管道涂敷用低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末研究及應(yīng)用進(jìn)展

趙　利，趙　岑，陳春林，相政樂，陸　娟，楊　陽，彭傳偉中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津　300452

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管道涂敷用低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末研究及應(yīng)用進(jìn)展

趙利，趙岑，陳春林，相政樂，陸娟，楊陽，彭傳偉
中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

摘要：熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）涂層作為管道外防腐層已經(jīng)有約五十年歷史。近年來出現(xiàn)的低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末，固化溫度一般為160～190℃，較普通型環(huán)氧粉末低40℃左右。這類熔結(jié)環(huán)氧粉末能夠降低涂敷能耗，適應(yīng)苛刻的施工條件，在一些特殊管材和部位的防腐涂敷中應(yīng)用前景良好。介紹了低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的配方原理、應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)注意的問題，為其工程應(yīng)用提供參考。經(jīng)過分析得到如下結(jié)論：低溫固化型環(huán)氧粉末可應(yīng)用于高鋼級鋼管、含內(nèi)涂層的鋼管、厚壁鋼管以及焊道補口等外防腐涂敷領(lǐng)域。但作為一種新產(chǎn)品，低溫固化型環(huán)氧粉末的性能仍然有待改進(jìn)和完善。

關(guān)鍵詞：熔結(jié)環(huán)氧粉末；低溫固化；管道；防腐

熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）涂層在管道防腐領(lǐng)域已有約五十年的應(yīng)用歷史。FBE涂層既可單獨作為管道防腐層，也可作為三層防腐體系（如3LPE）的底涂層［1］。環(huán)氧粉末涂料經(jīng)過噴涂、熔融、流平、固化等過程，在鋼管表面形成防腐層。在此過程中，涂敷溫度是決定FBE涂層與鋼管結(jié)合力的關(guān)鍵因素之一［2］。通常來講，為達(dá)到最佳性能，單層防腐體系中的FBE涂層需在230℃左右涂敷，而三層防腐體系中的FBE涂層需在205℃左右涂敷。

1　低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的配方原理

近年來，針對鋼管低溫涂敷的新需求，國內(nèi)外廠家對環(huán)氧粉末配方體系進(jìn)行了一系列的研究，開發(fā)出了一系列低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末，其固化溫度一般為160～190℃，較普通型環(huán)氧粉末低40℃左右［3］。

熔結(jié)環(huán)氧粉末由環(huán)氧樹脂、固化劑、顏料、填料和助劑組成，而環(huán)氧樹脂和固化劑是影響涂敷溫度和FBE涂層質(zhì)量的主要因素。環(huán)氧樹脂和固化劑的種類及活性官能團(tuán)的數(shù)量，決定了環(huán)氧粉末的反應(yīng)活性及溫度敏感性。

低溫固化型環(huán)氧粉末采用的環(huán)氧樹脂主要為雙酚A型環(huán)氧樹脂和酚醛改性環(huán)氧樹脂，分子結(jié)構(gòu)中含有支鏈化的強(qiáng)極性環(huán)氧基團(tuán)。該類樹脂在較低的溫度下能夠快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，配以合適的固化劑，可以實現(xiàn)環(huán)氧粉末涂料低溫固化［4］。

固化劑對環(huán)氧粉末的涂敷溫度及FBE涂層的附著力影響很大。低溫固化型環(huán)氧粉末一般采用雙氰胺或酰胺類固化劑。為了實現(xiàn)低溫快速固化，在固化劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常會添加部分小分子羥基化合物或催化劑來提高反應(yīng)活性。

2　低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的應(yīng)用

普通型熔結(jié)環(huán)氧粉末一般在205～230℃進(jìn)行涂敷，其涂層才能達(dá)到最佳性能［5］。而低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的涂敷溫度比普通型環(huán)氧粉末低40℃左右，其應(yīng)用于管道防腐領(lǐng)域的優(yōu)勢主要有兩點：

（1）顯著降低涂敷能耗。據(jù)報道，采用低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末對D 508 mm×14.3 mm鋼管進(jìn)行防腐涂敷，在中頻感應(yīng)加熱工序可節(jié)能約17%［6］。

（2）對復(fù)雜、苛刻施工條件的適應(yīng)性好。因此，低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末在特殊管材和部位，如高鋼級鋼管外防腐涂敷、含內(nèi)涂層的鋼管外防腐涂敷、厚壁鋼管外防腐涂敷以及管道補口等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用優(yōu)勢，發(fā)展前景良好。

