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首頁  船舶材料 深度解析海洋防腐塗料應用技術現狀及發展/海洋重防腐塗料標準 |
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深度解析海洋防腐塗料應用技術現狀及發展/海洋重防腐塗料標準
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海洋防腐蝕是海洋工程的關鍵技術之一，金屬在海洋中腐蝕導致的應力腐蝕斷裂（SCC）、氫脆（HE）、腐蝕疲勞（CF）、晶間腐蝕（IC）等會使海工鋼結構發生突然斷裂，導致海洋環境生態災難，造成巨大損失。此外，海工產品防腐塗層的提前失效和塗層維修帶來的停工損失也相當大。因此，必須採取合適的防腐蝕技術予以解決。
近年來國內外對海洋腐蝕與防護日趨重視，雖然各種耐海水腐蝕材料不斷推出，各種防腐蝕施工技術也大有發展，但仍遠不能滿足實際需求。我國對海洋工程結構設施的防腐蝕研究與國外發達國家有明顯的差距，一些關鍵技術尚未解決，沒有形成具有我國自主智慧財產權的技術，而且缺少相應的防腐規範和標準，這些都嚴重影響了海洋工程結構的設計、建造和安全運行。因此，針對我國重點海域和重大海洋工程所面臨的共性和關鍵防腐蝕問題，開展海洋工程結構設施的長效防腐蝕關鍵技術研究，不但可以防止腐蝕發生，避免或減少後期服役的維修、維護費用和因維修造成的經濟損失，減少重大惡性事故的發生，而且能夠使海工設施的安全性大大提高，具有重大意義。
1.海洋防腐塗料的要求
海洋防腐塗料是指在海洋環境中使用的防腐蝕塗料。由於海洋環境非常嚴酷且具有強腐蝕性，因此，海洋防腐蝕是我國海洋工程發展中急需認真研究的課題。
按防腐物件材質和腐蝕機理，海洋防腐塗料可分為海洋鋼結構防腐塗料和非鋼結構防腐塗料。海洋鋼結構防腐塗料主要指運輸船舶、集裝箱、海上橋樑、港口機械、輸油管線、海上採油平臺等大型設施的防腐塗料，非鋼結構海洋防腐塗料主要指海洋混凝土構造物防腐塗料。海洋防腐塗料主要有無機富鋅、有機富鋅、有機矽、環氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳、聚矽氧烷類塗料，可根據不同海洋環境腐蝕特點和防腐年限選用不同的塗料和塗層體系。
海洋防腐塗料一般要求具有如下性能：①具有良好的物理性能。對腐蝕介質抗滲性好，對鋼材表面附著力好；②具有良好的力學性能。耐海水沖刷、耐海冰碰撞、耐船舶停靠的磨損；③具有優異的化學性能。耐海水、耐鹽霧、耐油、耐化學品、耐紫外線等的侵蝕；④與電化學保護系統相容性好。飛濺區和全浸區塗料要具有耐陰極剝離性；⑤具有良好施工性能。可在各種環境條件下對不同結構進行高品質塗裝施工；⑥符合健康、環保、安全的要求。要求塗料固含量高，揮發性有機化合物（VOC）含量符合國家或國際標準要求；⑦其他特殊要求。如：淡水艙塗料要求無毒性並符合國家衛生認證要求；用於不銹鋼表面的塗層中可濾去氯含量不能超過200mg/kg，塗層中不含鋅；船舶壓載艙塗料要符合國際海事局（IMO）《船舶壓載艙保護塗層性能標準》的要求；船舶水線以下部位塗料要求防止海生物附著等。
常用的海洋重防腐塗料主要相關國際標準有：①ISO12944防護塗料體系對鋼結構的腐蝕防護；②NORSOKM501表面處理和保護塗料；③ISO20340近海及相關結構防護塗層體系的性能要求；④NACESPO108防護塗層對近海結構的腐蝕控制；⑤IMO船舶壓載艙保護塗層性能標準（PSPC）。
海洋防腐塗料及其塗層配套通常要滿足ISO12944、NORSOKM501、NACESPO108和ISO20340相關防腐標準的要求。一般都要預先通過嚴格的腐蝕試驗和認證，試驗項目主要有：①耐鹽霧（鹽水）試驗4000h;②耐陰極剝離試驗；③耐濕熱試驗4000h;④迴圈腐蝕試驗4200h[1-4]。
