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化工防腐技术

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水下生产设施涂装防腐技术

  水下生产设施表面涂层服役面临海水浸泡、高压、低温、冲击、难维护的腐蚀环境以及与阴极保护联合防腐的特点, 作为开发油气资源的关键设施, 其腐蚀防护性能要求极为严格。文章从表面处理和涂装两方面对水下生产设施涂装防腐技术要点进行了分析及探讨。

  SSPC表面清洁度标准在海洋工程中采用较多的是SSPC-SP5 (出白金属喷砂清理) [3]和SSPC SP10 (近出白金属喷砂清理) 。SSPC-SP5是喷砂清理标准的最高级别, 要求处理过的表面在没有使用放大镜查看时没有污迹, 喷砂至白金属色。SSPC-SP10要求处理的表面上每个单位面积 (约80mm×80 mm) 上的污迹不得超过5%, 允许有微量的残留物、锈蚀污点、氧化皮污点、以前施工过的涂层的污点引起的轻微痕迹或细微变色。

  设计者通常认为SSPC-SP5处理的表面高于SSPC-SP10, 在腐蚀防护要求较高或特殊涂层优先采用SSPC-SP5。实际水下生产设施项目中SSPC-SP10处理标准采用的较多。国际知名水下工程制造承包商GE石油天然气 (GE Oil&Gas) 、德西尼布 (Technip) 、卡麦隆 (Cameron) 等公司指导规格书通常采用SSPC-SP10, 在莫桑比克油气田水下、南海番禺油气田水下等项目中均有应用。沃利帕森斯集团 (Worley Parsons) 公司规格书设计曾采用SSPC-SP5, 在我国荔湾气田开发中应用。

  笔者认为当金属表面喷砂至SSPC-SP5时, 为追求一致的白金属表面, 钢表面通常会被过度喷砂, 底材内部完整性降低。大量的磨料连续冲击可能会降低底材对于锚点的内聚强度, 可能导致锚点内聚强度低于涂层, 基体内发生失效。NORSOK M-501标准 (表面处理和防护涂层) 浸水结构物推荐对于清洁度为SSPC-SP10, 相关实践经验表明, SSPC-SP10可满足水下生产设施涂装需求。如果设计规格书要求喷砂至SSPC-SP5, 建议涂装检验员喷砂检验应结合钢材类型和喷砂磨料, 对于热影响区、焊接区域、热处理区域等应允许偏差, 不应要求达到与正常区域一致的处理效果。

  水下生产设施碳钢表面设计喷砂粗糙度通常采用50μm~85μm, 按标准ASTM D 4417 (喷砂清理钢表面轮廓现场测量的标准试验方法) 测量。与涂层接触的表面积越大附着力越好, 增大表面积方法之一是增加粗糙度。但是一个给定的峰值, 随着高度的增加后斜率峰值增加, 底部波谷将变窄, 可能导致颜料尺寸不能通过山谷到达底部。制造商尝试了许多涂层和表面轮廓的组合, 适用于大部分涂层完全润湿喷砂表面的粗糙度为65μm。如果粗糙度太大不仅增加涂料的消耗量, 而且使波峰处涂层膜厚不足。

  国外有研究认为喷砂表面锚纹波峰数量同样影响涂层附着力。波峰越多表面积越大, 但是同样存在波峰数量增多后底部变窄影响颜料通过的问题。研究认为粗糙度65μm时每平方厘米波峰数量50~60是涂料润湿和涂层附着的最佳条件[7]。目前国内外标准对于波峰数量尚无要求。

  钢结构喷砂常用的金属磨料是钢丸、钢砂、钢砂和钢丸混合物等。如图1所示, 钢丸是圆的, 近似球形, 钢丸喷砂后的钢材表面呈波浪形, 它对于氧化皮和较严重的层锈较为有效。钢砂带有棱角, 边缘锋利, 钢砂喷砂后钢材表面形成波峰、波谷明显的外形, 它可以增加钢材与底漆的咬合力。

  GE Oil&Gas、Technip、Cameron、中国海油等公司在水下生产设施喷砂均设计采用钢砂作为喷砂磨料, 不允许使用钢丸、钢丸/钢砂混合物。这是因为同样处理面积中钢砂产生的波峰数量多于钢丸, 可增加钢材与涂料接触面积, 并且波峰和波谷明显的外形可以使涂层受到的拉伸应力转化为更多的剪切应力, 增强涂层的附着力。钢砂对于设备的磨损较大, 并且在作业过程中棱角逐渐磨圆, 因此水下生产设施采用钢砂喷砂导致成本会较高。

