输水钢管内壁IPN8710和FBE涂层的组织和性能对比

黄晓辉 ，徐红庄 ，牛爱军 ，韦奉 ，田磊 ，任春霞

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721008；3.上海宝世威钢管制造有限公司，上海 200941；4.宝鸡石油输送管有限公司，陕西 宝鸡 721008）

内腐蚀是输水管线安全运行的最大隐患。目前，输水钢管内防腐有液态环氧涂料、熔结环氧粉末、纳米陶瓷、内衬水泥砂浆等多种防腐材料[1-2]。近年来，国内输水钢管内壁主要选用液态环氧涂料和固态熔结环氧粉末，由于附着力不错，一般粗糙度小于20 µm、内壁光滑、水力性能良好，都能解决输水钢管的内防腐问题，在市场上占绝对优势。IPN8710防腐涂料是一种双组分涂料，由树脂、引发剂组成甲组分，活性单体、催化剂组成乙组分，具有附着力强，柔韧性好，耐酸、碱、盐等介质侵蚀的优点，近年来作为一种给水管道用重防腐涂层，其市场占有率非常大。内熔结环氧粉末涂料是一种热固性重防腐涂料，被广泛应用于陆上、水下、海底等管线的内防腐，具有优良的机械性能、抗腐蚀性能和耐久性能，经过40多年来不断的发展完善，已为全球处于各种环境中的20余万km以上的管道长期低维护运行提供了可靠的保证，一直是世界给水管道工程的优选防腐层。水泥砂浆衬里在国外(如美国)也多被用于输水钢管线内壁，但砂浆原材料和涂覆工艺难以控制，砂浆衬里层疏松，厚薄不均，易导致与钢管壁结合差，且表面不平整，水流阻力比较大[3-4]。纳米陶瓷涂料与钢管内壁形成合金层也多有研究，第一层是与钢管内壁表面融为一体的钝化层，可完全阻隔水、湿气及氧，阻止钢管内壁与水和氧气产生反应，第二层即防腐蚀陶瓷层，在强碱、弱酸环境下具有优异的耐蚀性，但是陶瓷涂层总体与钢管内壁结合力较差，极易脱落，这限制了陶瓷涂料的应用。为提高输水管线使用年限，避免和减少腐蚀破坏，本文针对液态环氧涂料(IPN8710)和熔结环氧粉末(FBE)，进行组织性能对比，为工程实际应用提供更佳的选材方案，从而促进全球输水钢管内防腐用标准涂料的发展。

1 原料及试样

1.1 试验材料

IPN8710分IPN8710-1底漆和IPN8710-3面漆，前者由聚氨酯聚乙烯、改性环氧树脂、无毒防锈颜填料、助剂等组成，常温固化形成互穿网络，涂膜结构致密，耐酸、碱、盐，防锈性能优异，附着力强，后者由环氧、改性橡胶树脂，无毒防锈颜填料、助剂等组成，耐化学品性能优异，无毒，抗微生物侵蚀，可作为饮水专用涂料。FBE以粉末单组分形态喷涂并熔融成膜，加热固化交联而形成连续的热固性聚合物，与基体结合紧密，并且流平覆盖整个钢管表面，有很好的粘结强度和抗腐蚀性能，不含溶剂，属食品级粉末，也可作为饮水专用涂料[4-7]。

1.2 试验涂层制作

选用Q235钢管作为基材。参考SY/T 0457–2010《钢质管道液体环氧涂料内防腐层技术标准》和SY/T 0442–2010《钢质管道熔结环氧粉末内防腐层技术标准》，冲砂处理至Sa2.5级，对喷涂IPN8710液态涂料的钢管表面要求锚纹深度40 ~ 70 µm，除尘达到3级，对喷涂FBE固态粉末的钢管表面要求锚纹深度50 ~ 100 µm，除尘达到2级。然后，模拟常见钢管内涂装工艺制作试验用涂层，将IPN8710-1和IPN8710-3涂料进行预热，采用无气喷涂工艺，用离心式喷枪喷涂在输水钢管内壁，第一道(底层)喷涂IPN8710-1，第二道(面层)喷涂IPN8710-3，底层和面层都通过湿膜控制干膜厚度在100 ~ 150 µm，总厚度控制在200 ~ 255 µm(普通级)，涂覆后肉眼可见表面光滑，颜色一致，无皱皮、起泡、流挂、漏涂等缺陷，最后固化。喷涂FBE粉末涂料前，必须对输水钢管内壁进行预热，钢管内壁均匀加热至(250 ± 10) ℃，然后开启粉末静电喷枪，喷涂厚度300 ~ 400 µm(普通级)，固化即可。陶瓷涂层作为对比试样，100%固态，按与SSPC-SP 6/NACE 3相似的商业标准喷砂至Sa2.5级，双组配喷合金陶瓷涂料，首先与钢基材形成约2 µm厚的耐腐蚀合金层，然后很快自动在合金上形成一层约500 µm厚的陶瓷层。

