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鉆井平臺高壓管線的電弧噴涂防護研究

文檔作者：李宏偉趙衛(wèi)民2 劉存2 文檔來源： 1．上海外高橋造船有限公司 2．中國石油大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月24日
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第25卷第6期中國海洋平臺V01．25 No．6
2010年12月CHINA OFFSHORE PLATFoRM Dec．，2010
文章編號：1001-4500(2010)06—038—04
鉆井平臺高壓管線的電弧噴涂防護研究
李宏偉
(1．上海外高橋造船有限公司，上海
趙衛(wèi)民2，
200137；2．中國
劉存2
石油大學(xué)(華東)，東營257061)
摘要：為了提高深海鉆井平臺高壓管線在海洋大氣環(huán)境中的耐蝕性，以純鋁絲為噴涂材料，采用電弧噴
涂的方法在鋼基體上制備金屬涂層，隨后進行有機封孔處理，利用電化學(xué)阻抗譜測試結(jié)合鹽霧腐蝕試驗評價涂
層的耐蝕性能，并與三種海洋專用有機防護涂層進行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁涂層的界面反應(yīng)阻力雖然小于有機涂
層包覆鋼，但可有效阻止介質(zhì)向鋼基體的滲透。鋁涂層因具有陰極保護作用，在有機涂層因涂覆質(zhì)量或老化等
原因局部失效后，仍能使鋼基體得到完全保護。
關(guān)鍵詞：鋁；電弧噴涂；涂層；電化學(xué)阻抗譜；鹽霧腐蝕
中圖分類號：TGl74．4 文獻標識碼：A
Study on arc Spray Protective Coatings for
High—pressure Pipeline of Drilling Platform
LI Hong—weil，ZHA0 Wei—min2，LIU Cun2
(1．Shanghai Waigaoqiao Shipbuiding Co．，LTD，Shanghai 200137，China；
2．China University of Petroleum，Dongying 257061，China)
Abstract：In order to improve the corrosion resistance of high—pressure pipeline in deepsea
drilling，the paper analyses a kind of protective coating that aluminum wire，spraying ma—
terials，were sprayed to fl steel substrate by arc spray technique．And it is compared with
three kinds of marine-specific organic protective coatings by EIS．The results show that the a—
luminum coating can effectively prevent the corrosive medium from penetrating into the interface
between the coating and steel substrate，even when the surface organic coating failed．
Key words：aluminum；arc spray；coating；EIS
0 前言
半潛式鉆井平臺高壓管線系統(tǒng)長年遭受著海浪、臺風(fēng)、鹽霧、濕熱等侵蝕，因此需要研究長效可靠的防
腐方法以及防腐材料。針對處于海洋大氣區(qū)防腐的鋼結(jié)構(gòu)，常規(guī)的防護措施是有機涂層防護，許多世界知
名的涂料公司都開發(fā)了專用海洋防腐涂料。不過，有機涂層都或多或少存在一定的微孔，在日光、濕熱等環(huán)
境下會出現(xiàn)老化問題，有必要研究鋅、鋁及其合金等不老化金屬涂層在海洋大氣環(huán)境下的適用性。鑒于金
屬涂層腐蝕過程中存在“腐蝕使其失重”而“介質(zhì)沿孔隙滲入使其增重”的矛盾，單純采用常規(guī)的鹽霧腐蝕實
驗方法難以準確定量評價涂層的耐蝕性。本文采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試和鹽霧腐蝕相結(jié)合的方法，評
價封孔鋁涂層的界面反應(yīng)特征和耐蝕性能，并與幾種有機海洋涂料進行對比，借以研究電弧噴涂金屬涂層