2.海洋防腐塗料研發重點
海洋防腐塗料的研發具有科技含量高、研製週期長、投資大、技術難度高且風險大，國外海洋防腐塗料研發主要集中在實力雄厚的大公司或靠政府支持的部門。例如英國的IP、美國的PPG、丹麥的Hemple、挪威的Jotun及日本的關西塗料等幾家大公司均有上百年的相關塗料開發歷史，在塗料生產供應、品質監督、塗裝規範及塗裝現場管理等方面形成了一整套十分嚴格和嚴密的體系，目前這些公司的產品佔據了我國海洋防腐塗料的主要市場[5]。
我國海洋防腐塗料的生產主要集中在青島、上海、大連、天津、常州、廣州及廈門等幾家塗料企業，研究工作主要集中在中科院海洋研究所、中科院金屬腐蝕研究所、海洋化工研究院、中海油常州塗料研究院、中船725所等研究機構。近年來，雖然建立了“中國船舶工業船舶塗料廈門檢測站”、“海洋塗料產品品質監督中心”等品質管制監督機構，但整體技術水準仍落後于先進國家。
目前，國外海洋重防腐塗料的研發主要側重以下幾個方面。
2.1長壽命
由於越來越多的超大型鋼結構及所處海域特點不具備直接重塗或返岸施工的條件，因此要求開發具有超長使用壽命的海洋防腐塗料，最理想的是塗層使用壽命包括現場直接塗裝維修後的延續使用壽命等同於鋼結構設備的使用壽命，即塗層與設備同壽命設計，使用中只需進行少量維修，免重塗。比利時的塗膜鍍鋅屬於有機類高富鋅塗料，幹膜中的金屬鋅含量達96%，在挪威奧斯陸的沿海海洋大氣環境中，塗覆在鋼橋上120μm膜厚的單一鋅加塗層15a後實測每年的塗層平均損耗僅為1μm[6]。
無機富鋅塗料應用最為典型的成功案例是澳大利亞Morganwyalla長達250km的油管工程，其防腐採用了單層水性無機富鋅塗層，塗層歷經50餘年仍保持著良好狀態，無腐蝕發生。美國埃克森（EXXON）公司在硫球島建的煉油廠採用單層矽酸鋅防腐塗層，歷經15a後僅需小部分塗層修補，補後又經4a完好無鏽。
作為面漆，目前開發的氟碳塗料和聚矽氧烷塗料耐侯性已可達到15a以上，如日本旭硝子公司生產的三氟氯乙烯FEVE氟碳漆、大金公司生產的四氟乙烯FEVE氟碳漆、國際油漆公司生產的丙烯酸聚矽氧烷塗料interfine979及美國亞美隆公司生產的環氧聚矽氧烷塗料PSX700等等。
2.2低表面處理
由於塗裝前處理費用會占到總塗裝成本的60%，因此低表面處理塗料已成為防腐塗料的重要研究方向之一。
主要包括可帶鏽、帶濕塗裝的塗料，以及可直接塗覆在其他種類舊塗層表面的塗料。這類塗料主要是環氧類，它們具有在潮濕帶鏽鋼材表面上直接塗裝的功能，有超強的附著力，VOC含量＜340g/L，一次無氣噴塗膜厚可達200μm以上，施工性能優良。
2.3高固體分、無溶劑
體積固含量在70%以上為高固體分塗料，固含量為100%的為無溶劑塗料。由於少用甚至不用有機溶劑，從而使高固體分塗料可減少VOC的排放，符合環保要求，且一次施工即可獲得所需膜厚，因此減少了施工道數，節省了重塗時間，提高了工作效率。由於無溶劑揮發降低了塗層的孔隙率，從而提高了塗層的抗滲能力和耐腐蝕能力。
2.4水性化
塗料水性化是塗料研發的另一個重要方面。其VOC含量低，對節能減排、發展低碳經濟、保護環境及可持續發展都有重要意義。目前，水性塗料的研發主要在水性無機富鋅、水性環氧、水性丙烯酸、水性氟碳體系等領域。其中水性丙烯酸、水性環氧、水性無機富鋅塗料品種的工業化應用在一定程度上已取得成功。日本旭硝子公司研究出新型低VOC水性FEVE共聚物，以其製備的塗料的耐候性、耐水性、耐溶劑性及光澤均可與溶劑型氟碳漆媲美。
