海洋工程重防腐涂料的要求及应用
引言
中国是海陆兼备的大国，对海洋的探索从未停止过，从最初的鱼盐之利，到初步的海权思想，再到近年来国家提出的发展海洋经济、创新海洋科技、保护海洋环境、建设海洋生态文明等一系列思路，对海洋的开发已经进入一个由浅入深的阶段。
海洋油气资源俨然是沿海开发的关键，沿海省市把海洋经济建设作为海洋经济发展的重要战略方向。其中，不仅有钻井平台，储运设施，石油和天然气管道，而且近年来还开发了石油加工船，即移动石化厂。我们通常定义水深0~300 m为浅水区、300~1 500 m为深水区、1 500~3 000 m为超深水区。海工设备的建造成本按照水深程度和离岸距离等情况不同而变动幅度巨大，维修、折旧和运营成本比陆地高得多，对防腐技术要求更高、更复杂，因为任何因涂料防腐性能引起的停产、停工都将带来巨大的经济损失。
除了海洋油气开发工程，近年来随着全球对低碳清洁能源的关注，各国均将目光投向了风力资源巨大的海上风力发电行业。我国有较长的海岸线，丰富的天然风能资源，虽然风电行业在海上的发展起步较晚，但海风资源以其稳定性和发电功率大的特点，发展日益迅速。近几年来，我国也在上海、广东等地沿海建成了多处海上风力发电厂。与海上石油平台一样，海上风力发电设施也受到海风、盐雾、日晒、潮汐等因素的影响，防腐形势十分严峻。
海工防腐涂装特点及要求
海工项目设施所处环境恶劣，所需防腐蚀技术相对复杂，需要按不同的防腐要求进行分解，从而有针对性地进行。其中防腐的难点在于海面以上的部位，主要受盐雾、海气和波浪飞溅的腐蚀，其通常是指涉及高水位向上1.5 m到低水位向下1 m之间的区域，在这个区域腐蚀速率高，是大气区和全浸没区的数倍，最大腐蚀区在平均海水高潮位以上0.5 m左右。
造成严重腐蚀的原因主要有3个：
（1）大气因素：日照辐射，干湿交替；（2）海水因素：温度变化，且海水富含氯离子；（3）潮汐因素：不间断的海水冲刷。
同时，这个区域的施工环境恶劣，维修难度高，对涂层技术性能、施工性能要求极高，通常要满足以下几个要求：
（1）能带湿、带锈涂装，能在低表面处理的底材上有良好的附着力；（2）能在水下施工，水下固化；（3）固化时间短；（4）施工方式可选择喷涂或刮涂等；（5）能有长效的防腐能力；（6）机械性能优异。
海工防腐相关标准
目前，就固定式平台、自升式平台、辅助设施及钻井船等简单海工设施，国内设计院已具备自主设计能力。FPSO、FLNG、大型半潜平台等未来将大力发展的中大型海工设施，国内设计院尚无法自主设计，FEED设计阶段通常由国外设计公司负责，详细设计阶段再由国内设计院如708所，海工设计部等负责，所以海工项目的涂装配套设计非常复杂。
在海工项目建设中，国内石油石化设计院所设计的配套多参考石油石化标准，面对国内业主参考的标准主要有：
（1）SY/T 4091-2018 滩海石油工程外防腐技术规范；（2）SY/T 6930-2012 海上构筑物的保护涂层腐蚀控制；（3） GB/T 30790-2014 色漆和清漆 防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护。
国外海工设计院所设计的配套通常会船用标准和海工标准并用，通常包括ISO12944、ISO 20340、NORSOK M501、NACE SP0108等几个标准。
海上风电行业，目前主要的设计院包括华东勘察设计研究院，广东电力设计院，上海勘察设计研究院等，也基本都会参考Norsok和ISO 20340标准推荐的涂层配套系统。
ISO 20340-2009（GB/T 31415）PERFORMANCE REQUIREMENTS FOR PROTECTIVE PAINT SYSTEMS FOR OFFSHORE AND RELATED STRUCTURES海洋工程及相关结构保护涂层系统的性能要求。其针对海洋工程腐蚀环境，规定了海上建筑及相关结构（即那些暴露于海洋大气和浸于咸水或微咸水中的结构）所用防护涂料体系的性能要求，本标准也适用于其他采用符合本标准的涂料或防护涂料体系的建筑结构，定义了3种涂料性能测试方法：循环老化试验、海水浸泡试验和耐阴极剥离试验。