2.1高鋼級鋼管外防腐

近年來，天然氣長輸管道多使用薄壁高鋼級鋼管（鋼級為X80、X100、X120）［7］，這類鋼管具有較高的屈服強(qiáng)度和較好的柔韌性，能夠大幅度降低長輸管道的施工和輸送成本［8］。但是，高鋼級鋼管在經(jīng)歷冷變形后再加熱到一定溫度（約200℃）時，會產(chǎn)生明顯的應(yīng)變時效，影響力學(xué)性能，主要體現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的升高，而韌性和延展性下降［9］，影響鋼管的焊接和服役性能。

為了防止應(yīng)變時效的出現(xiàn)，在高鋼級鋼管表面進(jìn)行FBE涂敷時，鋼管預(yù)熱溫度一般應(yīng)低于200℃。這就要求環(huán)氧粉末能夠在200℃以下快速反應(yīng)固化，且FBE涂層性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末能夠滿足此條件。

Bredero Shaw公司已將低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末應(yīng)用于北美高寒地區(qū)多條FBE和3LPE防腐管道涂敷中，涂敷溫度為175～200℃［10］。國內(nèi)西二線、西三線工程采用X80直縫鋼管，其3LPE底層使用的也是低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末，涂敷溫度為185～195℃［11］。總體來看，低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末用于高鋼級鋼管外防腐層涂敷的工藝已較為成熟，工程應(yīng)用實例也較多。

2.2含內(nèi)涂層的鋼管外防腐

據(jù)測算，內(nèi)涂層可使天然氣管道輸氣量提高4%～8%［12］。內(nèi)涂層較多采用環(huán)氧類涂層系統(tǒng)，其耐溫性能一般低于100℃，施工工藝有“先內(nèi)后外”和“先外后內(nèi)”兩種，目前均有工程應(yīng)用實例［13］。

對“先內(nèi)后外”工藝而言，在鋼管外防腐涂層涂敷時，已涂敷完成的鋼管內(nèi)涂層要承受短時200℃以上高溫的沖擊，這對內(nèi)涂層的性能會有不利影響。因此，對于“先內(nèi)后外”工藝，在進(jìn)行鋼管外防腐涂層涂敷時采用低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末，則能夠降低鋼管加熱溫度，減弱高溫對內(nèi)涂層的影響，保證內(nèi)涂層質(zhì)量。

2.3厚壁鋼管外防腐

近年來，大直徑厚壁鋼管在長輸管道領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。這類鋼管直徑大，管壁厚，自重大，對涂敷工藝參數(shù)和原材料的選擇提出了更高要求。

針對3LPE涂敷工藝而言，當(dāng)管壁厚超過20 mm時，中頻加熱通常只能加熱到管壁厚的60%左右［14］。鋼管表層熱量會向內(nèi)部傳導(dǎo)，導(dǎo)致鋼管表面溫度在進(jìn)入水冷段前出現(xiàn)較大幅度的下降。FBE涂層容易出現(xiàn)固化不完全、附著力降低，甚至出現(xiàn)剝離、翹邊等問題。

為避免上述問題的發(fā)生，在進(jìn)行厚壁鋼管3LPE底層涂敷時，應(yīng)對涂敷工藝參數(shù)做如下調(diào)整：其一，調(diào)整中頻感應(yīng)加熱電源的間距和工作頻率；其二，降低生產(chǎn)速率，充分利用鋼管熱傳導(dǎo)過程［14］。這樣雖然可以解決問題，但是增加了涂敷能耗，降低了生產(chǎn)效率。低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的涂敷溫度較低，若將其應(yīng)用于厚壁鋼管的涂敷，可以在不降低生產(chǎn)效率的同時，保證涂層性能不受影響。

2.4焊道補口

焊道是管道腐蝕防護(hù)最為薄弱的環(huán)節(jié)，補口涂層性能的優(yōu)劣對管道全壽命周期內(nèi)的安全運行有直接影響［15］。FBE涂層的防腐性能優(yōu)異，與主流的主體管道防腐層（FBE、3LPE、3LPP）兼容性良好，在管道防腐補口領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

上世紀(jì)60年代，3M公司首先提出將FBE涂層應(yīng)用于管道補口防腐的理念［1］。OJS、PIH、CCSI等國際知名的管道防腐公司對FBE補口工藝開展了大量的研究工作，包括材料開發(fā)、設(shè)備研制和工藝試驗。2003年和2008年，DNV和ISO先后發(fā)布關(guān)于油氣管道補口涂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（DNV RP- F102［16］和ISO 21809- 3［17］），F(xiàn)BE涂層作為一種重要的類型被收錄其中，F(xiàn)BE涂層迅速在管道補口領(lǐng)域獲得大量工程應(yīng)用。

