粉末滲鋅防腐在海上平臺上的應(yīng)用

張佃臣，杜溪婷，李茂林，趙曉亮，徐峰

粉末滲鋅防腐在海上平臺上的應(yīng)用

張佃臣，杜溪婷，李茂林，趙曉亮，徐峰

（海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451）

海上平臺各類結(jié)構(gòu)物長期暴露高鹽霧和高紫外線照射的惡劣的海洋大氣環(huán)境中，腐蝕環(huán)境極其惡劣，易發(fā)生外部腐蝕。由于鋅耐腐蝕、黏附力強、易涂敷并具有電化學(xué)保護等優(yōu)點，在海洋平臺上發(fā)揮著越來越重要的作用。對粉末滲鋅工藝的技術(shù)原理和特點進行了闡述分析，以供后續(xù)工程建設(shè)參考。

海上平臺；腐蝕；粉末滲鋅

海洋平臺所處的環(huán)境濕度較大、鹽分高，屬于鹽霧環(huán)境。這種惡劣的環(huán)境容易使鋼板產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，同時空氣中的鹽，甚至酸性物質(zhì)會加劇這種腐蝕的速度。海洋石油平臺各類生產(chǎn)設(shè)施受到各種腐蝕介質(zhì)的侵襲，發(fā)生不同程度的腐蝕，其使用壽命會大大降低。

由于鋅耐腐蝕、黏附力強、易涂敷并具有電化學(xué)保護等優(yōu)點，海洋平臺上廣泛采用其作為保護涂層。粉末滲鋅作為鋼鐵防腐領(lǐng)域較為有效地一種腐蝕防護措施，已經(jīng)在工程領(lǐng)域受到了越來越多的青睞。本文將對粉末滲鋅防腐的技術(shù)原理、工藝特點、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域進行了介紹，并對粉末滲鋅工藝的特點進行了比較分析，以供后續(xù)工程建設(shè)參考。

1 粉末滲鋅技術(shù)原理簡介

滲鋅工藝是把待處理的鋼鐵構(gòu)件先進行表面處理，然后與鋅粉、惰性沖擊介質(zhì)等充分混合，密封填充于不銹鋼容器中，然后將容器置于熱處理爐中，在旋轉(zhuǎn)容器中加熱到350～450 ℃，此時活性鋅原子則由表及里地向鋼鐵制件滲透，保溫一定的時間，然后隨爐冷卻到室溫。滲鋅工藝的原理是利用金屬原子的熱擴散作用，在構(gòu)件表面形成鋅鐵合金保護涂層。滲鋅處理后，通常對滲層進行磷化處理，使?jié)B鋅層表面形成一層保護膜，進一步提高滲鋅層的耐蝕性。

由于滲鋅層表面存在微小孔隙，如不進行處理，含鹽水汽進入孔隙后，由于氯離子的存在，在溶解質(zhì)環(huán)境下將會造成滲層及鋼材的腐蝕。粉末滲鋅熱擴散涂層必須進行鈍化后處理。因此，粉末滲鋅技術(shù)是一種需要包含滲鋅前處理、熱滲鋅以及滲鋅后處理等一系列完整工序的熱擴散涂層加工工藝流程。粉末滲鋅所用的滲鋅箱見圖1。

圖1 粉末滲鋅所用的滲鋅箱

粉末滲鋅與熱浸鍍鋅、電鍍鋅等涂層防腐技術(shù)相比，優(yōu)點如下：加工處理過程簡單、節(jié)約涂層材料以及對環(huán)境無污染等。粉末滲鋅處理后，鋅涂層和鋼材構(gòu)件基體結(jié)合的強度很高，具有良好的抗高溫氧化性、耐腐蝕性和抗磨損沖擊等特性，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用性能得到了大幅的提升，處理后的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以使用在各類強腐蝕環(huán)境中。粉末滲鋅涂層組織見圖2。

2 海上平臺的腐蝕環(huán)境

海上油田作為處于海洋大氣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物，鋼鐵構(gòu)件長期暴露于高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線的海洋大氣環(huán)境中，其工況極其惡劣，同時一些CO2、SO2、氯化物和硫酸鹽等成分沉積在結(jié)構(gòu)物表面，加速了結(jié)構(gòu)物的腐蝕。由于氯離子的侵蝕，鋼鐵表面會有氯離子的吸附，吸附氯離子會降低機體電極電位而加速鋼鐵腐蝕。因此，海洋平臺上的鋼結(jié)構(gòu)物的點蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕較為嚴重，鋼鐵表面保護性的致密銹層難以形成，因此腐蝕情況非常嚴重，使用壽命大大降低。

圖2 粉末滲鋅涂層組織

海上平臺常用標準ISO 12944—2將海洋大氣腐蝕環(huán)境劃分為C5-M等級, 濕性氣候下的典型環(huán)境為高鹽度的沿海和離岸地帶, 總是處于高濕高污染的建筑物或其他地方。海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)腐蝕見圖3。海洋平臺管道附件腐蝕見圖4。

