CN115541490A - 海洋环境固定式涂层老化监测探头及涂层寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋环境固定式涂层老化监测探头及涂层寿命预测方法，通过在海洋工程构筑物上固定原位涂层老化监测探头和非原位涂层老化监测探头测量钢结构表面涂层阻抗、电流、动电位极化曲线、电化学噪声图的变化来评价涂层的老化和损伤情况，预测涂层的失效趋势和剩余寿命。包括原位探头及非原位探头，原位探头适用于在役海洋工程，探头为点状电极，通过测量钢管桩本体涂层阻抗变化计算涂层老化系数。非原位探头适用于新建海洋工程或用于测试新涂装的涂层，其电极材质选用与钢结构一致的材质，在探头表面采用与钢结构表面涂层同样涂装工艺将涂层涂覆在传感器表面。本发明探头能够适应于在役海洋工程及新建海洋工程，并实现涂层寿命预测。
Description
技术领域
本发明属于海洋环境防腐蚀涂层监测技术领域，尤其涉及一种海洋环境固定式涂层老化监测探头及涂层寿命预测方法。
背景技术
海洋工程钢结构在出厂前均覆有防护涂层，钢结构防腐涂层由于能够防止钢结构的腐蚀，可以增加钢结构设备的使用寿命。然而在使用过程中，由于阳光暴晒、盐雾侵蚀、海水冲刷、海生物黏附等各种因素的影响，防腐涂层会产生裂缝、腐蚀、起泡、剥落和变色等老化失效问题，大大降低了防腐涂层的保护作用，从而影响钢结构设备的强度，给安全生产带来隐患和灾害。
受制于海洋环境作业受天气变化、安全风险大等因素影响，运行人员无法对其腐蚀情况进行全方面、实时、准确的监测。目前海洋工程钢结构出现腐蚀问题的处理办法通常是运行人员根据涂层表面腐蚀严重程度来决定是否需要人工检测或修复，这种方式主观性较高，存在严重的滞后性和不稳定性，且每次检测费用较高，人员和设备均存在安全风险。现有涂层监测探头及装置均采用电化学阻抗测试方法，是非固定式的涂层监测装置和方法，不能适应于特殊海洋环境，不能实现涂层剩余寿命的预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种海洋环境固定式涂层老化监测探头及涂层寿命预测方法，通过在海上构筑物关键部位布置原位和非原位探头，实现大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、水下区等各种环境下涂层老化状态的监测。借助数据传输和服务器，使用户通过内网均可查看基础塔筒不同区域的涂层老化状态，并对涂层剩余寿命进行预测。
本发明提供了一种海洋环境固定式涂层老化监测探头，包括原位探头及非原位探头；
所述原位探头用于在役期海洋工程钢结构表面涂层阻抗的在线监测，其结构为T型圆柱状，中心设有点状电极，内置有磁铁，用于将探头吸附在钢结构表面，所述磁铁通过密封胶固定在探头上；所述点状电极采用与基体相同的材质；所述点状电极周围采用树脂封装固定；所述点状电极外围与钢结构接触面设置有密封圈；所述原位探头通过密封胶粘接在被测钢结构管架上，并通过不锈钢卡箍固定；所述点状电极与钢结构表面涂层接触，并通过电缆与涂层老化在线监测仪连接，利用涂层在侵蚀环境下阻抗下降原理，监测涂层在海洋环境下的老化率；
所述非原位探头用于新建海洋工程或新涂装涂层的海洋工程钢结构，固定于钢结构关键部位附近，其结构为T型圆柱状或长方体状，圆柱状探头表面为同心两圆环结构，中间为工作电极，外层为辅助电极；长方体状探头表面为阵列结构，每个小单元均为一个小电极，组成阵列电极；所述非原位探头的电极材质根据现场情况采用与基体相同的材质；所述非原位探头表面采用与基体同样涂装工艺将涂层涂覆至到电极表面，电极通过电缆线与涂层老化在线监测仪连接，用于通过测量探头表面涂层阻抗谱和/或电偶电流和/或动电位极化曲线和/或电化学噪声图来反应涂层的老化与损伤状态。
本发明还提供了一种应用上述海洋环境固定式涂层老化监测探头的涂层寿命预测方法，包括：
通过涂装完好涂层的非原位探头，监测涂层全生命期内的老化演变情况，获取涂层的老化和破损情况及涂层下钢制基体的损伤情况；
针对被破坏涂层的非原位探头，用刻刀在已经涂刷固化完成的探头涂层表面进行模拟划伤，利用微米级分辨率测厚仪来控制缺陷深度，缺陷深度根据涂装工艺设计，得到不同梯度的缺陷深度，以获取所处不同环境及不同深度缺陷条件下，涂层的耐蚀性能及老化行为；
将中心区域带有缺陷的阵列探头用于监测带缺陷涂层的损伤演变规律，通过探头表面的电流分布评估涂层缺陷发展规律；
