化學預處理工藝在管道FBE涂層生產中的應用

康學君，王銘浩，李長春，相政樂，趙利，賈振，楊彪

中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

化學預處理工藝在管道FBE涂層生產中的應用

康學君，王銘浩，李長春，相政樂，趙利，賈振，楊彪

中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

管道防腐涂層的性能受鋼管表面處理質量影響很大，為了提高表面處理質量，化學預處理工藝被引入防腐涂裝施工中。化學預處理工藝中酸洗可提高鋼管表面清潔程度，并形成多孔性的磷酸鹽膜層，而鈍化可將磷酸鹽膜層孔隙中裸露的金屬活性點位進行封閉，增強基材耐蝕性能。本研究中將酸洗及鈍化工藝應用于FBE涂層生產中，對該工藝進行在線檢驗及離線涂層性能檢測對比。結果顯示，酸洗處理后鋼管表面清潔程度明顯提高，涂層性能得以改善；酸洗后增加鈍化處理工藝，涂層性能進一步提高。

管道；防腐；酸洗；鈍化；FBE涂層

0 引言

管道在我國的能源運輸戰略中占據著重要地位，其安全性能及使用壽命備受關注。防腐涂層作為管道穩定運行的重要屏障，需嚴格控制其質量水平。管道防腐行業普遍認為，鋼管表面的處理質量是影響涂層性能最直接和最重要的因素，統計結果表明其對涂層性能的影響比重高達55%[1]。目前國內管道防腐行業中的表面處理工藝主要為拋丸除銹，經處理后的表面除銹等級可達Sa 2.5級，滿足一般項目的施工要求。

近年來隨著防腐涂裝水平的日漸提高，基材表面不可見污染物對涂層性能的影響越來越受到重視，鹽分污染物含量及灰塵污染度的檢驗使得現有的表面處理工藝顯現不足[2]。為了提升涂層性能，化學預處理工藝被引入防腐涂裝施工中。

1 化學預處理工藝的必要性

1.1 鋼管表面鹽分對涂層性能的影響

國內研究表明[3]，基材表面的鹽分污染物通過參與金屬的化學反應，會加速基材表面的腐蝕反應過程，當可溶性鹽分在涂層下存在時，鹽分通過水解反應產生腐蝕性酸類物質，酸類物質與基材作用導致膜下氫氣的產生，隨后引起涂層的鼓泡、剝離。鹽分污染物通過上述機理對管道的耐蝕性能產生影響，且鹽分含量越高，涂層耐腐蝕性能越差。

關于鋼管表面鹽分污染物對涂層性能的影響，國外研究也得出了相同的結論[4]，見圖1。

圖1 不同類型鹽分污染物對涂層陰極剝離性能的影響

從圖中可以看出，對比空白試樣、硫酸鈉污染試樣、氯化鈉污染試樣、硝酸鈉污染試樣涂層的陰極剝離性能，結果顯示差異較大，三種鹽分污染物均可對涂層性能產生明顯的不利影響，且隨著鹽分污染物濃度的增加，涂層陰極剝離性能變差。

1.2 鋼管表面灰塵污染度對涂層性能的影響

拋丸除銹處理過的鋼管表面存在細小的粉塵污染，按國際標準ISO 8502-3的試驗方法，可檢測其灰塵污染度指標，該指標數值越高，說明鋼管表面的灰塵污染物越多。

鋼管表面的灰塵污染物成分主要是拋丸除銹后磨料破碎形成的金屬碎屑及鋼管本身攜帶的細小粉塵，拋丸除銹后部分污染物嵌入在基材表面凹凸不平的錨紋中，通常難以通過吹掃的方式清除。當環氧粉末被噴涂在鋼管表面時，存留在錨紋中的污染物會影響粉末的流平過程，造成涂層與鋼管基材無法充分進行錨定結合，影響涂層附著力，同時粉塵會導致涂層下形成空氣孔穴，在滲入少量水汽后，將成為整體涂層防護中的薄弱環節，出現點蝕現象[5]。

1.3 化學預處理工藝原理

鑒于鋼管表面不可見污染物對涂層性能的不利影響，涂層生產過程中通常要求表面處理后的基材灰塵污染度不超過2級，鹽分污染度低于20 mg/m2。由于拋丸除銹工藝處理能力的不足，化學預處理工藝被應用于涂裝前的表面預處理中。