2008年3月，在由美國腐蝕工程師協會(NACE)舉辦的防腐研討會上，挪威Hydro石油能源公司對水性塗料按照NORSKOKM-501進行了測試和評估，其結果顯示了水性塗料在遠洋環境下對新建設施的塗裝和修補領域具有令人鼓舞的應用前景。
2.5環保新材料
環保型新材料主要是採用低毒、無毒的材料，如以複合磷酸鹽防銹顏料代替有毒、有污染的紅丹、鉻酸鹽等防銹顏料，嚴格控制顏料中鉛、鎘、鉻、汞、砷等重金屬的含量。
美國能源部布羅卡溫實驗室以穀物、螃蟹殼、龍蝦殼為原料研製出一種生物重防腐塗料，在適當的溫度條件下，該塗料變得堅固、光滑，能緊密粘附在鋁或其他金屬表面防止金屬的腐蝕。
2.6聚脲彈性體
聚脲塗層是近年來興起的無溶劑、無污染的高性能重防腐塗料，簡稱SPUA。SPUA為雙組分、100%固含量、對環境友好，其固化速度快，對濕度、溫度不敏感，且施工時不受環境濕度影響;固化後塗膜彈性及強度、耐侯性、熱穩定性優異，戶外長期使用不開裂、不脫落，對鋼鐵附著力好，具有優異的耐腐蝕性能。但SPUA對被塗基材的表面處理要求極為嚴格，鋼材要進行徹底的噴砂，處理後必須馬上塗裝。
美國和我國臺灣地區已將其應用在海工結構物的防腐蝕中，尤其是海上平臺鋼結構在飛濺區的塗裝。聚脲主要有芳香族聚脲、脂肪族聚脲和聚天門冬氨酸酯脂肪族聚脲。
3 海洋防腐塗料塗裝分析與建議
3.1塗料應用現狀及問題
目前，海洋工程上使用的防腐塗料大部分為國外跨國公司品牌的產品，國內塗料產品很少使用。不論在塗料產品品質方面，還是其品質控制機制方面，國內塗料產品與國外產品都有很大差距。究其原因主要是我國海洋防腐塗料發展時間短，不掌握核心技術，缺乏研究資金，研究人員的水準不高等因素所致，這些不足極大地制約了國產塗料進入國際海工市場，也削弱了國產品牌的競爭力。
基於海工產品的使用環境，對其必須採取防腐蝕保護措施，對離岸的海工產品防腐塗層而言，服役期內很難在海上進行修復或重塗，延長防腐塗層的耐久年限以及防腐塗層與海工產品使用壽命同步是海工防腐研究的最終目標。因此，研發在海洋環境中具有15a以上耐久年限的海洋重防腐塗料和塗裝技術，設計可在海洋環境中達到15～30a耐久年限的金屬塗層+有機塗層配套體系、多層有機或無機塗層配套體系，不僅是國家海洋開發戰略海工防腐蝕需要研究的重點，也是國家“十二?五”規劃中海工防腐塗裝技術工作的研究方向，而研製陰極保護效率高的底漆、遮罩效果好的中塗漆和耐候性好的面漆，以及與之適宜的塗層配套設計則是防腐蝕塗層配套體系的技術關鍵。
海洋防腐塗料目前主要用於防止暴露在海洋大氣中的構築物腐蝕，浸在海水中特別是深水區的海工構造物(如船舶和鑽井平臺)的水下部位、海底鋼管等也需要採用塗料防腐蝕。由於此區域的含氧量低，腐蝕程度相對較低，目前主要採用環氧塗料、環氧瀝青塗料、環氧玻璃鱗片塗料等，如需防止海生物附著，則採用環氧塗料+防汙塗料組合體系。對海底區而言，由於此區域的腐蝕程度最低，因此塗層主要採用環氧瀝青塗料。鋼質管道除採用液態環氧塗料外，還大量使用熔融環氧粉末塗料，由於檢修極其困難，通常要求其在不維修的條件下能正常使用20a以上。
應用於海水中的防腐塗料通常要求具有良好的耐海生物作用和化學穩定性，以保證塗層能夠防汙損和防腐蝕;具有良好的機械強度，以保證塗層能承受一定壓力和碰撞，保持塗層的完整性使其不開裂或脫落;對鋼管表面和混凝土應有良好的附著力;對外加陰極保護系統有良好的相容性，在使用陰極保護時塗層不剝離。
塗料防腐和塗料+電化學防腐蝕是目前海洋防腐的主要方法。相對於塗料的防腐性能而言，塗料在海水中的施工性能和可修復性更加重要，因此在塗層配套設計時通常建議設計成塗層壽命與被塗結構主體同壽命或可免維修。此外採用可在水中施工的防腐塗料也是目前努力發展的方向，國外已有多個公司開發出此類產品，它們通常是液態高固含量環氧類塗料。
