鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層拉拔法附著力評(píng)價(jià)研究

韓 冰 劉楊宇 毛天宇

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451）

0 引言

三層結(jié)構(gòu)聚乙烯層（3PE）防腐技術(shù)在我國石油工業(yè)埋地長輸管道及油氣田集輸管道防腐工程中得到廣泛的應(yīng)用，提高了我國管道防腐技術(shù)水平，延長了管道使用壽命，取得了良好的效果。其中，熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）底層與鋼管表面直接粘結(jié)，兩者之間的附著力性能是影響鋼制管道防腐性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1,2]。

根據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于涂層附著力性能檢驗(yàn)均采用了撬剝?cè)u(píng)級(jí)的方法，并且評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基本一致[3-6]，如表1所示?？梢?，此方法根據(jù)描述由測(cè)試人員給出簡單的等級(jí)判斷，屬于定性指標(biāo)，并且受人為因素導(dǎo)致的誤差較大，不符合現(xiàn)代質(zhì)量評(píng)價(jià)分析自動(dòng)化、指標(biāo)數(shù)量化的發(fā)展趨勢(shì)。本文使用拉拔法評(píng)定FBE涂層附著力性能，并與撬剝?cè)u(píng)級(jí)的方法進(jìn)行了比對(duì)，得出拉拔法評(píng)定FBE涂層附著力的測(cè)試條件及評(píng)價(jià)性能指標(biāo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

底板選用尺寸為長寬為100mm，厚度6mm的鋼制試板，50℃干燥24h后干燥器內(nèi)冷卻至室溫，取出后表面按規(guī)定除銹，采用熱噴涂方法制備單面涂層鋼板試件，涂層厚度為（0.35±0.05）mm。自然冷卻至室溫，每組試件數(shù)應(yīng)為3個(gè)。

1.2 撬剝?cè)u(píng)級(jí)法

參照SY/T 0315-2013《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》中附錄G相關(guān)要求。試件浸泡后取出擦干，當(dāng)試件仍溫?zé)釙r(shí)，立即用小刀在涂層上劃一個(gè)大約30mm×15mm的長方形，透過涂層到達(dá)基底板，然后在空氣中自然冷卻到20℃±3℃。 在取出試件后1h內(nèi)從長方形的任一角將刀尖插入涂層下面,以水平方向的力撬剝涂層，連續(xù)推進(jìn)刀尖直到長方形內(nèi)的涂層全部撬離或涂層表現(xiàn)出明顯的抗撬性能為止。按下列分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定長方形內(nèi)涂層的附著力等級(jí)。

1.3 拉拔法

參照ASTM D4541-2017《拉開法附著力試驗(yàn)》中相關(guān)要求[7]，拉拔法測(cè)試儀如圖1所示，附著力測(cè)試按以下步驟進(jìn)行：

（1）粘結(jié)測(cè)試柱：應(yīng)選用直徑為10mm或20mm的鋁制測(cè)試柱，先用砂布將固化完全的FBE涂層表面和測(cè)試柱粘接面打毛，清除灰塵。然后，將配好的膠粘劑涂抹到測(cè)試柱及防腐層表面，將測(cè)試柱與防腐層粘接，并按照產(chǎn)品使用說明使膠粘劑充分固化；

（2）防腐層切割：膠粘劑固化24h后，用配套環(huán)齒型切割器沿測(cè)試柱外沿進(jìn)行環(huán)形切割，應(yīng)切透補(bǔ)口防腐層，直達(dá)被涂覆底材表面，即鋼材表面或管體防腐層表面。切割時(shí)，應(yīng)避免搬扭測(cè)試柱，防止切割出的圓形涂層和底材的粘接受到破壞；

（3）將試板放置在水平位置，試驗(yàn)溫度應(yīng)控制在（23±2）℃，將自動(dòng)拉拔測(cè)試儀與測(cè)試柱正確聯(lián)接后開始測(cè)試；

（4）分別記錄三次試驗(yàn)的測(cè)定值，以算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值修約到二位有效數(shù)字，并報(bào)告粘接面的破壞類型。

表1 撬剝法涂層附著力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 自動(dòng)拉拔附著力測(cè)試儀及錠子

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸泡溫度的涂層附著力變化

選擇浸泡溫度為50、60、70、80、90℃，開展玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為110 ℃的FBE涂層水浸附著力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