圖3 海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)腐蝕

3 粉末滲鋅在海上平臺應(yīng)用前景

目前海洋平臺上支架、托架以及緊固件等的常規(guī)防腐方式主要是采用熱浸鍍鋅附加油漆涂層的方式，支架首先進行熱浸鍍鋅處理，然后進行油漆涂裝，安裝完成后對焊接造成的鋅層及涂層破壞部分進行局部修復(fù)補涂油漆。熱浸鍍鋅附加油漆涂層的方式為傳統(tǒng)做法，該做法防腐效果受熱浸鍍鋅質(zhì)量及油漆噴涂質(zhì)量的影響較大，由于熱浸鍍鋅的防腐形式以及支架的結(jié)構(gòu)尺寸，決定了油漆噴涂之前表面處理存在一定困難，焊接后被破壞區(qū)域處理較困難，邊角部位存在無法處理的情況，成為防腐薄弱點。另外，由于緊固件在熱浸鍍鋅過程中會析出一種無色有刺激性氣味的氣體—氯化氫；高溫鋅池表面產(chǎn)生的鋅蒸汽，在高溫下形成的氧化鋅煙霧可致金屬煙霧熱。因此熱浸鍍鋅的工作環(huán)境很差。當前，許多私營企業(yè)仍采用燃煤的反射加熱爐進行熱浸鍍鋅生產(chǎn)，向大氣中排放大量含有SO2、CO2、CO和粉塵的煙霧，造成嚴重的大氣污染。目前，在國內(nèi)熱浸鍍鋅已經(jīng)被逐漸取代。

圖4 海洋平臺管道附件腐蝕

在海洋平臺環(huán)境下，滲鋅層均具有良好的耐腐蝕性能。由于擴散冶金結(jié)合，滲鋅層與基體的結(jié)合強度明顯比較高，而在滲層中隨著鐵-鋅合金中鋅濃度的變化，使其性能也逐漸改變；鐵-鋅滲層是陽極覆蓋層，比被保護鋼鐵的電位負、且電位差值較低，因而在腐蝕介質(zhì)中具有更有效的保護作用。即使在滲層局部損壞的情況下，滲層與基體形成的電解偶也能有效保護基體金屬不腐蝕。另外，滲鋅層為致密的完全沒有空隙的冶金層，具有很高的硬度和抗磨損特性，這種均勻的滲層也會對基體性能起到良好的保護作用。螺母表面粉末滲鋅熱擴散涂層截面金相照片見圖5。

實驗及工程經(jīng)驗表明在合理的滲鋅工藝下，滲鋅層與基體之間為擴散冶金結(jié)合，因而具有良好的結(jié)合強度，在各種彎曲和沖擊載荷作用下，滲層不會起皺和脫落。滲鋅層為鐵-鋅合金，其硬度高，具有良好的耐磨損性。基于滲鋅的工藝過程，是在不停旋轉(zhuǎn)中金屬原子相互擴散，使鋅粉擴散滲透入鋼鐵零件表面，在旋轉(zhuǎn)過程中鋅粉與鋼鐵零件表面充分接觸，鋼鐵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式對此無影響，因而，非常適合于海上平臺復(fù)雜形狀鋼鐵構(gòu)件的加工處理。

圖5 螺母表面粉末滲鋅熱擴散涂層截面金相照片

圖6中的滲鋅件滲鋅厚度為120 μm，經(jīng)過1 000 h的鹽霧試驗后，從試驗結(jié)果看，滲鋅層基本無變化，僅出現(xiàn)少量白銹，由此可見滲鋅層能夠滿足鹽霧環(huán)境下耐腐蝕的需求。

圖6 滲鋅件在1 000 h鹽霧試驗效果

4 結(jié)束語

海上油田作為處于海洋大氣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物，鋼鐵構(gòu)件長期暴露于高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線的海洋大氣環(huán)境中，其工況極其惡劣，外部腐蝕情況十分嚴重。由于金屬鋅具有耐腐蝕性好、粘附性強、熔點低、易于涂覆等特點，因此使用金屬鋅作為涂層是應(yīng)用較為廣泛的一種防腐手段。粉末滲鋅在鋅表面形成的一層致密的ZnCO3·3Zn(OH)3保護膜，這種保護膜與滲層結(jié)合牢固并且是很難溶解的腐蝕產(chǎn)物，它阻擋了腐蝕劑與金屬的接觸，阻止了腐蝕的進一步發(fā)生。因而，粉末滲鋅層具有更高的耐腐蝕壽命，在海洋平臺防腐工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

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Application of Powder Zincification Anticorrosion on Offshore Platforms

（Offshore Oil Engineering Co., Ltd. Engineering Company, Tianjin 300451, China）

All kinds of offshore platform structures are exposed to the harsh marine atmospheric environment of high salt fog and high ultraviolet radiation for a long time, and the corrosion environment is extremely harsh, which is prone to external corrosion. Zinc plays an increasingly important role in offshore platforms due to its corrosion resistance, strong adhesion, easy coating and electrochemical protection. In this paper, the technical principle and characteristics of powder zincification process were expounded and analyzed, so as to provide reference for subsequent engineering construction.

Offshore platform; Corrosion; Powder zincification process

2021-06-01

張佃臣（1985-），男，山東省日照市人，高級工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運專業(yè)，從事海上平臺總體布置及管道技術(shù)工作。

TQ051

A

1004-0935（2021）12-1857-03