船舶製造是海洋工程中使用海洋防腐塗料較多的行業，與此聯繫緊密的我國船舶防腐塗料塗裝技術也獲得了較快的發展，並達到了一定的水準，例如:塗裝工序已被列為船舶設計的重要內容之一;鋼材預處理工藝在船舶製造企業得到廣泛應用，建立了分段除鏽、噴塗車間，並配備了相應的自動、半自動除鏽和噴塗設備，制定了一系列除鏽和塗裝的技術標準;從業人員已經掌握了高性能塗料施工工藝和化學品/成品油船特種塗裝技術;電腦輔助塗裝設計和治理技術、區域塗裝技術已在大型船廠推廣。
塗裝新技術的應用使我國的塗裝技術水準、生產效率和塗裝品質大幅度提高，明顯縮短了與國外塗裝技術的差距，塗裝品質受到國內外船東的好評。但是，我國船舶塗裝技術與國外相比仍存在較大的差距，主要表現在以下幾個方面:
①船舶塗裝出產設計深度不夠，殼舾塗一體化的概念不強;
②船舶塗裝技術裝備的機械化、自動化程度不高，致使除鏽、塗裝指標偏高執行的現象較多;
③預處理品質和車間底漆性能有待改進;
④因其他工種施工造成塗膜損壞而進行多次塗裝問題十分突出，其中技術和人才缺乏則是阻礙塗料塗裝行業整體水準進步的重要原因之一。
3.2解決問題的思路
海洋工程防腐蝕涉及到國家海洋開發的戰略，因此希望能從國家層面由國家相關部門或行業組織牽頭組織有關單位、整合社會資源，就海洋防腐塗料和塗裝技術需要解決的關鍵難題開展協作攻關，並提供雄厚的資金支持。
建議加強以下方面的研究工作:
(1)加強基礎研究，提高防腐塗料產品水準。我國海洋防腐塗料要想上一個新臺階，則各相關機構、塗料生產企業應加強新產品的研製，關注高耐候性配套塗料體系的開發、高效低毒防腐塗料的開發及海洋防腐塗料環保化等。
(2)加強塗料塗裝工藝的研究。從塗料塗裝一體化出發重視塗料施工性能的研究，不斷優化和提升塗料產品的綜合性能，開發施工性能好適應性強的塗料，提高配套塗料體系的科學性與合理性，以適應不同海工產品的不同塗裝要求。通常塗料塗裝一體化由協力廠商來實施，即海工建造商將其所有塗裝生產全部外包給專業的塗裝工程企業———協力廠商，自己只負責監督和檢驗。目前，一些有實力的塗料公司和塗裝設備公司推出了BOT服務模式，即海工建造商的塗裝車間由塗料公司或塗裝設備公司投資建設，並負責生產管理，根據海工建造商的生產計畫進行塗裝生產，實現塗料塗裝一體化，最終提供的是合格的塗層而不是液態或粉狀的塗料，而海工建造商只需制定技術標準和驗收監督塗裝產品品質，依據塗裝品質和塗層面積進行結算。此模式這將成為塗料塗裝一體化的發展趨勢。
(3)改進海洋防腐塗料的防腐性能和施工性能，加強研製耐高溫燒蝕(＞800℃)的車間底漆，具有高固含量、低黏度特性且施工方便的無溶劑防腐塗料，性能更好的自幹或低溫烘乾水性無機富鋅底漆、水性丙烯酸、環氧防腐塗料和可一次性塗覆300～500μm的環氧厚漿塗料，可在水下進行塗裝施工的重防腐塗料，防腐蝕性能更好的單組分富鋅底漆和濕固化聚氨酯防腐塗料，防腐蝕性能和耐老化性能更好的無機或無機改性防腐塗料等。
(4)海工結構多數外形尺寸很大，目前塗裝施工大多在露天進行，手工噴塗是主要的塗裝方式，塗裝效率低、品質難以保證，因此機械化塗裝是其發展的主要方向。對港機、平臺、專用船舶等海工產品中數量較大、外形規範的管件、杆件、型鋼、箱梁可以採用拋丸、塗裝機械化生產線實施塗裝，可以極大提高生產效率、保證塗裝品質、縮短工期、保護環境。對外形相對簡單、數量較大的配套部件，可採用線上機器人塗裝或採用靜電噴塗。對塗裝效率較低的人工刷塗和輥塗，應研製能夠自動供漆的漆刷或漆輥來提高效率，國外已有類似的產品。