  喷砂后表面的灰尘杂质可能来源于破损的磨料、灰尘等, 这些杂质通过物理、静电、磁性等方法吸附在喷砂表面。灰尘首先会产生附着力问题, 其次它的存在会使涂层浸水后发生起泡。通常采用标准ISO 8502-3 (涂漆钢板表面的灰尘评估—压敏胶带法) 对表面杂质进行评估。水下生产设施灰尘清洁度的接受程度要求最大为2级, 即正常或校正视力下刚刚可见直径为50~100μm的颗粒且粒子数量和分布符合标准比对要求。

  工程实践发现, 表面清洁度与磨料的品质密切相关。为保证喷砂清洁度, 磨料必须无油、无灰尘。现场测试中优质的高硬度棱角钢砂, 清理速度快, 可显着降低表面灰尘度。劣质的钢砂容易破碎, 碎片嵌入或者吸附于底材很难清除。喷砂工序结束后可增加吹扫、吸尘等工序亦能降低表面的灰尘数量。

  金属基材上的可溶性盐会增加水分子的渗透压, 可能导致涂层起泡失效。可溶性盐不仅影响涂层的附着力, 同时还可能在涂层寿命后期引起涂层起泡。水下生产设施长期浸没在海水环境, NORSOK M-501标准要求其表面可溶性盐分控制在20mg/m2以下。影响钢材表面盐含量的因素包括表面状态、储存条件、环境因素、喷砂工艺、喷砂磨料等。经现场测试和工程实践发现磨料本身盐含量对喷砂后底材的盐含量影响较大。水下生产设施设计规格书通常要求磨料携带可溶盐测量值低于250μs/cm, 测量标准ASTM D4940 (用电导法分析喷砂磨料的水溶离子污染的试验方法) [10]。经工程试验250μs/cm可达到的盐分值约50mg/m2。欲实现20 mg/m2的目标, 喷砂磨料电导率宜控制在170μs/cm以下[11]。

  水下生产设施涂装位置应包括所用碳钢表面和不锈钢表面。不锈钢表面需要涂装的原因一是为了腐蚀保护, 另一方面是为了避免消耗阳极。为增加设施与海泥之间的摩擦力, 防尘板底部也可不作涂装。

  水下生产设施在其服役期间很难进行涂层的修复, 涂层系统的设计必须最大限度地减少安全风险。浸泡在海水环境中的涂层失效的因素来自于物理破坏、涂层老化以及阴极保护而产生的阴极剥离等。为确保涂层系统的可靠性, 水下生产设施所用的涂层系统必需满足NORSOK M-501SYSTEM 7认证。NORSOK M-501 SYSTEM 7认证通过海水浸泡、阴极剥离等试验手段对涂层系统进行有效的评估。

  表一般低温工况下主要采用耐磨环氧或者玻璃鳞片环氧, 较高温度下采用酚醛环氧类产品, 最低膜厚控制在350μm。水下生产设施面漆颜色一般采用黄色, 吊点、ROV操作位置等用橘黄色标识。

  喷砂表面具有一致轮廓高度, 涂层将在轮廓上均匀地分散, 从而更均匀地分布涂层内应力, 导致较少的开裂和改善的粘合剂特性。涂层的修复位置如需要重新喷砂或打磨势必将破坏原有表面, 在与原涂层搭接处可能导致腐蚀风险。因此, 水下生产设施建造工艺应进行优化安排, 尽量按整体涂装或者模块化涂装以减少后期涂层的修复。

  涂层修复方式用的较多的是动力工具打磨, SSPC用来指导动力工具清理过程的标准是SSPC-SP3 (动力工具清理) 和SSPC-SP11 (动力工具清理至裸露金属) 。SSPC-SP3要求动力工具清理除所有疏松的氧化皮、锈蚀、油漆和其它疏松的有害杂质。SSPC-SP11要求动力工具清理产生一个裸露的金属表面并保留或产生一个粗糙度。常规钢丝刷按SSPC-SP3清理时, 在表面上因为过度的磨光会产生一个抛光的表面, 为涂料提供了一个很差的表面粗糙度。

  该打磨工具通过钢丝的冲击可实现SSPC-SP11处理, 其专利技术可在清洁表面的同时产生粗糙的表面锚纹深度, 可产生与喷砂处理SSPC-SP10相类似的清洁度和粗糙度。为确保涂层修复处的效果和可靠性, 水下生产设施表面修复动力工具打磨应按SSPC-SP11。

  海洋石油开发是我国石油勘探开发的重要组成部分, 水下生产设施是是深海油气田开发的核心装备之一, 涂层保护在全球油气田开发中已得到广泛应用。影响涂装质量因素是多方面的, 在逐步实现水下设施国产化进程中需不断学习世界的先进理念和做法, 加强涂装防腐技术要点控制, 保证其寿命期内防腐的可靠性和免维护的预期。

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