在鉆井平臺高壓管線上的適用性，這對于提高鉆井平臺的安全性和降低其維護成本具有重要的現(xiàn)實意義。
收稿日期：2010—09一08
作者簡介：李宏偉(1964一)，男，高級工程師。
萬方數(shù)據(jù)
第6期李宏偉等鉆井平臺高壓管線的電弧噴涂防護研究
1 實驗材料和方法
1．1涂層制備
基體材料選用尺寸規(guī)格為100 mm×65 minx 3 mm的鋼板，根據(jù)GB9271和GB／T 11373[1~幻進行表面
預(yù)處理。
噴涂鋁涂層采用直徑42 mm的純鋁絲(純度不低于99．7％)，按GB／T9793[33要求，利用國產(chǎn)CMD—
AS一1620型半自動電弧噴涂設(shè)備，噴涂工藝參數(shù)為：電壓32 V，電流150 A，噴涂距離150 mm。鋁噴涂層
厚度為150肛m，隨后采用有機涂料進行封孔。
選用專用海洋防腐涂料制備有機涂層，對比評價封孔鋁涂層的耐蝕性能，研究封孔鋁涂層取代純有機
涂層的可能性。為了反映實驗規(guī)律的普遍性，制備了三種有機涂層，分別命名為1、2、3號。按照GB 1765[41
進行手涂，底漆和面漆厚度分別為50肛m和150弘m。
1．2腐蝕試驗
采用電化學(xué)阻抗譜研究涂層的腐蝕行為。EIS譜測量采用Perkin—Elmer公司生產(chǎn)的M283恒電位／恒
電流儀與M1025頻率響應(yīng)儀，配合PowerSuite、ZsimpWin Version 3．10軟件進行數(shù)據(jù)采集和圖譜分析。腐
蝕電池應(yīng)用K0235平板電池，被測試樣做工作電極，暴露面積為1 am2，輔助電極為鉑電極，參比電極用飽和
甘汞電極(SCE)。腐蝕介質(zhì)為3．5％NaCl水溶液，用恒溫水浴控制在30土1℃。EIS測定在開路自腐蝕電
位下進行，激勵電壓信號振幅取10 mV，測試的頻率范圍100kHz～5 mHz。
鹽霧試驗是評價材料抗海洋大氣環(huán)境腐蝕最經(jīng)典、使用最普遍的試驗方法，它是將試樣暴露在含有一
定濃度的食鹽水霧的氣氛中，對試樣的耐蝕性進行測定的方法。根據(jù)GB／T1771[5]，將涂層試樣置于YWX
--075鹽霧箱中，在35±2℃下用50±10 g／L中性NaCI水溶液(pH 6．5～7．2)噴霧腐蝕，定期檢查試樣的
起泡、銹蝕及其蔓延程度，利用精度為±0．1 mg的電子天平測量腐蝕前后試樣的質(zhì)量變化。
2 實驗結(jié)果和分析
2．1涂層耐蝕性的電化學(xué)阻抗譜研究
電化學(xué)阻抗譜是研究電極界面電化學(xué)特性、揭示腐蝕機理的有效手段。圖1(a)和圖1(b)分別為封孔鋁
涂層在3．5％NaCI水溶液中電位穩(wěn)定后的Nyquist圖和Bode圖，綜合觀察發(fā)現(xiàn)封孔鋁涂層腐蝕體系存在兩
個反應(yīng)界面，高頻界面反映宏觀腐蝕行為，低頻界面反映局部腐蝕行為。分析涂層結(jié)構(gòu)和腐蝕過程，可以認
為出現(xiàn)的兩個反應(yīng)界面，一個是“有機涂層／介質(zhì)”界面(高頻)，一個是介質(zhì)通過有機涂層微孔滲入鋁涂層產(chǎn)
生的“鋁涂層／介質(zhì)”界面[6](低頻)。沒有出現(xiàn)第三個反應(yīng)界面，說明介質(zhì)沒有滲透到達鋼基體引發(fā)鋼基體腐
蝕。對比分析1號有機涂層包覆鋼在3．5％NaCI水溶液中的電化學(xué)阻抗譜，結(jié)果如圖2(a)和圖2(b)所示，
可以看出有機涂層腐蝕體系也存在兩個反應(yīng)界面。由于有機涂層向內(nèi)就是鋼基體，因此高頻區(qū)反映的是
“有機涂層／介質(zhì)”界面，而低頻區(qū)反映“鋼基體／介質(zhì)”界面。這種情況是可以理解的，因為盡管有機涂層通
常被認為是一種隔絕層，但水溶液總能通過涂層的溶漲和有機溶劑因揮發(fā)而在涂層表面留下的微孔向涂層
內(nèi)滲水，當(dāng)介質(zhì)滲透到達鋼基體表面時就會引發(fā)鋼基體的腐蝕。很明顯，封孔鋁涂層可有效阻止腐蝕介質(zhì)
向鋼基體的滲透，并通過自身腐蝕保護內(nèi)部的鋼基體；而有機涂層則只能起到機械隔離的作用，一旦介質(zhì)滲
入則腐蝕的是鋼基體。
利用某些電工元件組成的電路來模擬等效發(fā)生在電極／溶液界面上的現(xiàn)象，稱為電化學(xué)等效電路，是電
化學(xué)測量中的一種研究手段。根據(jù)圖1封孔鋁涂層腐蝕體系電化學(xué)阻抗譜的特點和界面反應(yīng)分析結(jié)果，用
圖3(a)所示的等效電路對圖1的EIS譜圖進行擬合，可定量評價涂層的耐蝕性。一個電化學(xué)界面通常由一
