鋼制管道熔結(jié)環(huán)氧樹脂防腐蝕涂層技術(shù)標準的對比分析

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(中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451)

熔結(jié)環(huán)氧樹脂(FBE)涂料是一種固體多成分樹脂體系，呈粉末狀，由改性環(huán)氧樹脂、固化劑、固化促進劑、流動調(diào)節(jié)劑、顏料、填料等組成。將FBE涂料通過高溫熔結(jié)到鋼管表面并經(jīng)流平固化形成一層堅硬密實的涂膜，即熔結(jié)環(huán)氧樹脂防腐蝕涂層(以下稱FBE涂層)。成膜物分子中的活性基團可與金屬表面產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合以及范德華力結(jié)合，從而達到良好的附著。FBE涂層具有較強的抗陰極剝離能力、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、耐彎曲、無毒無污染、涂敷自動化程度高等諸多優(yōu)點。進入21世紀以來，F(xiàn)BE涂層技術(shù)在我國石油工業(yè)主要長輸管道工程、油氣田集輸管道中得到廣泛的應(yīng)用，在提高我國管道防腐蝕技術(shù)水平、延長管道使用壽命方面取得了較好的效果。

本工作基于國內(nèi)外相關(guān)FBE涂層技術(shù)標準中的檢驗技術(shù)方法及其評價指標進行了比對分析，提出了今后國內(nèi)FBE涂層技術(shù)標準制修訂的工作建議，對于進一步完善FBE涂層的質(zhì)量控制指標體系，提高國內(nèi)FBE涂層的產(chǎn)品性能及防腐蝕質(zhì)量具有重要的意義。

1 國內(nèi)外FBE涂層技術(shù)標準概況

1.1 國外FBE涂層技術(shù)標準

國外開始FBE涂層研究應(yīng)用較早，建立了一定數(shù)量的相關(guān)標準規(guī)范，并已應(yīng)用于實際的產(chǎn)品生產(chǎn)和工程建設(shè)中。加拿大CSA 245.20-2014標準[1]規(guī)定了涂敷工廠內(nèi)鋼管外壁涂敷FBE涂層的類型、材料要求、涂敷工藝、檢測、試驗、裝運和物料儲存等要求，目前在國際上應(yīng)用較廣。國際標準化組織發(fā)布的ISO 21809-2:2014標準[2]對石油天然氣運輸用埋地及水下管道的單層FBE涂層在工廠預(yù)制過程中的涂層質(zhì)量、施工、測試和搬運等要求做出了規(guī)定，該標準不適用于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度超過120 ℃的高溫涂層，但也可應(yīng)用于三層或多層聚乙烯及聚丙烯涂層的熔結(jié)環(huán)氧樹脂底漆。美國NACE SP0394-2013標準[3]規(guī)定了管道外FBE涂層的涂裝施工及保障涂層性能的基本要求，并給出了FBE涂層的驗收和質(zhì)量控制方法，為正確涂敷、識別檢驗及修補提供指導(dǎo)。美國AWWA C213-2015標準[4]規(guī)定了用于輸水管道外涂層及內(nèi)涂層質(zhì)量控制的方法，具有一定借鑒意義。美國API 5L9-2001(R2010)標準[5]則提供了不同用途輸送管道外部FBE涂層的原材料、實驗室內(nèi)成品的質(zhì)量檢驗及控制方法。

FBE涂層技術(shù)標準有效地促進了FBE涂層的質(zhì)量提升，保障了相關(guān)工程建設(shè)的質(zhì)量，也在科技進步和行業(yè)發(fā)展的背景下被不斷修訂完善，上述大部分標準是在2013-2015年期間修訂后的最新版本，對防腐蝕施工應(yīng)用中出現(xiàn)的問題做出了不同程度的回應(yīng)，針對性地增加了部分質(zhì)量控制性能指標，并對檢驗技術(shù)方法進行了更新。

1.2 國內(nèi)FBE涂層技術(shù)標準

國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的FBE涂層技術(shù)標準主要包括：SY/T 0315-2013標準[6]，該標準制定時參考了加拿大標準CSA Z245.20-2002標準中1A涂層部分的相關(guān)技術(shù)要求，規(guī)定了以FBE涂料作為成膜材料的埋地鋼質(zhì)管道單層及雙層外涂層的質(zhì)量技術(shù)指標要求；SY/T 0442-2010標準[7]，該標準參考了AWWA C213、CSA Z245.20等國外標準以及國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，在試驗驗證基礎(chǔ)上編制而成，適用于鋼制管道外涂層的設(shè)計、施工及驗收。

2 FBE涂層技術(shù)標準比對分析

2.1 FBE涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)及適用環(huán)境

表1列出了各技術(shù)標準中對FBE涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)及適用環(huán)境。

表1 各技術(shù)標準中FBE涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)及適用環(huán)境的比較Tab. 1 Comparison of FBE coating structural parameters and applied environment in technical standards