酸洗工藝是經國內外工業實踐證明的改善鋼管表面清潔程度的化學處理手段[6]。酸洗處理過程中，經過復雜的化學與電化學反應，在基材表面形成了厚度均勻（1～50 μm）、帶4個結晶水的磷酸鹽結晶型或無定形的轉化膜。該膜可降低鋼管表面的活性，抑制金屬表面微電池的形成，減少膜下腐蝕的發生[7]，同時磷酸鹽膜層的多孔性可以提高涂層與基材的粘結強度。酸洗處理后使用高壓純凈水清洗鋼管表面，能清除酸洗后殘留的酸液及粉塵污染物，保證鋼管表面的清潔。

經酸洗處理后，基材表面的磷酸鹽膜孔隙中存在活性點位，在此表面進行防腐層涂敷后，涂層下殘留的或管道運行過程中滲透進入的鹽分及水汽易導致基材發生化學及電化學腐蝕，因此需對孔隙中裸露的金屬活性點位進行封閉。管道防腐行業中常采用鉻酸鹽鈍化工藝進行封閉處理，利用Cr6+的強氧化性，將具有活性的金屬表面轉化為低活性的Cr/Fe化合物鈍化表面，減少涂層膜下腐蝕的發生[8]。

2 酸洗工藝評價試驗

某批項目管材由于長期露天存放，鋼管表面銹蝕嚴重，且由于存放場地位于海邊，鋼管表面的鹽分污染也較為嚴重，采用常規的拋丸除銹工藝無法滿足項目要求的清潔度指標（灰塵污染度等級不超過2級，鹽分污染度低于20 mg/m2）。為此計劃采用酸洗及鉻酸鹽鈍化處理工藝對鋼管進行涂敷前的表面處理。本文對該套工藝進行性能及可行性評價，試驗評價工作范圍見表1。

表1 酸洗及鈍化工藝試驗評價工作范圍

2.1 試驗材料

酸洗液及鈍化液采用電導率小于5μS/cm的去離子水調配體積分數為10%的工作液，見表2。

表2 試驗材料

2.2 工藝流程

管道防腐生產中的酸洗工藝由酸洗、高壓水洗、干燥三道工序組成，干燥完成后進行鉻酸鹽刷涂。生產線工藝流程見圖2。

圖2 管道防腐涂敷施工工藝流程

鋼管首先進入除銹傳動線，經過中頻感應加熱裝置除去表面濕氣，隨后進入拋丸除銹裝置，清除鋼管表面銹蝕及松散氧化皮，在檢驗臺架對除銹后的表面清潔程度進行檢測。

表面檢驗完成后的鋼管進入涂敷傳動線，在酸洗室中霧化噴淋體積分數10%的酸洗液，對鋼管表面充分浸潤淋洗，經過20～40 s的浸潤過程，鋼管進入高壓水洗室，水洗壓力高于7 MPa，充分清除酸洗后鋼管表面殘留的鹽分、灰塵污染物，在高壓水洗室安置的熱風機將鋼管表面加熱吹干，隨后在鈍化刷涂室刷涂體積分數10%的鈍化液，鈍化液刷涂厚度較薄（約5μ m），在進入中頻感應加熱前，溶劑完全揮發形成均勻的鈍化膜，鋼管隨后經過加熱、FBE粉末噴涂、水冷及成品管檢測，工藝試驗完成。

2.3 工藝評價試驗對酸洗及鈍化處理效果的評價，主要通過兩方面的對比進行，分別為在線檢驗鋼管表面清潔程度對比以及離線檢測涂層性能對比。

2.3.1 在線檢驗

在線檢驗鋼管表面清潔程度，對比化學處理工藝對鋼管表面清潔程度的改善效果，結果見表3。

表3 鋼管表面清潔程度檢驗

從表3中可以看出，拋丸除銹后的鋼管灰塵污染度較高，達到2～3級，鹽分含量最高超過50 mg/m2，而對鋼管進行酸洗處理后，灰塵污染度均降低至1級，且鹽分含量最高僅為14 mg/m2，酸洗處理后鋼管表面的清潔程度得到了明顯的提升。對比酸洗前后鋼管厚度并無出現明顯差異，酸洗液對鋼管基材的侵蝕影響可以忽略。

2.3.2 離線涂層性能評價試驗

對空白參比管、酸洗處理、酸洗+鈍化處理的FBE噴涂成品管進行取樣檢測，對比分析涂層性能的差距，詳細檢驗結果見表4。

從表4中的數據可以看出：

（1）彎曲試驗、沖擊試驗結果顯示，三種表面處理工藝下噴涂的涂層均具有良好的韌性及抗沖擊性能。

（2）熱水浸泡試驗結果顯示，65℃、24 h條件下，三種處理工藝下FBE涂層附著力均為1級；65℃、28 d條件下，空白FBE涂層附著力為3級，酸洗處理FBE涂層附著力為2級，酸洗+鈍化FBE涂層附著力達到1級。表明酸洗及酸洗+鈍化工藝均明顯改善涂層的熱水浸泡性能。

