鋼制管道熔結環氧樹脂防腐蝕涂層技術標準的對比分析

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(中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451)

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

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

1 國內外FBE涂層技術標準概況

1.1 國外FBE涂層技術標準

國外開始FBE涂層研究應用較早，建立了一定數量的相關標準規范，并已應用于實際的產品生產和工程建設中。加拿大CSA 245.20-2014標準[1]規定了涂敷工廠內鋼管外壁涂敷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，目前在國際上應用較廣。國際標準化組織發布的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涂層在工廠預制過程中的涂層質量、施工、測試和搬運等要求做出了規定，該標準不適用于玻璃化轉變溫度超過120 ℃的高溫涂層，但也可應用于三層或多層聚乙烯及聚丙烯涂層的熔結環氧樹脂底漆。美國NACE SP0394-2013標準[3]規定了管道外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涂層的驗收和質量控制方法，為正確涂敷、識別檢驗及修補提供指導。美國AWWA C213-2015標準[4]規定了用于輸水管道外涂層及內涂層質量控制的方法，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、實驗室內成品的質量檢驗及控制方法。

FBE涂層技術標準有效地促進了FBE涂層的質量提升，保障了相關工程建設的質量，也在科技進步和行業發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，對防腐蝕施工應用中出現的問題做出了不同程度的回應，針對性地增加了部分質量控制性能指標，并對檢驗技術方法進行了更新。

1.2 國內FBE涂層技術標準

國內應用比較廣泛的FBE涂層技術標準主要包括：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涂層部分的相關技術要求，規定了以FBE涂料作為成膜材料的埋地鋼質管道單層及雙層外涂層的質量技術指標要求；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技術現狀，在試驗驗證基礎上編制而成，適用于鋼制管道外涂層的設計、施工及驗收。

2 FBE涂層技術標準比對分析

2.1 FBE涂層的結構參數及適用環境

表1列出了各技術標準中對FBE涂層的結構參數及適用環境。

表1 各技術標準中FBE涂層結構參數及適用環境的比較Tab. 1 Comparison of FBE coating structural parameters and applied environment in technical standards

其中，CSA245.20-2014標準根據FBE涂料的玻璃化轉變溫度和涂層的結構功能，將FBE涂層結構劃分為6種：1A型(玻璃化轉變溫度小于或等于115 ℃的單層FBE涂層)、1B型(玻璃化轉變溫度大于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，用于區分涂層固化度高低的玻璃化轉變溫度指標由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，并規定測試溫度應至少比FBE涂料玻璃化轉變溫度Tg低5 ℃；若運行溫度高于95 ℃，應在比FBE涂料玻璃化轉變溫度低5 ℃的環境中對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構FBE涂層的技術要求，該標準與CSA245.20-2007標準中2A型涂層的要求相對應，并將涂層在埋地或水下環境中的溫度適用范圍由-30～100 ℃調整為-30～80 ℃。

2.2 FBE涂料的性能要求

FBE涂料的技術指標對于FBE涂層的腐蝕防護性能有著重要影響，具體技術指標見表2。其中，Tg2為熱固性材料DSC測試二次升溫得到的玻璃化轉變溫度。比較國內外FBE涂層技術標準可見：在國外標準中對于FBE涂料的具體性能指標通常沒有統一要求，僅指出滿足供貨商的技術要求或在限制的偏差內即可，而國內標則對具體的檢驗參數給出了明確的性能指標。這與國內外FBE供貨商在產品質量控制上存在較大差距有關。

表2 各技術標準中對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等國內標準常用的檢測方法是用干燥失重法測定FBE涂料中揮發性或不揮發性組分。干燥失重法就是將試樣在烘箱內直接加熱干燥，然后根據質量的變化計算水分含量的方法。其優點是操作簡單快捷，缺點是除水分外其他揮發性組分也會因加熱而揮發，所以計算結果應該是水分與其他揮發性有機物的總和，不能準確代表材料中的水分含量。另外，測定結果易受環境溫度和濕度的影響，重復性較差[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、重復性好等優點[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，不符合工業生產的實際情況，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

國內外標準對FBE涂層性能的規定見表3。其中，C是指熱掃描反應放熱量的轉化率。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變溫度(<115 ℃)涂層和高玻璃化轉變溫度(>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鍵指標之一。目前，國內外標準均規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借鑒了液體環氧樹脂涂料的相關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果，但只適合檢驗初始狀態的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關系，為水浸附著力試驗提供可量化的判定指標。

表3 各技術標準中對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，若其長期處于水環境中，水分子將由涂層表面向內部逐漸擴散，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，導致涂層失效。因此，FBE涂層的吸水率檢驗是控制FBE涂層腐蝕防護性能的關鍵指標之一。在目前現有的技術標準中，尚未對FBE涂層吸水率的試驗方法及技術指標做出規定。在法國TOTAL公司的企業標準中，提出了一種采用自由膜靜態浸泡來測定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滲透，并不符合FBE涂層水分子單方向向金屬界面一側滲透的實際情況，因此測定結果往往偏大。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FBE涂層相關技術標準修訂的方向之一。

在國內SY/T 0315-2013標準中，規定采用落砂法作為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定，導致測試結果精度較低，可重復性較差。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]。該方法采用統一型號規格的砂輪，對施加在FBE涂層上的壓力及轉速均做了統一的規定，具有簡單易操作、精密度好、測試效率高的優點。

現有的FBE涂層技術標準中對于FBE涂層的硬度檢驗缺少統一的方法。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]；國內相關標準尚未規定FBE涂層的硬度檢驗方法。建議在修訂國內相關標準時，增加FBE涂層的硬度檢驗方法，并希望通過試驗研究開發出一種專門適用于FBE涂層硬度檢驗的方法。

3 結束語

研究發現，國外FBE涂層技術標準均在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及性能指標進行了更新。對國內開展相關標準修訂工作提出以下建議：

(1) 比傳統的失重法相比，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涂料水分含量的優化檢測方法。

(2) 建議根據玻璃化轉變溫度細分FBE涂層類型，以適應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關系，提出拉拔法測定水浸附著力的量化性能指標。

(5)國內FBE涂層技術規范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，并提出相關性能指標。

(6)現有的技術標準中對于FBE涂層的硬度檢驗缺少統一的方法，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，為優化測試條件和確定性能指標提供試驗依據。