ISO 12944-2017（GB/T 30790）Paints and varnishes - Corrosion protection of steel structures by protective paint systems色漆和清漆 防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护。标准明确定义了各种腐蚀条件和环境类型，针对采用涂料体系和涂覆层来保护。其内容宗旨是为了获得适当的、成功的钢结构防腐蚀保护效果。ISO20340-2009修订后编入最新版ISO12944-2014第9部分，根据暴露的环境可以在标准中合并C5-I 和C5-M，重新定义了离岸（CX）和浸没（IM4）两个区域，另外还有两个综合处于离岸（CX）和浸没（IM4）之间的区域，就是浪溅区和潮汐区，并给出了一套资格认证试验规范。
NORSOK M501-2012 SURFACE PREPARATION AND PROTECTIVE COATING海洋工程的表面处理和涂装。NORSOK标准由挪威石油工业制订，以确保其石油工业的发展和运行足够安全、增值（附加价值）和资金的有效利用。该标准尽可能广泛地代替石油公司的技术规格书并可作为官方规章之用。针对固定式或系泊式海上平台在建造和安装过程中所采用的防护涂层，就涂层材料的选择、表面处理、施工工艺、涂层检查提出了要求。
标准涵盖了油漆、金属涂层和钢结构防火涂层，测试方法采用了ISO 20340的方法。其中对于海工项目最重要的3个系统为：
（1） 适用于大气区域外表面防腐；（2） 7A适用于浪溅区和潮差区防腐；（3） 7B适用于水下区防腐。
其全部需要经过第三方测试机构的预认证。分别采用ISO20340定义的3种涂料性能测试方法：循环老化试验、海水浸泡试验和耐阴极剥离试验进行实验，实验完毕后还需要按照要求对涂层状况、附着力、划痕处锈蚀宽度等数据进行考察，是目前涂料界较为严苛的涂层测试要求。
NACE SP0108-2008 （SY/T6930）CORROSION CONTROL OF OFFSHORE STRUCTURES BY PROTECTIVE COATINGS用涂料保护的方法控制海洋钢结构的腐蚀。该标准中对飞溅区的涂料性能给出了验收标准，推荐环氧玻璃鳞片涂料配套，其性能必须满足：
（1）抗腐蚀蔓延，耐湿热循环：<3.5mm （不含锌粉底漆涂层系统）；（2）边缘成膜性良好；（3）耐热，无开裂；（4）良好的柔韧性，冲击强度> 5.6J（50in·1b）；（5）耐阴极剥离：<7.0mm。
另外，常引用的一些海工防腐的评价标准还有：
（1）NACE TM0104-2004 海上平台结构压载水舱涂层体系评估；（2）NACE TM0204-2004 海水浸没（构件）外部防护涂层；（3）NACE TM0304-2004 海上平台结构大气区和飞濺区涂层体系评估；（4）NACE TM0404-2004 海上平台结构大气区和飞濺区涂层体系评估。
高性能环氧涂料：海工防腐的解决方案
防腐涂料在保障海工装备的长期正常工作中尤为重要。突破研发技术和高成本瓶颈是海上工程设备防腐蚀新技术的当务之急。前面标准推荐的涂料系统，比如Norsok和ISO20340中所推荐的环氧、聚氨酯涂层体系，NACE SP0108中的环氧玻璃鳞片涂料在实际应用中有广泛的案例。
但传统的涂层体系有其局限性比如干燥慢、不能厚涂、低温、潮气下的副反应较多，无法水下固化及水下施工，抗开裂性能差，尤其在高低温循环的情况下更为严重。这些性能的缺失在海工防腐项目中带来的问题也不少见，急需一种高性能的产品来适用更广泛的环境。
同时，海上钻井平台的第一个建造高峰期是在20世纪70年代中期和80年代初，这批海上平台的役龄基本上都超过了30a，鉴于其使用年限通常为20~30a，未来几年更新换代的需求比较大，将进入一个高峰期。另一方面，在役的平台中有相当部分需要局部维修。据统计，中海油需要翻新的平台就有50座以上，目前正以每年10座的速度进行维修。在如此恶劣的环境中进行有效维修是个难题。