模拟剥离缝隙探头，用于监测涂层剥离缝隙区域内金属腐蚀发展情况，并评价剥离涂层下钢制结构的腐蚀状态；
根据原位探头及非原位探头的测试数据获取的涂层老化演变规律，结合专家知识建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级评估规则，结合有线和/或无线网络、通讯模块、服务器、软件系统实现等级的自动评估、涂层寿命预测和预警。
借由上述方案，通过海洋环境固定式涂层老化监测探头及涂层寿命预测方法，具有如下技术效果：
1、本发明提供的固定式原位涂层老化监测探头适用于服役期的海洋工程长时间在线监测。探头结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强、安装方便，采用卡箍、磁吸式固定方式和树脂、密封胶封装方式可用于大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、水下区等各种复杂环境下涂层老化状态监测。
2、本发明提供的固定式非原位涂层老化监测探头适用于新建海洋工程或用于测试新涂装的涂层，探头型式多样、结构简单、灵敏度高、可靠性高、安装方便，可根据现场需要设计模拟不同老化和破损程度，对于评测涂层服役寿命具有十分重要的实际意义。
3、通过本发明涂层寿命预测方法获取的涂层老化演变规律，建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级评估规则，结合有线和/或无线网络、通讯模块、服务器、软件系统可实现等级的自动评估、涂层寿命预测和预警。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明原位涂层老化监测探头结构示意图；
图2为本发明非原位涂层老化监测探头结构示意图；；
图3为本发明非原位涂层老化监测探头完好和缺陷涂层老化监测探头示意图；
图4为本发明一实施例中原位探头测定涂层老化率、阻抗摸和保护电位；
图5为本发明一实施例中海上升压站浪花飞溅区气象数据。
其中：
11-点状电极；12-磁铁；13-密封胶；14-密封圈；15-电缆；
21-工作电极；22-辅助电极；23-阵列电极；24-电缆线；25-缺陷。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例提供了一种海洋环境固定式涂层老化监测探头及涂层寿命预测方法，具体方案如下：
(1)原位和非原位固定式涂层老化在线监测探头
本实施例采用探头固定在海洋钢结构涂层表面，利用涂层在侵蚀环境下老化系数、电偶电流、动电位极化曲线、电化学噪声图等变化的原理，评估涂层在海洋环境下的老化与损伤状态。该探头包括原位和非原位固定式涂层老化在线监测探头。
1)探头的工作原理
原位探头适用在役期海洋工程钢结构表面涂层阻抗的在线监测，探头固定在钢结构本体上，与钢结构表面涂层直接接触，利用涂层在侵蚀环境下阻抗下降原理，监测涂层在海洋环境下的老化率。
非原位探头适用新建海洋工程或新涂装涂层的海洋工程钢结构，探头固定在钢结构关键部位附近，采用与钢结构相同涂料和涂装工艺，通过测量探头表面涂层阻抗谱和/或电偶电流和/或动电位极化曲线和/或电化学噪声图来反应涂层的老化与损伤状态。
2)探头的设计
原位探头结构如图1所示，探头为T型圆柱状，中心为5mm左右点状电极11(工作电极)，内置磁铁12将探头吸附在钢管桩表面，用密封胶13固定磁铁12。点状电极11选用与基体相同的材质，包括碳钢、不锈钢、铜合金等，电极周围采用树脂封装牢固，避免漏水，点状电极11外围与钢结构接触面设置密封圈14。探头用密封胶粘接在被测管架上，并用316不锈钢卡箍固定。点状电极11与钢结构表面涂层接触，通过电缆15与涂层老化在线监测仪连接。
非原位探头结构如图2所示，探头为T型圆柱状(图2a)或长方体状(图2b)，圆柱状探头表面为同心两圆环结构，中间为工作电极21，外层为辅助电极22(参比电极)；长方体状探头表面为阵列结构，每个小单元均为一个小电极，组成阵列电极23。电极材质根据现场情况选用与基体相同的材质，包括碳钢、不锈钢、铜合金等，在探头表面采用与基体同样涂装工艺将涂层涂覆至到电极表面，电极通过电缆线24(图2c)与涂层老化在线监测仪连接。
(2)涂层寿命预测方法
