、潮氣下的副反應較多、無法水下固化及水下施工、抗開裂性能差,尤其在高低溫循環的情況下更為嚴重。這些性能的缺失在海工防腐項目中帶來的問題也不少見,因此急需一種高性能的產品來適用更廣泛的環境。

同時,海上鉆井平臺的第一個建造高峰期是在20世紀70年代中期和80年代初,這批海上平臺的役齡基本上都超過了30 a,鑒于其使用年限通常為2030 a,未來幾年更新換代的需求比較大,將進入一個高峰期。另一方面,在役的平臺中有相當部分需要局部維修。據統計,中海油需要翻新的平臺就有50座以上,目前正以每年10座的速度進行維修。在如此惡劣的環境中進行有效維修是個難題。維修過程中需要克服幾個難點:(1)能夠在水下固化,局部區域甚至需要水下施工;(2)潮汐浪濺區域施工窗口時間短;(3)基材表面地表潮濕,能單道厚涂,減少施工周期。


 為了應對這些要求,在設計涂料配方時,不僅要考慮涂層的防腐性能,還要兼顧其施工性能。

 高性能環氧涂料的面世很好地解決了這些問題。海工防腐與船舶防腐一樣,都屬于海洋性腐蝕環境下防護。早期的海工防腐,都沿用了船舶防腐產品。尤其是船舶涂料中的壓載艙漆,包括現代船舶制造業中廣泛應用的通用底漆(universal primer)具有優異防腐性能,在海工防腐中得到了廣泛的應用。Norsok M501第五版中系統7(水下和浪濺區的防腐配套)也根據船舶的壓載艙和船底防腐的經驗推薦了配套方案。

對于海工飛濺區的防護,防腐專家們借鑒冰區航行船舶的成功經驗,將超強耐磨環氧、環氧玻璃鱗片涂料應用于飛濺區,取得了較好的效果。但由于維護/維修便利性的影響,海工防腐的要求要遠遠高于船舶防腐。所以一般的船舶涂料的防腐性能和施工性能還是不能達到前面提到的那些要求。自20世紀90年代開始,國際上的涂料公司開始陸續推出專門應用于海工防腐的高性能環氧涂料。

高性能環氧涂料配方采用了環氧互穿網絡增強技術,樹脂采用小相對分子質量環氧降低其體系黏度,同時配以特種胺固化劑增加漆膜的交聯密度,增加了其耐水、耐化學品性能。使用剛玉、玻璃鱗片等功能性填料,使其能夠得到優異的物理性能和抗開裂性能,最大限度地保護運輸、工作過程中的破壞,減少安裝現場修補工作量。加入特種助劑,可以增加漆膜的早期耐水性,防止漆膜施工后受到浪濺和海浪的侵襲。通常高性能環氧涂料產品應具有如下特性:(1)噴涂后30 min浸泡海水不影響防腐和附著性能,甚至可以水下施工;(2)快干性能優異;(3)附著力均在10MPa以上;(4)體積固體含量>80%,甚至可以達到98%100%,能滿足單道厚涂要求;(5)推薦單道涂層噴涂干膜2001 000μm,大大縮短了施工周期。

施工時可選擇多種噴涂模式,解決適用期問題,通過調節電子配比自動控制系統在線混合,施工效率高,一道施工干膜厚能達到6002 500μm,常溫干燥6 h,冬季隔夜即可搬運,快速的固化使得施工后能快速抵抗潮汐或海浪的侵襲。




高性能環氧涂料在海工行業的應用前景:

近年來,隨著我國對環保問題的日益重視,制定了很多嚴格的VOC管控措施及環保法規,我國也開始向著綠色、環保涂料的方向發展。前幾年起,國家開始對涂料企業征收4%的涂料消費稅,但對施工狀態下VOC含量≤420 g/L的涂料,可免征消費稅。GB/T 35602—2017《綠色產品評價涂料》,《低揮發性有機化合物含量涂料產品技術要求》等標準與規范也在編制實施。隨即,無溶劑厚膜環氧涂料推出,不僅符合、通過多地區不同標準(AS/NZS 3750.2,CFE,NORSOK system 7B)的要求,其突出的性能遠超世界范圍各公認標準要求。由于其獨特的施工特性,滿足水下修補、水下固化的要求,同時綠色環保,幾乎無溶劑排放,減少了VOC。目前高性能環氧涂料已得到業內廣泛認可,隨著我國海工的蓬勃發展,更環保的高性能環氧涂料必將得到更為廣泛的應用。

中國的海洋發展尚處于起步階段,現在我國正在加速推進海洋油氣的勘探和開發工作,因此迫切需要發展海工裝備的制造,其防腐技術的發展也是工作的重心。不僅僅是油氣項目,海上風電項目近年來也蓬勃發展,我國東部沿海地區,大力發展海上風電,不僅可以滿足東部用電需求,陸、海風電相結合,更會加快我國綠色發電的步伐。

海上風電發展到現在也有近10 a的歷史,現在逐步進入到維修期,高固含或無溶劑厚膜環氧涂料必定在海上風電維修項目中有很大的市場。高固含或無溶劑產品低VOC,符合低碳、綠色的理念,滿足了海洋工業長期或超長期的防腐要求,減少了設備的維護和運營成本,在海工行業的應用將是一個趨勢。

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