钢制管道熔结环氧树脂防腐蚀涂层技术标准的对比分析

2018-10-23,,

腐蚀与防护 2018年10期

(中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451)

熔结环氧树脂(FBE)涂料是一种固体多成分树脂体系，呈粉末状，由改性环氧树脂、固化剂、固化促进剂、流动调节剂、颜料、填料等组成。将FBE涂料通过高温熔结到钢管表面并经流平固化形成一层坚硬密实的涂膜，即熔结环氧树脂防腐蚀涂层(以下称FBE涂层)。成膜物分子中的活性基团可与金属表面产生化学键结合以及范德华力结合，从而达到良好的附着。FBE涂层具有较强的抗阴极剥离能力、耐化学腐蚀、耐磨、耐弯曲、无毒无污染、涂敷自动化程度高等诸多优点。进入21世纪以来，FBE涂层技术在我国石油工业主要长输管道工程、油气田集输管道中得到广泛的应用，在提高我国管道防腐蚀技术水平、延长管道使用寿命方面取得了较好的效果。

本工作基于国内外相关FBE涂层技术标准中的检验技术方法及其评价指标进行了比对分析，提出了今后国内FBE涂层技术标准制修订的工作建议，对于进一步完善FBE涂层的质量控制指标体系，提高国内FBE涂层的产品性能及防腐蚀质量具有重要的意义。

1 国内外FBE涂层技术标准概况

1.1 国外FBE涂层技术标准

国外开始FBE涂层研究应用较早，建立了一定数量的相关标准规范，并已应用于实际的产品生产和工程建设中。加拿大CSA 245.20-2014标准[1]规定了涂敷工厂内钢管外壁涂敷FBE涂层的类型、材料要求、涂敷工艺、检测、试验、装运和物料储存等要求，目前在国际上应用较广。国际标准化组织发布的ISO 21809-2:2014标准[2]对石油天然气运输用埋地及水下管道的单层FBE涂层在工厂预制过程中的涂层质量、施工、测试和搬运等要求做出了规定，该标准不适用于玻璃化转变温度超过120 ℃的高温涂层，但也可应用于三层或多层聚乙烯及聚丙烯涂层的熔结环氧树脂底漆。美国NACE SP0394-2013标准[3]规定了管道外FBE涂层的涂装施工及保障涂层性能的基本要求，并给出了FBE涂层的验收和质量控制方法，为正确涂敷、识别检验及修补提供指导。美国AWWA C213-2015标准[4]规定了用于输水管道外涂层及内涂层质量控制的方法，具有一定借鉴意义。美国API 5L9-2001(R2010)标准[5]则提供了不同用途输送管道外部FBE涂层的原材料、实验室内成品的质量检验及控制方法。

FBE涂层技术标准有效地促进了FBE涂层的质量提升，保障了相关工程建设的质量，也在科技进步和行业发展的背景下被不断修订完善，上述大部分标准是在2013-2015年期间修订后的最新版本，对防腐蚀施工应用中出现的问题做出了不同程度的回应，针对性地增加了部分质量控制性能指标，并对检验技术方法进行了更新。

1.2 国内FBE涂层技术标准

国内应用比较广泛的FBE涂层技术标准主要包括：SY/T 0315-2013标准[6]，该标准制定时参考了加拿大标准CSA Z245.20-2002标准中1A涂层部分的相关技术要求，规定了以FBE涂料作为成膜材料的埋地钢质管道单层及双层外涂层的质量技术指标要求；SY/T 0442-2010标准[7]，该标准参考了AWWA C213、CSA Z245.20等国外标准以及国内技术现状，在试验验证基础上编制而成，适用于钢制管道外涂层的设计、施工及验收。

2 FBE涂层技术标准比对分析

2.1 FBE涂层的结构参数及适用环境

表1列出了各技术标准中对FBE涂层的结构参数及适用环境。

表1 各技术标准中FBE涂层结构参数及适用环境的比较Tab. 1 Comparison of FBE coating structural parameters and applied environment in technical standards

其中，CSA245.20-2014标准根据FBE涂料的玻璃化转变温度和涂层的结构功能，将FBE涂层结构划分为6种：1A型(玻璃化转变温度小于或等于115 ℃的单层FBE涂层)、1B型(玻璃化转变温度大于115 ℃的单层FBE涂层)、2A型(具有防腐蚀层和保护层的双层FBE涂层)、2B型(具有防腐蚀层和耐磨层的双层FBE涂层)、2C型(具有防腐蚀层和防滑层的双层FBE涂层)、3型(在防腐蚀层和保护层上施加防滑层的三层FBE涂层)。与该标准的上一版本(2010版)相比，用于区分涂层固化度高低的玻璃化转变温度指标由110 ℃提高到了115 ℃。

ISO 21809-2:2014标准新增了运行温度低于95 ℃的管道FBE涂层的测试方法，并规定测试温度应至少比FBE涂料玻璃化转变温度Tg低5 ℃；若运行温度高于95 ℃，应在比FBE涂料玻璃化转变温度低5 ℃的环境中对FBE涂层进行24 h老化后再测试热水浸泡、阴极剥离等多个性能指标。

在最新版SY/T 0315-2013标准中增加了双层结构FBE涂层的技术要求，该标准与CSA245.20-2007标准中2A型涂层的要求相对应，并将涂层在埋地或水下环境中的温度适用范围由-30～100 ℃调整为-30～80 ℃。