2 涂层的组织性能

2.1 结合面微观形貌

对输水管线内壁喷涂IPN8710涂层、FBE涂层和陶瓷涂层的3种试样进行切割后，在切割断面喷金，采用日立S-3700N扫描电镜(SEM)观察断面，均放大1 000倍。由图1a可见，IPN8710涂层与管体结合面大部分咬合紧密，但也有部分空隙，以机械嵌合为主。由图1b可见，FBE涂层与管体结合面紧密，断面涂层与基体表面融为一体，FBE涂层在基体表面已生成钢塑合金层，不仅有机械嵌合力，还有化学键、扩散及静电结合力，结合力极强，可靠性高，不会片状脱落。由图1c可见，陶瓷涂层与管体虽有机械嵌合和化学键，但是涂层和管体上长裂纹较多，嵌合面空隙大、疏松。依据GB/T 5210–2006标准，采用拉拔法测量附着力，IPN8710涂层、FBE涂层和陶瓷涂层的附着力分别为12、22和4.4 MPa，可见陶瓷涂层与管体结合性能差，这是输水钢管很少选用陶瓷涂层的主要原因。输水钢管涂层的起泡、脱落以及腐蚀均起因于涂层湿附着力的破坏，提高涂层在基材上的湿附着力最为关键，IPN8710涂层和FBE涂层与基材有较高的结合力，尤其是FBE，远高于美国水工协会标准要求的5.5 MPa，表明IPN8710涂层和FBE涂层都能在介质流动中具有良好的机械性能，使用寿命长。

图1 钢管涂层/基体结合面的截面SEM形貌 Figure 1 SEM images showing the cross-sectional morphologies of coating/steel substrate interface

2.2 表面形貌

采用德国蔡司激光共聚焦显微镜(CLSM)对IPN8710涂层和FBE涂层表面进行观察。从图2可见2种涂层表面平整、光滑、致密，具有类似“荷叶效应”的疏水流通和减阻效果，均可大幅提高水介质输送效率。如图2a所示，IPN8710涂层表面线扫描出来的波峰(浅黄色)和波谷(蓝色)的高低差是0.05 ~ 1.80 µm；如图2b所示，FBE涂层表面线扫描得到的波峰和波谷高低差为0.8 ~ 21.4 µm。FBE涂层微观表面由于粉末热熔喷涂的分散性，存在厚度稍有变化的坡度，这也从微观上进一步解释了IPN8710涂层表面摩阻系数(0.008 1)低于FBE涂层表面摩阻系数(0.008 6)的原因。与FBE涂层相比，IPN8710涂层表面更加光滑，有光泽，平缓，水力阻力更小。

图2 涂层表面的CLSM形貌 Figure 2 Surface morphologies of coatings by CLSM

2.3 涂层内形貌

采用德国徕卡金相显微镜(OM)对IPN8710涂层和FBE涂层的断面放大50倍观察。可以发现，IPN8710涂层断面中分布着大量小黑点，它们可能与IPN8710基体涂料成分较多，反应复杂，在常温固化后涂层内反应生成一些黑色颗粒状物质有关，但是肉眼之下看不出IPN8710涂层中有黑点，涂层宏观呈漂亮的纯白色。IPN8710涂层断面在微观下饱和、无气泡、坚韧致密，其抗水渗透力应该很强。FBE涂层断面中不仅也分布了一些小黑点，还存在大量密集球形气泡，气泡直径20 ~ 75 µm。FBE涂层作为一种高聚物涂层，成膜过程普遍带有针孔等缺陷，具有一定的渗透性微孔结构。FBE涂层内的孔隙易于含水、吸水，导致FBE涂层长期遇水后易粉化，其抵受水长期冲刷浸泡的能力有限[6-8]。增加FBE涂层厚度能阻缓水、氧气等的透过，降低腐蚀介质在涂层中的扩散，提供更好的防腐效果。以上结果表明，IPN8710涂层的抗水渗透能力高于FBE涂层。

2.4 能谱分析

采用日立能谱仪(EDS)对IPN8710涂层和FBE涂层试样断面进行面扫描。由图4可见，IPN8710涂层断面的主要元素为O、Si、Ca。在IPN8710涂层内从外表面到基体，Si元素在2道涂层结合区域 呈大幅度递减趋势，到基材区后也略有降低。这是由于面漆中引入了弹性硅橡胶，IPN8710涂层总伸长率可超过100%，具有弹性，能承受温度和应力带来的体积收缩而安全服役。FBE涂层试样的主要元素为O、Mg、Si、Cr，其中Si元素在涂层内从外表开始到靠近基材时呈递增趋势，到达基材区又大幅度减少，这是由于FBE粉末颜料引入了防腐性能极佳的铬绿颜料和大量石英粉、云母、硅灰石等惰性功能填料，热熔喷涂时它们发生重力沉淀和基体吸附，也正是这些颜填料在涂覆时的反应性能和热膨胀系数不同，导致FBE涂层内部出现大量密集型缩孔[9]。

