國外管道防腐涂敷中的化學預處理工藝

相政樂，王銘浩，賈 振，張 宏，趙 利，陸 娟

（中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452）

1 背景及意義

鋼質管道的防腐涂敷工藝中，鋼管表面清理質量是影響涂層性能最關鍵的因素。早期鋼管防腐涂敷過程中的表面處理工藝只有水洗、預熱、拋丸除銹、中頻加熱等，直到20世紀70年代，隨著短期熱水浸泡試驗及高溫陰極剝離試驗被引進管道防腐涂敷質量檢驗工藝，這種表面處理工藝的不足開始暴露出來，鋼管表面的不可見污染物的清洗開始受到重視[1]。

鋼管表面的污染物來源廣泛，水洗、拋丸除銹能除去大部分污染物，卻不足以保證能使涂層性能達到最佳，由此，鋼管的表面化學預處理工藝被引入管道防腐涂層施工工藝中。在拋丸除銹之后使用磷酸清洗工藝，經實踐證明是一種有效清除鋼管表面鹽分殘留的方法[2]，而鉻酸鹽鈍化處理工藝則能改變鋼管表面化學組成，提高涂層與基材之間的附著力。出于環保及健康考慮，近年來無鉻鈍化技術 （如硅烷化學處理）也開始被引入管道防腐涂敷工藝中[3]。

2 酸洗工藝

2.1 工藝原理

在防腐涂敷工藝中，鋼管經過拋丸除銹工藝處理，能除去其表面的鐵銹及氧化皮，但氯化物鹽分卻很難清除，實踐中發現，經過拋丸處理后鋼管表面的氯化物污染程度比噴砂清理前有所增加[4]。現在幾乎普遍接受的觀點是，當鋼管表面可測出的氯化物鹽分含量超過20 mg/m2時，很容易出現涂層附著力問題，而隨著管道作業環境的日益嚴苛，有的技術規范甚至要求鋼管表面可檢出氯化物小于10 mg/m2。

為了有效降低鋼管表面鹽分，保證涂層防腐性能，在拋丸除銹工藝之后，需要增加后續的表面處理工藝。目前，化學清洗即酸洗是獲得業界認可的唯一有效的清除表面氯化物鹽分殘留的方法[4]。清洗用的酸液通常是基于磷酸的強酸性，其溶液中包含有機溶劑與添加劑，可以去除鋼管表面的多種殘留污染物，如可溶性鹽類 （如氯化物、硫酸鹽）、鐵鹽、弱氧化劑、油脂及表面灰塵、殘碳，從而提高鋼管表面清潔程度，涂層性能也將得到明顯改善。

2.2 工藝流程

管道防腐涂敷中的酸洗工藝通常由酸洗、高壓水洗、干燥三道工序組成[5]。

拋丸除銹后的鋼管通過涂敷傳動線進入酸洗噴淋室，使用特定牌號的酸洗液對其進行清洗。為了達到最佳清洗效果，需要控制鋼管表面溫度，如果溫度過低，可以加熱酸洗液以保證其反應活性。工業用酸洗液一般為濃縮液，使用時加去離子水進行稀釋，采用噴槍充分霧化，均勻一致地噴淋到鋼管表面，使用pH試紙檢驗鋼管表面pH值在1左右，通常酸液在鋼管表面的反應停留時間不少于20 s，根據清洗效果、管材表面溫度以及設備參數可進行適當調整。

鋼管在酸洗處理后，經傳動線進入高壓水洗室，高壓水洗室與酸洗室之間的距離應結合傳動線速度進行設計，滿足酸洗時間的要求。水洗使用去離子水，一般采用高壓噴淋清洗掉鋼管表面的酸液、鹽分及污染物殘留。完成水洗工序后，確保鋼管表面pH值在6以上。水洗后對鋼管進行熱風烘干，否則容易返銹。圖1為整套酸洗工藝的流程。

目前酸洗工藝在國內應用較少，缺乏相關的工藝標準及規范。國外從20世紀80年代早期開始應用該工藝改進涂層性能[1]，經過幾十年的發展，相關的工藝已經比較成熟，表1匯總了國外相關機構及公司對酸洗工藝的參數要求。

圖1 酸洗工藝流程

表1 國外公司機構相關文獻中對酸洗工藝的參數控制

3 鉻酸鹽鈍化工藝

3.1 工藝原理

不同于磷酸洗表面處理工藝，鉻酸鹽處理工藝對防腐涂層性能的改進效果存在爭議，國外某工廠預制防腐涂層進行的鉻酸鹽刷涂試驗也有失敗的案例[10]。雖然有關報告指出，用鉻酸鹽處理改善了熔結環氧粉末 （FBE）防腐層的抗陰極剝離性能，但也有報告指出，在某些條件下，鉻酸鹽處理反而對防腐層產生不利的影響[11]。