基于电化学阻抗原理、多电极电偶电流测量原理、动电位极化测试原理和电化学噪声测试原理计算电极表面老化系数、电偶电流、动电位极化曲线、电化学噪声图，用于评估涂层老化与损伤状态，预测涂层老化及损伤变化趋势。结合专家知识建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级自动评估规则构建等级评估规则，结合有线和/或无线网络、通讯模块、服务器、软件系统可实现等级的自动评估、涂层寿命预测和预警。
以电化学阻抗测试原理为例，根据涂层阻抗大小进行对涂层风险状态进行分级(可分为5级)，一旦涂层阻抗降低到10kΩ.cm2@1kHz，即可认为涂层已失效。
有机涂层老化指数ρ采用测量特定频率(1kHz)的阻抗值Z”来进行计算，如下式：
其中f为选定的特定频率，t为老化周期，t0即为涂层初始状态，Zb″为涂层100％老化时的阻抗对数值，可以设置为4。由此可以计算涂层的风险状态以及涂层寿命。
其中表1为涂层腐蚀检测分级标准，依据分级标准制定维修预警建议。
表1涂层腐蚀监测分级标准
具体方法：
参图3所示，选用多种探头，(1)涂装完好涂层的探头，用于监测涂层全生命期内的老化演变情况，一方面可以反应涂层的老化和破损情况，同时也可以反应涂层下钢制基体的损伤情况。(2)被破坏涂层的探头，用刻刀在已经涂刷固化完成的探头涂层表面进行模拟划伤，利用微米级分辨率测厚仪来控制缺陷深度，缺陷深度根据涂装工艺设计，例如可分别控制为Ⅰ型0m(完整涂层)，Ⅱ型300±20m，Ⅲ型600±20m，得到不同梯度的缺陷深度，可以反应所处不同环境及不同深度缺陷条件下，涂层的耐蚀性能及老化行为。(3)中心区域带有缺陷的阵列探头，可在用于监测带缺陷涂层的损伤演变规律，通过探头表面的电流分布评估涂层缺陷发展规律。(4)模拟剥离缝隙探头，用于监测涂层剥离缝隙区域内金属腐蚀发展情况，用于评价剥离涂层下钢制结构的腐蚀状态。
根据多种探头的测试数据获取的涂层老化演变规律，结合专家知识建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级评估规则，结合有线和/或无线网络、通讯模块、服务器、软件系统可实现等级的自动评估、涂层寿命预测和预警。
实施例
某项目应用于在役海上风电场海上升压站，机组投运2年。在大气区、浪花飞溅区、海水潮差区安装3个涂层老化在线监测仪(每台仪器有4个探头、1个电位监测探头、1个气象数据传感器)。其中，包括8个非原位涂层老化监测探头(4个破损探头、4个完好探头)和4个原位涂层老化监测探头用于监测涂层的电化学阻抗值。电位监测探头用于监测阴极保护电位。气象数据传感器用于监测环境温度、湿度、大气压数据。参图4、图5所示。
涂层腐蚀监测仪实施效果：非原位完好探头的涂层老化率均不超过1％，非原位破损探头的涂层大气区老化率高达5％，原位探头涂层老化率不超过5％，说明涂层无老化问题。采用涂层腐蚀监测仪所测量的保护电位均为-1.050V左右，表明目前钢管桩的阴极保护状态完好，目前不需要维护更换。
本发明提供了一种适用于海洋环境的固定式涂层老化监测探头及涂层剩余寿命预测方法，通过在海洋工程构筑物上固定原位涂层老化监测探头和非原位涂层老化监测探头测量钢结构表面涂层阻抗、电流、动电位极化曲线、电化学噪声图的变化来评价涂层的老化和损伤情况，预测涂层的失效趋势和剩余寿命。采用原位和非原位两种固定式涂层老化在线监测探头。原位固定式涂层老化在线监测探头适用于在役海洋工程，探头为点状电极，通过测量钢管桩本体涂层阻抗变化计算涂层老化系数。非原位固定式涂层老化在线监测探头适用于新建海洋工程或用于测试新涂装的涂层，其电极材质选用与钢结构一致的材质，在探头表面采用与钢结构表面涂层同样涂装工艺将涂层涂覆在传感器表面。非原位探头可基于电化学阻抗原理、多电极电偶电流测量原理、动电位极化测试原理和电化学噪声测试原理计算电极表面老化系数、电偶电流、动电位极化曲线、电化学噪声图。根据老化系数、电偶电流、动电位极化曲线、电化学噪声图等参数变化评估涂层老化与损伤状态。并结合专家知识建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级自动评估规则，实现等级的自动评估和涂层损伤趋势(剩余寿命)预测，具体包括如下技术效果：
1、本发明提供的固定式原位涂层老化监测探头适用于服役期的海洋工程长时间在线监测。探头结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强、安装方便，采用卡箍、磁吸式固定方式和树脂、密封胶封装方式可用于大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、水下区等各种复杂环境下涂层老化状态监测。