可見，當(dāng)浸泡溫度在80℃以下時(shí)，在浸泡56d后，F(xiàn)BE涂層撬剝法附著力評(píng)級(jí)仍然為1級(jí)，拉拔法附著力也保持在35MPa以上，觀察涂層表面沒有或存在輕微的色變，表示涂層的粘附力性能良好。當(dāng)浸泡溫度達(dá)到80℃時(shí)，56d后撬剝法附著力評(píng)級(jí)仍為1級(jí)，但是拉拔法附著力在浸泡28d時(shí)開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，觀察涂層表面顏色顯著變淺。浸泡溫度90℃時(shí)，下降趨勢(shì)提前到浸泡14d時(shí)開始出現(xiàn)。經(jīng)測(cè)定該涂層的濕膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為84.7℃，當(dāng)FBE涂層浸泡溫度接近或高于此溫度時(shí)，涂層結(jié)構(gòu)開始變得松弛，導(dǎo)致附著力性能下降，涂層內(nèi)的顏料等無機(jī)物質(zhì)溶出[8,9]。比較兩種評(píng)價(jià)方法可以看出，拉拔法能直觀的反映出FBE涂層附著力隨溫度及浸泡時(shí)間的變化而發(fā)生的性能改變，可全面評(píng)價(jià)涂層附著效果[10]。

2.2 不同類型FBE涂層附著力試驗(yàn)

選擇4種不同Tg的FBE涂層，開展浸泡溫度80℃的水浸附著力試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

可見，F(xiàn)BE涂層的Tg越高，其水浸后附著力性能越好；Tg=100℃涂層浸泡7d時(shí)，拉拔測(cè)試涂層表面出現(xiàn)膠結(jié)破壞，14d時(shí)，底板與涂層出現(xiàn)附著破壞，說明水分已經(jīng)滲透到了底板，對(duì)涂層與金屬底板的界面形成了破壞；Tg=105℃涂層浸泡14d時(shí)，涂層表面開始膠結(jié)破壞，28d時(shí)，涂層內(nèi)聚破壞；當(dāng)Tg=110℃時(shí)，在浸泡28d時(shí)涂層表面出現(xiàn)膠結(jié)破壞；當(dāng)Tg=118℃時(shí)，直到浸泡第56d涂層表面才開始出現(xiàn)膠結(jié)破壞。

選擇3#、4#FBE涂層進(jìn)一步開展浸泡溫度95℃的水浸附著力試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

可見，Tg=100℃涂層浸泡7d時(shí)，拉拔測(cè)試涂層表面開始膠結(jié)破壞，14d時(shí)，涂層內(nèi)聚破壞，56d時(shí)，涂層與底板出現(xiàn)附著破壞，撬剝法評(píng)級(jí)3級(jí)；Tg=118℃涂層浸泡14d時(shí)拉拔涂層出現(xiàn)表面膠結(jié)破壞，28d時(shí)出現(xiàn)涂層內(nèi)聚破壞。

表2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度110℃涂層水浸附著力試驗(yàn)結(jié)果

表3 浸泡溫度80℃涂層附著力試驗(yàn)

表4 浸泡溫度95℃涂層附著力試驗(yàn)

上述測(cè)試情況驗(yàn)證了加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA245.20-2014將FBE涂層劃分為低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg＜115℃）涂層和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg＞115℃）涂層的合理性。結(jié)合與撬剝法測(cè)試結(jié)果的比對(duì)情況，建議以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度115℃為分界點(diǎn)，劃分FBE涂層類型，Tg≤115℃的FBE涂層水浸附著力試驗(yàn)條件：浸泡溫度為80℃，浸泡時(shí)間28d，拉拔法性能指標(biāo)為≥20MPa；Tg＞115℃的FBE涂層水浸附著力試驗(yàn)條件：浸泡溫度為95℃，浸泡時(shí)間28d，拉拔法性能指標(biāo)為≥20MPa。

3 結(jié)論

（1）拉拔法評(píng)價(jià)FBE涂層附著力具有直觀、量化、可反映涂層附著力變化趨勢(shì)的優(yōu)點(diǎn)；

（2）FBE拉拔法附著力評(píng)價(jià)測(cè)試條件：Tg≤115℃的FBE涂層：浸泡溫度為80℃，浸泡時(shí)間28d；Tg＞115℃的FBE涂層：浸泡溫度為95℃，浸泡時(shí)間28d。性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為≥20MPa。