图3 涂层断面的金相显微照片 Figure 3 Metallographs of sections of coatings

图4 IPN8710涂层的断面形貌(a)及能谱图(b) Figure 4 Morphology (a) and energy-dispersive spectrum (b) of cross section of IPN8710 coating

图5 FBE涂层的断面形貌(a)及能谱图(b) Figure 5 Morphology (a) and energy-dispersive spectrum (b) of cross section of FBE coating

2.5 耐磨性能

依据GB/T 1768–2006《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》的要求，在美国Taber 5155旋转耐磨试验机上对IPN8710涂层和FBE涂层进行耐磨试验，选用1 000 g的CS-17轮体对涂层表面连续摩擦1 000转，采用电子天平称量试验前后的涂层试板质量差，测得3块IPN8710涂层试板的平均质量损耗为125.5 mg，3块FBE涂层试板的平均质量损耗仅为16.1 mg。可见FBE涂层的耐磨性能高达IPN8710涂层的8倍左右，FBE涂层在抗水冲刷耐磨性能上应优于IPN8710涂层。

3 涂层的耐热试验

3.1 差示扫描量热(DSC)测试

如图6所示，IPN8710涂层的玻璃化转变温度为136.58 °C，FBE涂层的玻璃化转变温度则达到168.99 °C。较高的玻璃态转化温度表明它们可承受水、高压及高温的长时间共同作用。IPN8710涂层通过提高聚合物的交联密度和引入耐高温有机硅，FBE涂层则通过引入刚性酚醛环氧树脂，均实现了高玻璃态转化温度[8-10]。FBE涂层的耐温性稍高于IPN8710涂层。

图6 涂层的DSC测试图 Figure 6 DSC diagrams of coatings

3.2 热重分析(TGA)试验

从图7可见，IPN8710涂层的热分解起始温度为344.7 °C，FBE涂层的热分解起始温度更高，达到383.6 °C，远高于管道实际运行温度，表明这2种涂层在高温条件下仍具有良好的热稳定性，其热分解温度能完全承受管道瞬间高温，能保证管道安全服役。

图7 涂层的TGA测试图 Figure 7 TGA diagrams of coatings

4 讨论

输水管道中有多种腐蚀介质，IPN8710涂层和FBE涂层都具有化学惰性，耐酸、碱和盐的腐蚀[1,11]。IPN8710涂层和FBE涂层的优势主要是附着力强、坚韧，可令管道内壁光滑，难以藏污纳垢，不易滋生细菌，均属于食品级环保型涂料。IPN8710涂层和FBE涂层对流体的摩擦阻力均小于输水用预应力钢筒混凝土管(PCCP)和球墨铸铁管内壁粗糙的水泥砂浆层，且IPN8710涂层和FBE涂层的附着力远高于PCCP管和球墨铸铁管中的水泥砂浆层，这也是输水钢管逐渐选择以IPN8710涂层和FBE涂层替代PCCP管和球墨铸铁管的原因之一。IPN8710属于液态冷喷涂覆，固化时间长，虽是机械嵌合力，但是减阻效果好。FBE原是粉末，需与250 °C钢管基体发生反应，生成钢塑合金层，而加热钢管需要的热能多，但FBE涂层与基材具有机械嵌合、化学键、扩散、静电结合等作用力，附着力极强，耐磕碰、耐腐蚀、耐磨和耐冲击性能也出众。

FBE涂层的附着力比IPN8710涂层大，更难脱落，且更耐摩擦和磕碰，耐温性也稍高，但是IPN8710涂层的结构比FBE涂层更致密，长期抗水渗透性好，其表面也更加平缓、光滑，水力阻力更小，而且属于弹性涂层，不易开裂，能更好地承受工况温度和应力变化带来的膨胀效应。目前，IPN8710和FBE涂层都是全球输水钢管内防腐用标准材料，可根据实际工程要求和工况从中选择一种来用。总之，这2种涂层经常可以互换。IPN8710涂层可常温固化，方便现场施工和补口，适用于大口径输水钢管防腐，尤其是自来水供水工程，能有效杀菌，也可用于酸、碱、盐、海水等复杂环境。FBE涂层需在高温下反应，尤其对大口径钢管所需加热设备投资很大，适用于自来水、中水、污水等供水工程。

5 结语

输水钢管选用的IPN8710涂层和FBE涂层均具有优异的化学惰性，耐酸、碱、盐腐蚀，表面光滑，水流阻力小，非常适合于输水钢管内壁的防腐应用。PN8710涂层和FBE涂层的附着力都很高，也有较高的玻璃化转变温度，可在一定高温水中安全服役。实际输水工程用钢管的内防腐可优选IPN8710涂层或FBE涂层。