其中，CSA245.20-2014標準根據(jù)FBE涂料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和涂層的結(jié)構(gòu)功能，將FBE涂層結(jié)構(gòu)劃分為6種：1A型(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小于或等于115 ℃的單層FBE涂層)、1B型(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于115 ℃的單層FBE涂層)、2A型(具有防腐蝕層和保護層的雙層FBE涂層)、2B型(具有防腐蝕層和耐磨層的雙層FBE涂層)、2C型(具有防腐蝕層和防滑層的雙層FBE涂層)、3型(在防腐蝕層和保護層上施加防滑層的三層FBE涂層)。與該標準的上一版本(2010版)相比，用于區(qū)分涂層固化度高低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度指標由110 ℃提高到了115 ℃。

ISO 21809-2:2014標準新增了運行溫度低于95 ℃的管道FBE涂層的測試方法，并規(guī)定測試溫度應(yīng)至少比FBE涂料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg低5 ℃；若運行溫度高于95 ℃，應(yīng)在比FBE涂料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低5 ℃的環(huán)境中對FBE涂層進行24 h老化后再測試熱水浸泡、陰極剝離等多個性能指標。

在最新版SY/T 0315-2013標準中增加了雙層結(jié)構(gòu)FBE涂層的技術(shù)要求，該標準與CSA245.20-2007標準中2A型涂層的要求相對應(yīng)，并將涂層在埋地或水下環(huán)境中的溫度適用范圍由-30～100 ℃調(diào)整為-30～80 ℃。

2.2 FBE涂料的性能要求

FBE涂料的技術(shù)指標對于FBE涂層的腐蝕防護性能有著重要影響，具體技術(shù)指標見表2。其中，Tg2為熱固性材料DSC測試二次升溫得到的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。比較國內(nèi)外FBE涂層技術(shù)標準可見：在國外標準中對于FBE涂料的具體性能指標通常沒有統(tǒng)一要求，僅指出滿足供貨商的技術(shù)要求或在限制的偏差內(nèi)即可，而國內(nèi)標則對具體的檢驗參數(shù)給出了明確的性能指標。這與國內(nèi)外FBE供貨商在產(chǎn)品質(zhì)量控制上存在較大差距有關(guān)。

表2 各技術(shù)標準中對FBE涂料性能的要求Tab. 2 Performance requirements for FBE coating materials in technical standards

水分含量是影響FBE涂層防腐蝕性能的一項重要指標。目前SY/T 0315-2013等國內(nèi)標準常用的檢測方法是用干燥失重法測定FBE涂料中揮發(fā)性或不揮發(fā)性組分。干燥失重法就是將試樣在烘箱內(nèi)直接加熱干燥，然后根據(jù)質(zhì)量的變化計算水分含量的方法。其優(yōu)點是操作簡單快捷，缺點是除水分外其他揮發(fā)性組分也會因加熱而揮發(fā)，所以計算結(jié)果應(yīng)該是水分與其他揮發(fā)性有機物的總和，不能準確代表材料中的水分含量。另外，測定結(jié)果易受環(huán)境溫度和濕度的影響，重復(fù)性較差[8]。CSA245.20-2014以及NACE SP0394-2013等標準給出了一種可以準確快速測定水分含量的電位滴定方法，該方法具有準確度高、重復(fù)性好等優(yōu)點[9-12]，可借鑒并加以驗證后使用。

此外，NACE SP0394-2013及API 5L9-2001(R2010)標準還對FBE涂料的儲存期提出了要求。對24 ℃和43 ℃溫度下廣口瓶密封存放的FBE涂料定期(每月/每周)測定膠化時間[13]，如膠化時間縮短30%，則判斷FBE涂料已過儲存期。這是首次提出的判斷儲存期的測試方法，但測試周期較長，不符合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，建議在縮短測試周期方面做進一步研究。

2.3 FBE涂層的性能要求

國內(nèi)外標準對FBE涂層性能的規(guī)定見表3。其中，C是指熱掃描反應(yīng)放熱量的轉(zhuǎn)化率。由表3可以看出，加拿大標準CSA245.20-2014對單層FBE涂層類型做了進一步的細分，將其劃分為低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(<115 ℃)涂層和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(>115 ℃)涂層，并分別給出檢驗項目的性能評價指標。

水浸后附著力試驗是判定FBE涂層腐蝕防護性能的關(guān)鍵指標之一。目前，國內(nèi)外標準均規(guī)定采用撬剝評級的方法來測涂層的附著力，并給出了大致相似的判定標準。該方法操作簡單，只根據(jù)簡單的目視做出等級判斷，因此也具有不能給出量化指標的缺點。AWWA C213-2015借鑒了液體環(huán)氧樹脂涂料的相關(guān)標準給出了一種利用剪切強度評價涂層附著力的方法[14]，該方法能夠量化測定結(jié)果，但只適合檢驗初始狀態(tài)的FBE涂層，對于熱水浸泡后的FBE涂層則不具有評判意義。SY/T 0442-2010利用拉拔附著力法[15]評價熱水浸泡后FBE涂層的附著力，該方法具有很強的可操作性。建議同時采用撬剝法和拉拔附著力法對熱水浸泡后的FBE涂層進行附著力測試，研究兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，為水浸附著力試驗提供可量化的判定指標。