目前國外大部分FBE補口工程項目使用的主要是普通型環(huán)氧粉末，少量為耐高溫型。由于上述兩種環(huán)氧粉末通常都要求在200～240℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行涂敷，因此需要加熱時間較長，而這對管道鋪設(shè)效率和主體涂層的性能都有不利影響。因此，將低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末應(yīng)用于補口FBE涂敷，可降低中頻感應(yīng)加熱用時和能耗，提高補口施工的效率并降低成本。此外，較低的涂敷溫度能減弱高溫對鋼管力學(xué)性能和主體管道涂層的不利影響。

阿克蘇諾貝爾公司開發(fā)的R- 726型低溫固化型環(huán)氧粉末，涂敷溫度180℃，2011年以來在PNG LNG項目、Gorgon- Jansz項目和Wheatstone項目的補口涂敷中得到應(yīng)用，如圖1所示［18］。但就國內(nèi)而言，將低溫固化型FBE涂層應(yīng)用于補口防腐涂敷領(lǐng)域，還是一個全新的課題。

3　低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末性能評價

從文獻(xiàn)和工程應(yīng)用來看，熔結(jié)環(huán)氧粉末配方體系和固化反應(yīng)條件的改變，會對其儲存穩(wěn)定性、反應(yīng)活性，以及FBE涂層熱特性、柔韌性、吸水性、與基材的附著力、抗陰極剝離等性能和關(guān)鍵的工藝參數(shù)產(chǎn)生較大影響［19- 20］。

圖1　低溫固化型環(huán)氧粉末在補口防腐中的應(yīng)用

筆者對國內(nèi)外廠家的低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研，并選擇若干種有代表性的環(huán)氧粉末產(chǎn)品，參照ISO 21809- 2［21］、ISO 21809- 3［17］、CSA Z245.20［22］等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，考察環(huán)氧粉末和FBE涂層的性能，試驗項目見表1～2。

表1　低溫固化型環(huán)氧粉末檢驗項目

表2　低溫固化型FBE涂層檢驗項目

總體來看，低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的性能與普通型環(huán)氧粉末相當(dāng)，可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)氧粉末性能的要求。筆者同時發(fā)現(xiàn)：由于涂敷溫度較低，部分廠家的環(huán)氧粉末膠化時間和固化時間較長；部分FBE涂層出現(xiàn)附著力下降、耐高溫陰極剝離和熱水浸泡性能較差問題；部分低溫固化型FBE涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度差值ΔTg與固化轉(zhuǎn)化率C結(jié)果沖突，即ΔTg值小于- 3℃，而同為評價固化度的固化轉(zhuǎn)化率C卻滿足要求，嚴(yán)重影響到涂層合格與否的判定。

4　結(jié)束語

隨著國內(nèi)長輸油氣管道建設(shè)的迅猛發(fā)展，性能與普通型熔結(jié)環(huán)氧粉末接近的低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末，不僅能夠降低涂敷能耗，而且對復(fù)雜、苛刻的施工環(huán)境有著更強(qiáng)的工藝適應(yīng)性，在高鋼級鋼管、含內(nèi)涂層的鋼管、厚壁鋼管外防腐以及焊道補口領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。但是，部分低溫固化型熔結(jié)環(huán)氧粉末的性能并不穩(wěn)定，有待改進(jìn)；在工程應(yīng)用過程中，需要對環(huán)氧粉末進(jìn)行嚴(yán)格檢測，對涂敷工藝進(jìn)行合理控制。

參考文獻(xiàn)

［1］KEHR J A. Fusion- Bonded Epoxy（FBE）：A Foundation for Pipeline Corrosion Protection［C］//Houston：NACE International，2003.

［2］DICKERSON J G. FBE Evolves to Meet Industry Need for Pipe Line Protection［J］. Pipeline and Gas Industry，2001，84（3）：67- 74.

［3］孔君華，郭斌，劉昌明，等.高鋼級管道鋼X80的研制與發(fā)展［J］.材料導(dǎo)報，2004，18（4）：23- 26.

［4］賴廣森. X80鋼級直縫管用低溫固化環(huán)氧粉末及其涂敷工藝［J］.防腐保溫技術(shù)，2011，19（1）：34- 37.

［5］劉紅偉，鄭中勝.環(huán)氧粉末涂層厚度、溫度與性能關(guān)系的試驗研究［J］.石油工程建設(shè)，2012，38（6）：61- 62.

［6］劉桂年，蒲旭亮，李欣昀，等.低溫固化熔結(jié)環(huán)氧粉末在鋼質(zhì)管道三層PE防腐中的應(yīng)用［J］.全面腐蝕控制，2012，26（11）：1- 4.