2.2 FBE涂料的性能要求

FBE涂料的技术指标对于FBE涂层的腐蚀防护性能有着重要影响，具体技术指标见表2。其中，Tg2为热固性材料DSC测试二次升温得到的玻璃化转变温度。比较国内外FBE涂层技术标准可见：在国外标准中对于FBE涂料的具体性能指标通常没有统一要求，仅指出满足供货商的技术要求或在限制的偏差内即可，而国内标则对具体的检验参数给出了明确的性能指标。这与国内外FBE供货商在产品质量控制上存在较大差距有关。

表2 各技术标准中对FBE涂料性能的要求Tab. 2 Performance requirements for FBE coating materials in technical standards

水分含量是影响FBE涂层防腐蚀性能的一项重要指标。目前SY/T 0315-2013等国内标准常用的检测方法是用干燥失重法测定FBE涂料中挥发性或不挥发性组分。干燥失重法就是将试样在烘箱内直接加热干燥，然后根据质量的变化计算水分含量的方法。其优点是操作简单快捷，缺点是除水分外其他挥发性组分也会因加热而挥发，所以计算结果应该是水分与其他挥发性有机物的总和，不能准确代表材料中的水分含量。另外，测定结果易受环境温度和湿度的影响，重复性较差[8]。CSA245.20-2014以及NACE SP0394-2013等标准给出了一种可以准确快速测定水分含量的电位滴定方法，该方法具有准确度高、重复性好等优点[9-12]，可借鉴并加以验证后使用。

此外，NACE SP0394-2013及API 5L9-2001(R2010)标准还对FBE涂料的储存期提出了要求。对24 ℃和43 ℃温度下广口瓶密封存放的FBE涂料定期(每月/每周)测定胶化时间[13]，如胶化时间缩短30%，则判断FBE涂料已过储存期。这是首次提出的判断储存期的测试方法，但测试周期较长，不符合工业生产的实际情况，建议在缩短测试周期方面做进一步研究。

2.3 FBE涂层的性能要求

国内外标准对FBE涂层性能的规定见表3。其中，C是指热扫描反应放热量的转化率。由表3可以看出，加拿大标准CSA245.20-2014对单层FBE涂层类型做了进一步的细分，将其划分为低玻璃化转变温度(<115 ℃)涂层和高玻璃化转变温度(>115 ℃)涂层，并分别给出检验项目的性能评价指标。

水浸后附着力试验是判定FBE涂层腐蚀防护性能的关键指标之一。目前，国内外标准均规定采用撬剥评级的方法来测涂层的附着力，并给出了大致相似的判定标准。该方法操作简单，只根据简单的目视做出等级判断，因此也具有不能给出量化指标的缺点。AWWA C213-2015借鉴了液体环氧树脂涂料的相关标准给出了一种利用剪切强度评价涂层附着力的方法[14]，该方法能够量化测定结果，但只适合检验初始状态的FBE涂层，对于热水浸泡后的FBE涂层则不具有评判意义。SY/T 0442-2010利用拉拔附着力法[15]评价热水浸泡后FBE涂层的附着力，该方法具有很强的可操作性。建议同时采用撬剥法和拉拔附着力法对热水浸泡后的FBE涂层进行附着力测试，研究两者之间的对应关系，为水浸附着力试验提供可量化的判定指标。

表3 各技术标准中对FBE涂层性能的要求Tab. 3 Performance requirements for FBE coating in technical standards

在AWWA C213-2015标准的修订版中新增了FBE涂层吸水率检验这一可选项目。一些研究表明[16-19]， FBE涂层是典型的无定型高分子聚合物，若其长期处于水环境中，水分子将由涂层表面向内部逐渐扩散，最后到达金属基体与涂层界面，扩散的水分子会影响涂层的物理化学性能，并在涂层与金属界面形成一层水膜，从而降低了涂层附着力，导致涂层失效。因此，FBE涂层的吸水率检验是控制FBE涂层腐蚀防护性能的关键指标之一。在目前现有的技术标准中，尚未对FBE涂层吸水率的试验方法及技术指标做出规定。在法国TOTAL公司的企业标准中，提出了一种采用自由膜静态浸泡来测定FBE涂层吸水率的方法，该方法借鉴了塑料吸水率测定的方法[20]，但试验过程中FBE涂层双面接触水，水分子从两个方向同时向内渗透，并不符合FBE涂层水分子单方向向金属界面一侧渗透的实际情况，因此测定结果往往偏大。同时，自由膜的制备难度较大，造成测定的可重复性较差。研究一种适合FBE涂层吸水率测定的试验方法可作为国内FBE涂层相关技术标准修订的方向之一。

在国内SY/T 0315-2013标准中，规定采用落砂法作为FBE涂层的耐磨性的评价方法，该方法来源于有机漆膜的耐磨试验规范ASTM D968[21],该方法对采用的石英砂粒径(600～1 000 μm)做出了要求，但是对于石英砂的硬度尚无规定，导致测试结果精度较低，可重复性较差。CSA245.20-2014等国外标准提出了一种新型的耐磨性能测试方法即泰伯尔法[22]。该方法采用统一型号规格的砂轮，对施加在FBE涂层上的压力及转速均做了统一的规定，具有简单易操作、精密度好、测试效率高的优点。

现有的FBE涂层技术标准中对于FBE涂层的硬度检验缺少统一的方法。ISO 21809-2-2014借鉴了漆膜的硬度检验方法，巴克霍尔兹法[23]；AWWA C213-2015则采用了一种沥青的硬度检验方法，针入度测定方法[24]；国内相关标准尚未规定FBE涂层的硬度检验方法。建议在修订国内相关标准时，增加FBE涂层的硬度检验方法，并希望通过试验研究开发出一种专门适用于FBE涂层硬度检验的方法。