表3 各技術(shù)標準中對FBE涂層性能的要求Tab. 3 Performance requirements for FBE coating in technical standards

在AWWA C213-2015標準的修訂版中新增了FBE涂層吸水率檢驗這一可選項目。一些研究表明[16-19]， FBE涂層是典型的無定型高分子聚合物，若其長期處于水環(huán)境中，水分子將由涂層表面向內(nèi)部逐漸擴散，最后到達金屬基體與涂層界面，擴散的水分子會影響涂層的物理化學(xué)性能，并在涂層與金屬界面形成一層水膜，從而降低了涂層附著力，導(dǎo)致涂層失效。因此，F(xiàn)BE涂層的吸水率檢驗是控制FBE涂層腐蝕防護性能的關(guān)鍵指標之一。在目前現(xiàn)有的技術(shù)標準中，尚未對FBE涂層吸水率的試驗方法及技術(shù)指標做出規(guī)定。在法國TOTAL公司的企業(yè)標準中，提出了一種采用自由膜靜態(tài)浸泡來測定FBE涂層吸水率的方法，該方法借鑒了塑料吸水率測定的方法[20]，但試驗過程中FBE涂層雙面接觸水，水分子從兩個方向同時向內(nèi)滲透，并不符合FBE涂層水分子單方向向金屬界面一側(cè)滲透的實際情況，因此測定結(jié)果往往偏大。同時，自由膜的制備難度較大，造成測定的可重復(fù)性較差。研究一種適合FBE涂層吸水率測定的試驗方法可作為國內(nèi)FBE涂層相關(guān)技術(shù)標準修訂的方向之一。

在國內(nèi)SY/T 0315-2013標準中，規(guī)定采用落砂法作為FBE涂層的耐磨性的評價方法，該方法來源于有機漆膜的耐磨試驗規(guī)范ASTM D968[21],該方法對采用的石英砂粒徑(600～1 000 μm)做出了要求，但是對于石英砂的硬度尚無規(guī)定，導(dǎo)致測試結(jié)果精度較低，可重復(fù)性較差。CSA245.20-2014等國外標準提出了一種新型的耐磨性能測試方法即泰伯爾法[22]。該方法采用統(tǒng)一型號規(guī)格的砂輪，對施加在FBE涂層上的壓力及轉(zhuǎn)速均做了統(tǒng)一的規(guī)定，具有簡單易操作、精密度好、測試效率高的優(yōu)點。

現(xiàn)有的FBE涂層技術(shù)標準中對于FBE涂層的硬度檢驗缺少統(tǒng)一的方法。ISO 21809-2-2014借鑒了漆膜的硬度檢驗方法，巴克霍爾茲法[23]；AWWA C213-2015則采用了一種瀝青的硬度檢驗方法，針入度測定方法[24]；國內(nèi)相關(guān)標準尚未規(guī)定FBE涂層的硬度檢驗方法。建議在修訂國內(nèi)相關(guān)標準時，增加FBE涂層的硬度檢驗方法，并希望通過試驗研究開發(fā)出一種專門適用于FBE涂層硬度檢驗的方法。

3 結(jié)束語

研究發(fā)現(xiàn)，國外FBE涂層技術(shù)標準均在2013～2015年期間完成了修訂改版，新修訂版本中對部分檢驗評價技術(shù)及性能指標進行了更新。對國內(nèi)開展相關(guān)標準修訂工作提出以下建議：

(1) 比傳統(tǒng)的失重法相比，電位滴定法能更準確地表征FBE涂料中的水分含量，建議開展試驗研究建立電位滴定法測定FBE涂料水分含量的優(yōu)化檢測方法。

(2) 建議根據(jù)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度細分FBE涂層類型，以適應(yīng)不同運行溫度輸送管道的腐蝕防護要求。

(3) FBE涂層的吸水率是控制FBE涂層防腐蝕性能的關(guān)鍵指標之一，建議開展試驗研究建立FBE涂層的吸水率檢測方法。

(4) 與撬剝法相比，拉拔法測定水浸后FBE涂層的附著力具有可量化指標的優(yōu)勢，能更加直觀地評價FBE涂層的附著力，建議開展試驗研究探索兩種方法間的對應(yīng)關(guān)系，提出拉拔法測定水浸附著力的量化性能指標。

(5)國內(nèi)FBE涂層技術(shù)規(guī)范SY/T 0315-2013中，采用落砂法作為涂層耐磨性的評價方法，該技術(shù)較為落后，建議開展泰伯爾法測試FBE涂層耐磨性的試驗研究，并提出相關(guān)性能指標。

(6)現(xiàn)有的技術(shù)標準中對于FBE涂層的硬度檢驗缺少統(tǒng)一的方法，建議研究適用于FBE涂層硬度測試的檢驗方法。

(7)建議開展FBE涂層耐高溫高壓試驗影響因素研究，為優(yōu)化測試條件和確定性能指標提供試驗依據(jù)。