［7］王向農(nóng).研發(fā)低涂敷溫度的熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料［J］.防腐保溫技術(shù)，2010（3）：86- 90.

［8］BOTT I D S，DE SOUZA L F G，TEIXEIRA J C G，et al. Highstrength Steel Development for Pipelines：a Brazilian Perspective［J］. Metallurgical and Materials Transactions A，2005，36（2）：443- 454.

［9］張其濱，劉金霞，赫連建峰，等.管道3LPE防腐層技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.石油工程建設(shè)，2010，36（3）：1- 5.

［10］LAM C N C，WONG D T，EDMONDSON S J. Low Application Temperature Fusion Bonded Epoxy Coatings. Northern Area Western Conference［C］// Houston：NACE International，2010：59- 67.

［11］張其濱，邵懷啟，解蓓蓓，等. 3PE防腐層低溫涂敷工藝及性能研究［J］.石油工程建設(shè)，2009，35（3）：35- 37.

［12］胡士信，陳向新.天然氣管道減阻內(nèi)涂層技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：2- 3.

［13］陳耿，潘代波，駱暉，等.長輸天然氣管道內(nèi)涂層技術(shù)及其應(yīng)用［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2009（4）：15- 17.

［14］許傳新，常永懿，王向明，等. 3LPE/FBE外涂覆厚壁鋼管關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2011，14（1）：45- 47.

［15］張其濱，張麗萍，劉金霞，等.管道3LPE防腐層補口技術(shù)研究和應(yīng)用新進(jìn)展［J］.石油工程建設(shè)，2014，40（1）：45- 49.

［16］DNV RP- F102- 2003，Pipeline Field Joint Coating and Field Repair of Linepipe Coating［S］.

［17］ISO 21809- 3- 2008，Petroleum and Natural Gas Industries - External Coatings for Buried or Submerged Pipelines Used in Pipeline Transportation Systems- Part 3：Field Joint Coatings［S］.

［18］STEPHEN M D，JAMES L. Faster Field Joint Coating with Low Temperature FBE Powder Coatings and Class Leading Liquid Applied Epoxy Options［EB/OL］.［2015- 12- 10］. http：// www.engineersaustralia.org.au/sites/ default /files/20121204 _- _oil__gas_group.pdf

［19］PRATT J K，MALLOZZI M L. Development of a Low Application Temperature FBE Coating［C］//7th International Pipeline Conference. Calgary：American Society of Mechanical Engineers，2008：831- 834.

［20］ZHOU W，JEFFERS T E. Application Temperature，Cure，and Film Thickness Affect Cathodic Disboniment of FBE Coatings［J］. Materials Performance，2006，45（6）：24- 28.

［21］ISO 21809- 2- 2007，Petroleum and Natural Gas Industries External Coatings for Buried or Submerged Pipelines Used in Pipeline Transportation Systems- Part 2：Fusion- bonded Epoxy Coatings［S］.

［22］CSA Z245.20- 2010，Plant- applied External Coatings for Steel Pipe［S］.

Progress in Research and Application of Low Application Temperature Fusion Bonded Epoxy Used in Pipeline Coating

ZHAO Li，ZHAO Cen，CHEN Chunlin，XIANG Zhengle，LU Juan，YANG Yang，PENG Chuanwei
CNOOC Energy Technology &Services - Pipe Engineering Co.，Tianjin 300452，China

Abstract：Fusion bonded epoxy（FBE）coating has been used as anticorrosion coating of pipelines for about five decades. The curing temperature of recently developed low application temperature FBE is 160～190℃，which is about 40℃lower than conventional FBE. The low application temperature FBE，which not only is an energy saving material，but also shows suitability for complicated conditions，has great application prospect in the anticorrosion coatings of some special pipelines and pipeline positions. Principles，application scopes and notes of low application temperature FBE are introduced. It will provide references for project application of low application temperature FBE. The following conclusions are obtained by summarizing and analyzing：Low application temperature FBE can be used as external anticorrosion coating for high grade steel pipeline，pipeline with internal coating，thick- walled pipeline and field joint. But as a kind of new product，the performance of low application temperature FBE needs to be improved.

Keywords：fusion bonded epoxy；low application temperature；pipeline；anticorrosion

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.017

作者簡介：

趙利（1982-），男，山西臨汾人，工程師，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事海洋油氣輸送管道防腐、保溫及配重技術(shù)研究工作。Email：zhaoli2@cnooc.com.cn.

收稿日期：2015- 08- 28；修回日期：2015- 12- 31