(5)加強專業人才培養。市場競爭歸根到底是人才的競爭和管理水準的競爭，我國防腐塗料及塗裝企業與國外同類企業相比較，最薄弱的環節就在於此。目前從事塗料塗裝技術工作的人員多數是從化工或機械專業轉換過來的，由於專業設置原因，專業從事金屬蝕防護的人員很少，因此知其然者多，知其所以然者少，缺乏既能夠進行塗料防腐研究又精通塗裝施工技術這樣知識結構全面的工程研究人員。國內培養金屬防腐蝕專業人才的院校屈指可數，不能滿足行業需求，需擴大人才培養規模。同時，塗裝施工人員為塗裝工藝的最終實施者，其技術素質的高低將直接影響到塗裝品質，甚至塗膜的防腐性能。目前在一線進行塗裝施工的人員大多是未經專業培訓的農民工，專業知識欠缺，因此培養合格的塗裝工人尤其是噴塗操作工，也是塗裝行業急待解決的問題。建議開展系統的社會和內部專業教育培訓，例如按塗裝工培訓大綱進行培訓，使其達到中級或高級塗裝工資質。此外，實行持證上崗也是提高施工人員素質和塗裝品質的重要途徑之一。
(6)塗裝檢驗是保證塗裝品質的最終環節，也是非常重要的環節，必須由具有專業資質的檢驗人員來實施。海工產品使用環境惡劣，對防腐蝕要求很高，通常海工產品和國際標準都要求實施塗層檢驗的人員必須受過NACE、SSPC、FROSIO塗層檢驗的相關培訓並取得相應職業資質，需要達到二級或三級才能進行此項工作。我國在此環節應引進國外相關培訓教材，按照國外標準培養專職塗裝檢驗人員，在海工防腐塗裝專案中實施塗裝檢驗資格認證制度，改進國內塗裝檢驗水準，提高海洋工程的塗裝品質。
參考文獻
ISO 12944 paints and varnishes corrosion protection of steel structures by protective paint systems［S］． Geneva: ISO，1998．
NORSOK M501 surface preparation and protective coating
NACE SP0108 corrosion control of offshore structures by protectivecoatings． Lexas: NACE International，2008．
ISO 20340 paints and varnishes performance requirements for protectivepaint systems for offshore and elated structures
海洋重防腐塗料標準
海洋環境是非常苛刻的腐蝕和汙損環境,因此腐蝕和汙損一直是海洋船舶所面臨的主要問題。腐蝕和汙損問題的發生會對船舶裝備的正常運行和使役性能造成嚴重影響。如腐蝕會造成船舶結構材料的強度降低或局部破損等,嚴重破壞船舶的完整性,影響安全性甚至造成嚴重的災難,顯著縮短裝備的服役壽命;而汙損則會造成船舶航行阻力增加,航速下降,嚴重影響其快速性、機動性和技術性能的發揮等。
常用的海洋重防腐塗料主要相關國際標準有：①ISO12944防護塗料體系對鋼結構的腐蝕防護;②NORSOKM501表面處理和保護塗料;③ISO20340近海及相關結構防護塗層體系的性能要求;④NACESPO108防護塗層對近海結構的腐蝕控制;⑤IMO船舶壓載艙保護塗層性能標準(PSPC)。
海洋防腐塗料及其塗層配套通常要滿足ISO12944、NORSOKM501、NACESPO108和ISO20340相關防腐標準的要求。一般都要預先通過嚴格的腐蝕試驗和認證，試驗項目主要有：①耐鹽霧(鹽水)試驗4000h;②耐陰極剝離試驗;③耐濕熱試驗4000h;④迴圈腐蝕試驗4200h。
海洋防腐塗料國際標準：ISO12944/NORSOK M501/ISO20340 http://www.fire-test.com/newscenter/regulation/13597.html
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