（3）陰極剝離試驗結果顯示，空白、酸洗和酸洗+鈍化三種條件下，FBE涂層的陰極剝離半徑均小于指標要求的15 mm，且依次呈減小趨勢，耐陰極剝離能力逐級加強。表明經過酸洗和鈍化處理后，涂層和基材表面的附著力顯著增加，提高了涂層抗陰極剝離能力。

表4 FBE涂層性能檢測結果

對于上述試驗結論，分析原因如下：

（1）鋼管經過酸洗處理后，表面的灰塵污染物及鹽分得到有效清除，促進了環氧粉末在高溫熔融過程中的流平，使得涂料充分浸潤基材表面；同時酸洗處理后形成的多孔性磷酸鹽膜層也增強了涂層與基材的錨合作用及膜下耐蝕性能。

（2）鉻酸鹽鈍化處理可使鋼管表面形成一層致密的鈍化膜，鈍化膜中存在的+3價鉻化物難溶于水，隔絕了空氣中氧氣和水分的滲透，封閉了磷化膜的孔隙，從而減少磷化膜自由空隙的面積；鈍化膜內存在少量的+6價鉻化物，可對被損壞的鈍化膜起到修復作用，使輕度破損的鈍化膜重新完整起來，不但可以延緩腐蝕，避免基材表面受到污染，還可以增強涂層與基材的附著力。

3 結論

本文以提高涂裝前鋼管表面處理質量及涂層性能為目的，在管道FBE噴涂生產線中應用了酸洗及鉻酸鹽鈍化表面處理工藝。經過在線檢驗及離線的涂層性能檢測，證明化學預處理工藝具有良好的表面處理效果。

（1）酸洗處理可降低鋼管表面灰塵污染度及鹽分污染物，提高基材表面清潔程度，且對基材無明顯的侵蝕影響，酸洗處理后的FBE防腐管相比空白參比樣管，涂層的耐熱水浸泡及陰極剝離性能得到提升。

（2）在酸洗處理后潔凈的鋼管表面刷涂鉻酸鹽進行鈍化處理，可封堵酸洗處理后的基材表面活性點位，減少涂層膜下腐蝕的發生，進一步提升涂層的粘結性能及耐蝕性能。

[1]郭建偉，魏存祥，杜曉春.管道涂層發展與新技術[J].管道技術與設備，2009，35（5）:49-51.

[2]相政樂，王銘浩，賈振，等.管道防腐涂敷中的化學預處理工藝[J].石油工程建設，2013，39（1）:6-8.

[3]徐永祥，嚴川偉，高延敏，等.基體金屬上可溶鹽污染對涂層下金屬腐蝕和涂層失效的影響[J].腐蝕與防護，2002，23（11）:469-473.

[4]Alan Kehr J.Fusion-Bonded Epoxy A Foundation for Pipeline Corrosion Protection[M].Houston:NACE PRESS，2003.285-286.

[5]朱立，孫本良.鋼材酸洗技術[M].北京：化學工業出版社，2007.139.

[6]胡國輝.金屬磷化工藝技術[M].北京：國防工業出版社，2009.1-3.

[7]Valmore Rodriguez，Lino Castaneda，Beatriz Luciani，et al.Effect of Contaminants on FBE Performance[J].Corrosion，1998，612:1-5.

[8]胡國輝.金屬磷化工藝技術[M].北京:國防工業出版社，2009. 134-135.

Application of Chemical Pretreatment Process in Pipe Fusion-Bonded-Epoxy Coating Production

Kang Xuejun，Wang Minghao，LiChangchun，Xiang Zhengle，Zhao Li，Jia Zhen，Yang Biao
CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Co.，Tianjin 300452，China

Surface preparation quality can significantly influence anticorrosion coating performance of pipe.In order to improve surface preparation level，chemicalpretreatment process is introduced into anticorrosion coating production line.Acid wash，as one method of chemical pretreatment process，can improve surface cleaness，and a porous film of phosphate forms on base metal after the treatment.Passivation process can seal the bared metal active points in pores of phosphate film，and enhance corrosion resistance performance of base metal.In this study，acid wash and passivation processes were introduced into fusion-bonded-epoxy coating production，and online examinations and offline coating performance evaluation were carried out for comparison.Conclusions can be made upon test results: pipe surface cleaness can be significantly improved by acid wash，and coating performance is enhanced.Passivation process after acid wash can further enhance coating performance.

pipeline；anticorrosion；acid wash；passivation；FBE coating

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.011

康學君（1966-），男，湖北天門人，高級工程師，1988年畢業于華中理工大學應用化學專業，現從事海洋管道相關技術工作。

2014-04-01