2、本发明提供的固定式非原位涂层老化监测探头适用于新建海洋工程或用于测试新涂装的涂层，探头型式多样、结构简单、灵敏度高、可靠性高、安装方便，可根据现场需要设计模拟不同老化和破损程度，对于评测涂层服役寿命具有十分重要的实际意义。
3、通过本发明涂层寿命预测方法获取的涂层老化演变规律，建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级评估规则，结合有线和/或无线网络、通讯模块、服务器、软件系统可实现等级的自动评估、涂层寿命预测和预警。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种海洋环境固定式涂层老化监测探头，其特征在于，包括原位探头及非原位探头；
所述原位探头用于在役期海洋工程钢结构表面涂层阻抗的在线监测，其结构为T型圆柱状，中心设有点状电极，内置有磁铁，用于将探头吸附在钢结构表面，所述磁铁通过密封胶固定在探头上；所述点状电极采用与基体相同的材质；所述点状电极周围采用树脂封装固定；所述点状电极外围与钢结构接触面设置有密封圈；所述原位探头通过密封胶粘接在被测钢结构管架上，并通过不锈钢卡箍固定；所述点状电极与钢结构表面涂层接触，并通过电缆与涂层老化在线监测仪连接，利用涂层在侵蚀环境下阻抗下降原理，监测涂层在海洋环境下的老化率；
所述非原位探头用于新建海洋工程或新涂装涂层的海洋工程钢结构，固定于钢结构关键部位附近，其结构为T型圆柱状或长方体状，圆柱状探头表面为同心两圆环结构，中间为工作电极，外层为辅助电极；长方体状探头表面为阵列结构，每个小单元均为一个小电极，组成阵列电极；所述非原位探头的电极材质根据现场情况采用与基体相同的材质；所述非原位探头表面采用与基体同样涂装工艺将涂层涂覆至到电极表面，电极通过电缆线与涂层老化在线监测仪连接，用于通过测量探头表面涂层阻抗谱和/或电偶电流和/或动电位极化曲线和/或电化学噪声图来反应涂层的老化与损伤状态。
2.一种应用权利要求1所述海洋环境固定式涂层老化监测探头的涂层寿命预测方法，其特征在于，包括：
通过涂装完好涂层的非原位探头，监测涂层全生命期内的老化演变情况，获取涂层的老化和破损情况及涂层下钢制基体的损伤情况；
针对被破坏涂层的非原位探头，用刻刀在已经涂刷固化完成的探头涂层表面进行模拟划伤，利用微米级分辨率测厚仪来控制缺陷深度，缺陷深度根据涂装工艺设计，得到不同梯度的缺陷深度，以获取所处不同环境及不同深度缺陷条件下，涂层的耐蚀性能及老化行为；
将中心区域带有缺陷的阵列探头用于监测带缺陷涂层的损伤演变规律，通过探头表面的电流分布评估涂层缺陷发展规律；
模拟剥离缝隙探头，用于监测涂层剥离缝隙区域内金属腐蚀发展情况，并评价剥离涂层下钢制结构的腐蚀状态；
根据原位探头及非原位探头的测试数据获取的涂层老化演变规律，结合专家知识建立涂层老化及完整性评估及预警机制，构建等级评估规则，结合有线和/或无线网络、通讯模块、服务器、软件系统实现等级的自动评估、涂层寿命预测和预警。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116698926A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-09-05 | 大连理工大学 | 监测涂层损伤程度和破损处腐蚀速率的测量装置及方法 |
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2022
- 2022-08-16 CN CN202210980281.6A patent/CN115541490A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116698926A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-09-05 | 大连理工大学 | 监测涂层损伤程度和破损处腐蚀速率的测量装置及方法 |
| CN116698926B (zh) * | 2023-06-08 | 2024-07-09 | 大连理工大学 | 监测涂层损伤程度和破损处腐蚀速率的测量装置及方法 |
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