個電容和一個電阻并聯(lián)表示。圖3(a)中，R。表示溶液電阻，Q。為有機涂層表面常相位角元件(漏電電容)，R。
為有機涂層中的微孔電阻，Qz為微孔內(nèi)“金屬涂層／溶液”界面雙電層常相位角元件，R。為人們最為關(guān)心的金
屬涂層腐蝕反應(yīng)的電荷傳遞電阻。R。的值反映涂層金屬的界面反應(yīng)阻力，數(shù)值越大耐蝕性越好。利用圖1
萬方數(shù)據(jù)
中國海洋平臺第25卷第6期
(c)對阻抗譜進行擬合，可獲得各元器件的參數(shù)，其中R。的阻值為9 157 n。同樣，利用圖3(b)的等效電路對
圖2所示的EIS譜進行擬合，其中R。代表溶液電阻，Q。為有機涂層表面常相位角元件，R：代表微孔內(nèi)ca cti，
O為孔隙中的有限擴散元件，Q2為鋼基體界面雙電層常相位角元件，R。代表鋼基體界面反應(yīng)轉(zhuǎn)移電阻。擬
合結(jié)果，1號有機涂層腐蝕體系R。為1．39×104n。有機涂層包覆鋼的界面反應(yīng)電阻大于封孔鋁涂層，說明
在一定時間內(nèi)的有機涂層仍具有較好的防護效果。
‰／O甜
(a)Nyquist圖
圖1封孔鋁涂層的EIS譜圖
Q．
屯皂
}
N
z．／O·crn2
(a)Nyquist圖
圖2 1號有機涂層的EIS譜圖及等效電路模型
(a)封孔鋁涂層(b)l號有機涂層
圖3涂層腐蝕體系的等效電路模型
善
蚤
營
總之，封孑L鋁涂層的腐蝕速率大于有機涂層包覆鋼的腐蝕速率。不過EIS圖譜分析表明，鋁涂層包覆
鋼腐蝕的是鋁涂層，而有機涂層包覆鋼腐蝕的是鋼基體。
2．2涂層的鹽霧腐蝕
進行封孔鋁涂層和三種有機涂層的鹽霧腐蝕試驗，宏觀觀察涂層的表觀形貌變化。可以發(fā)現(xiàn)，在鹽霧
腐蝕的前14天，封孔鋁涂層及有機涂層都未產(chǎn)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，而同時掛入的鋼樣則銹蝕嚴重。由此得
萬方數(shù)據(jù)
第6期李宏偉等鉆井平臺高壓管線的電弧噴涂防護研究·41 ·
出結(jié)論，封孔鋁涂層以及有機涂層。都可明顯提高鋼的耐蝕性能。掛片30天，有機涂層仍未發(fā)生明顯變化，
三塊封孔鋁涂層中一塊的掛孔周圍開始產(chǎn)生小鼓包，這是由于圓孑L附近噴涂層太薄所致，同時也說明高質(zhì)
量有機涂層的耐鹽霧腐蝕性能要優(yōu)于封孔鋁。掛片44天后，出現(xiàn)鼓包的封孔鋁涂層掛孑L周圍鼓包漸多，而
部分有機涂層掛孑L處由于涂敷質(zhì)量較差而開始出現(xiàn)紅銹。表l是鹽霧腐蝕44天前后各種涂層的質(zhì)量變化
分析結(jié)果。從表1可以看出，三種有機涂層的質(zhì)量變化明顯小于封孔鋁涂層，說明此實驗階段內(nèi)有機涂層的
腐蝕速率小于封孔鋁涂層，這與EIS譜測試分析的界面反應(yīng)電阻的結(jié)果是一致的。
表1 鹽霧腐蝕前后試樣質(zhì)量變化
繼續(xù)進行鹽霧腐蝕實驗，6個月后，各涂層的表觀形貌見圖4?？梢钥闯?，在試樣存在形狀突變的區(qū)域，
如試樣邊緣和掛孑L周圍，有機涂層失效最為嚴重，且1號和3號腐蝕部位存在由邊緣部位向中間擴展的趨
勢。有機涂層中2號涂層的抗鹽霧腐蝕性能最好。封孔鋁涂層表面光亮，局部有少許變白區(qū)域，為鋁涂層腐
蝕的結(jié)果，不存在鐵的黃色腐蝕產(chǎn)物，說明長期鹽霧腐蝕情況下封孑L鋁涂層的效果優(yōu)于有機涂層。
(a)封孔鋁(b)l號涂層(c)2號珠層(d) 3號抹層
圖4六個月后各涂層腐蝕形貌
3 結(jié)語
(1)鋁涂層的界面反應(yīng)阻力雖然小于有機涂層包覆鋼，但可有效阻止鋼基體的腐蝕。
(2)鋁涂層因具有陰極保護作用，在有機涂層因涂覆質(zhì)量或老化等原因局部失效后，仍能使鋼基體得到
完全保護。
(3)封孔鋁涂層是更為優(yōu)良的長效防腐蝕涂層。
參考文獻
[1]GB／T 9271—2008，色漆和清漆標準試板Es7．
E23 GB／T 11373—1989，熱噴涂金屬件表面預(yù)處理通則[s]．
[33 GB／T 9793—1997．金屬和其他無機覆蓋層熱噴涂鋅、鋁及其合金Es3．
[4]GB 1765—79，測定耐濕熱、耐鹽霧、耐候性(人工加速)的漆膜制備法Es3．
[5]GB／T 1771—2007，色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定[s]．
[6]曹楚南，張鑒清．電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論[M]．北京：科學(xué)出版社，2002．

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