鋼管經過拋丸除銹及酸洗處理后，表面處于一種不穩定的活化狀態，極易發生氧化及返銹現象。對鋼管進行鉻酸鹽刷涂，能穩定鋼管表面結構，將其由不一致的表面轉變為化學結構穩定均一的Cr/Si/Fe絡合氧化物層，從而保證防腐涂層的一致性，增強防腐涂層與基材之間的附著力。

3.2 工藝流程

鉻酸鹽表面處理工藝過程與酸洗過程相似，只不過不需要進行高壓水洗[12]。因為鉻酸鹽處理不能清理掉鋼管表面殘留的污染物，所以它一般與酸洗工藝聯合使用。該工藝主要由中頻加熱、鉻酸鹽刷涂兩道工序組成。

酸洗工藝結束后，鋼管經傳動線進入鉻酸鹽刷涂前的中頻預熱裝置，預熱后鋼管表面溫度保持在50～80℃，這樣一方面保證了鉻酸鹽與鋼管基材之間的反應活性，另一方面也能使刷涂后的鉻酸鹽盡快干燥。有研究表明，鉻酸鹽干燥過程中鋼管基材的溫度不宜超過100℃，因此鉻酸鹽應在進入粉末噴涂預熱裝置之前完全干燥[12]。

鉻酸鹽涂敷可采用浸涂、刷涂、輥涂等方式，針對管道防腐生產線的工藝需求，常采用刷涂或輥涂的方式進行施工。要求鉻酸鹽刷涂均勻，并確保其刷涂量為0.05～0.3 g/m2。圖2為鉻酸鹽鈍化工藝流程。

圖2 鉻酸鹽鈍化工藝流程

4 硅烷化學處理工藝

4.1 工藝原理

近年來，隨著人們對六價鉻危害認識的加深，世界上多個國家已經開始控制甚至禁止鉻酸鹽的使用。為了保障施工人員健康，降低環境危害，無鉻表面化學處理工藝開始受到重視，其中硅烷化學處理是較有實用價值的一種。

針對環氧粉末涂料的化學結構特點，硅烷化學處理劑的化學結構應保證其與涂料中的環氧基相容，同時能有效改善涂層的耐腐蝕性能。使用水將硅烷R-Si-（OR）稀釋后，硅烷發生水解反應，烷氧基Si-（OR）官能團轉變成硅烷Si-（OH）官能團和烷基醇R-（OH），Si-（OH）官能團通過化學接枝作用與金屬牢固結合。有公司開發出R-Si-（OH）n結構的硅烷化學處理劑[13]，這種結構不會發生烷氧基水解，避免了產生醇類物質，降低了對健康及環境的危害，同時這種結構的化學物質相比烷氧基能更快地與金屬作用，滿足管道防腐施工的高速作業需求，而且該結構的硅烷不會發生縮合變質現象。

4.2 工藝流程

硅烷化學處理的施工工藝與鉻酸鹽處理工藝相比，其無需預熱，刷涂在鋼管表面的硅烷溶液沒有干燥也可直接進入中頻預熱裝置，預熱溫度對其使用效果沒有影響。硅烷處理后涂層的附著力有明顯提升，國外相關試驗證實了這一點[13]，見圖3。

圖3 硅烷處理前后防腐涂層性能的變化

該試驗采用SILPIPE?SCT硅烷處理劑進行3LPE管道防腐前處理，使用該處理劑前后涂層附著力的變化，隨著熱水浸泡試驗條件的愈加嚴苛，硅烷處理劑的作用愈明顯。

5 結束語

在鋼管防腐涂敷施工過程中，鋼管表面清理工藝的好壞直接決定了涂層的最終性能表現，為了滿足日益嚴苛的管道作業環境要求，在傳統的拋丸除銹工藝之后，增加化學表面預處理工藝是防腐施工的發展趨勢。

目前酸洗工藝在國外已經廣泛應用，國內也有少數廠家開始應用該工藝改進涂層性能，鉻酸鹽鈍化工藝因為環保原因其使用范圍受到限制，硅烷化學處理工藝作為新興的綠色化學表面處理技術，其發展前景備受關注。

[1]Alan KehrJ.Fusion-BondedEpoxy[M].Houston，TX:NACEInternational the Corrosion Society，2003.283-284.

[2]李汝江，韓秀林，王友生，等.鋼管3PE外防腐工藝的探討[J].焊管，2008，31（6）： 75-77.

[3]Valmore Rodriguez，Lino Castaneda，Beatriz Luciani，et al.Effect of Contaminants on FBE Performance[A].Corrosion 1998[C].San Diego，CA：NACE International，1998.

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[12]Alan Kehr J.Fusion-Bonded Epoxy[M].Houston，TX：NACE International the Corrosion Society，2003.289-290.

[13]Gailllard G，Bouliez J L.A New Application Process That Assures Good Adhesion of Fusion Bonded Epoxy Coatings Exposed to Very Severe Conditions[A].Corrosion 2011[C].Houston，TX：NACE International，2011.