维修过程中需要克服几个难点：
（1）能够在水下固化，局部区域甚至需要水下施工；（2）潮汐浪溅区域施工窗口时间短；（3）基材表面地表潮湿，能单道厚涂，减少施工周期。
为了应对这些要求，在设计涂料配方时，不仅要考虑涂层的防腐性能，还要兼顾其施工性能。
高性能环氧涂料的面世很好地解决了这些问题。海工防腐与船舶防腐一样，都属于海洋性腐蚀环境下防护。早期的海工防腐，都沿用了船舶防腐产品。尤其是船舶涂料中的压载舱漆，包括现代船舶制造业中广泛应用的通用底漆（universal primer）具有优异防腐性能，在海工防腐中得到了广泛的应用。Norsok M501第五版中系统7（水下和浪溅区的防腐配套）也根据船舶的压载舱和船底防腐的经验推荐了配套方案。
对于海工飞溅区的防护，防腐专家们借鉴冰区航行船舶的成功经验，将超强耐磨环氧、环氧玻璃鳞片涂料应用于飞溅区，取得了较好的效果。但由于维护/维修便利性的影响，海工防腐的要求要远远高于船舶防腐。所以一般的船舶涂料的防腐性能和施工性能还是不能达到前面提到的那些要求。自20世纪90年代开始，国际上的涂料公司开始陆续推出专门应用于海工防腐的高性能环氧涂料。
高性能环氧涂料配方采用了环氧互穿网络增强技术，树脂采用小相对分子质量环氧降低其体系黏度，同时配以特种胺固化剂增加漆膜的交联密度，增加了其耐水、耐化学品性能。使用刚玉、玻璃鳞片等功能性填料，使其能够得到优异的物理性能和抗开裂性能，最大限度地保护运输、工作过程中的破坏，减少安装现场修补工作量。加入特种助剂，可以增加漆膜早期耐水性，防止漆膜施工后受到浪溅和海浪的侵袭。
通常高性能环氧涂料产品应具有如下特性：
（1）喷涂后30 min浸泡海水不影响防腐和附着性能，甚至可以水下施工 ；（2）快干性能优异；（3）附着力均在10MPa以上；（4）体积固体含量＞80%，甚至可以达到98%~100%，能满足单道厚涂要求；（5）推荐单道涂层喷涂干膜 200~1 000 ?m，大大缩短了施工周期。
施工时可选择多种喷涂模式，解决适用期问题，通过调节电子配比自动控制系统在线混合，施工效率高，一道施工干膜厚能达到600~2 500 ?m，常温干燥6 h，冬季隔夜即可搬运，快速的固化使得施工后能快速抵抗潮汐或海浪的侵袭。
高性能环氧涂料在海工行业的应用前景
近年来，随着我国对环保问题的日益重视，制定了很多严格的VOC管控措施及环保法规，我国也开始向着绿色、环保涂料的方向发展。2015年2月1日起，国家开始对涂料企业征收4%的涂料消费税，但对施工状态下VOC含量≤420 g/L的涂料，可免征消费税。GB/T 35602-2017《绿色产品评价涂料》，《低挥发性有机化合物含量涂料产品技术要求》等标准与规范也在编制实施。
随即，无溶剂厚膜环氧涂料推出，不仅符合、通过多地区不同标准（AS/NZS 3750.2, CFE, NORSOK system 7B）的要求，其突出的性能远超世界范围各公认标准要求。由于其独特的施工特性，满足水下修补、水下固化的要求，同时绿色环保，几乎无溶剂排放，减少了VOC。目前高性能环氧涂料已得到业内广泛认可，随着我国海工的蓬勃发展，更环保的高性能环氧涂料必将得到更为广泛的应用。
中国的海洋发展尚处于起步阶段，现在我国正在加速推进海洋油气的勘探和开发工作，因此迫切需要发展海工装备的制造，其防腐技术的发展也是工作的重心。不仅仅是油气项目，海上风电项目近年来也蓬勃发展，我国东部沿海地区，大力发展海上风电，不仅可以满足东部用电需求，陆、海风电相结合，更会加快我国绿色发电的步伐。海上风电发展到现在也有近10a的历史，现在逐步进入到维修期，高固含或无溶剂厚膜环氧涂料必定在海上风电维修项目中有很大的市场。高固含或无溶剂产品低VOC，符合低碳、绿色的理念，满足了海洋工业长期或超长期的防腐要求，减少了设备的维护和运营成本，在海工行业的应用将是一个趋势。