輸水鋼管內壁IPN8710和FBE涂層的組織和性能對比

黃曉輝 ，徐紅莊 ，牛愛軍 ，韋奉 ，田磊 ，任春霞

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；3.上海寶世威鋼管制造有限公司，上海 200941；4.寶雞石油輸送管有限公司，陜西 寶雞 721008）

內腐蝕是輸水管線安全運行的最大隱患。目前，輸水鋼管內防腐有液態環氧涂料、熔結環氧粉末、納米陶瓷、內襯水泥砂漿等多種防腐材料[1-2]。近年來，國內輸水鋼管內壁主要選用液態環氧涂料和固態熔結環氧粉末，由于附著力不錯，一般粗糙度小于20 μm、內壁光滑、水力性能良好，都能解決輸水鋼管的內防腐問題，在市場上占絕對優勢。IPN8710防腐涂料是一種雙組分涂料，由樹脂、引發劑組成甲組分，活性單體、催化劑組成乙組分，具有附著力強，柔韌性好，耐酸、堿、鹽等介質侵蝕的優點，近年來作為一種給水管道用重防腐涂層，其市場占有率非常大。內熔結環氧粉末涂料是一種熱固性重防腐涂料，被廣泛應用于陸上、水下、海底等管線的內防腐，具有優良的機械性能、抗腐蝕性能和耐久性能，經過40多年來不斷的發展完善，已為全球處于各種環境中的20余萬km以上的管道長期低維護運行提供了可靠的保證，一直是世界給水管道工程的優選防腐層。水泥砂漿襯里在國外(如美國)也多被用于輸水鋼管線內壁，但砂漿原材料和涂覆工藝難以控制，砂漿襯里層疏松，厚薄不均，易導致與鋼管壁結合差，且表面不平整，水流阻力比較大[3-4]。納米陶瓷涂料與鋼管內壁形成合金層也多有研究，第一層是與鋼管內壁表面融為一體的鈍化層，可完全阻隔水、濕氣及氧，阻止鋼管內壁與水和氧氣產生反應，第二層即防腐蝕陶瓷層，在強堿、弱酸環境下具有優異的耐蝕性，但是陶瓷涂層總體與鋼管內壁結合力較差，極易脫落，這限制了陶瓷涂料的應用。為提高輸水管線使用年限，避免和減少腐蝕破壞，本文針對液態環氧涂料(IPN8710)和熔結環氧粉末(FBE)，進行組織性能對比，為工程實際應用提供更佳的選材方案，從而促進全球輸水鋼管內防腐用標準涂料的發展。

1 原料及試樣

1.1 試驗材料

IPN8710分IPN8710-1底漆和IPN8710-3面漆，前者由聚氨酯聚乙烯、改性環氧樹脂、無毒防銹顏填料、助劑等組成，常溫固化形成互穿網絡，涂膜結構致密，耐酸、堿、鹽，防銹性能優異，附著力強，后者由環氧、改性橡膠樹脂，無毒防銹顏填料、助劑等組成，耐化學品性能優異，無毒，抗微生物侵蝕，可作為飲水專用涂料。FBE以粉末單組分形態噴涂并熔融成膜，加熱固化交聯而形成連續的熱固性聚合物，與基體結合緊密，并且流平覆蓋整個鋼管表面，有很好的粘結強度和抗腐蝕性能，不含溶劑，屬食品級粉末，也可作為飲水專用涂料[4-7]。

1.2 試驗涂層制作

選用Q235鋼管作為基材。參考SY/T 0457–2010《鋼質管道液體環氧涂料內防腐層技術標準》和SY/T 0442–2010《鋼質管道熔結環氧粉末內防腐層技術標準》，沖砂處理至Sa2.5級，對噴涂IPN8710液態涂料的鋼管表面要求錨紋深度40 ~ 70 μm，除塵達到3級，對噴涂FBE固態粉末的鋼管表面要求錨紋深度50 ~ 100 μm，除塵達到2級。然后，模擬常見鋼管內涂裝工藝制作試驗用涂層，將IPN8710-1和IPN8710-3涂料進行預熱，采用無氣噴涂工藝，用離心式噴槍噴涂在輸水鋼管內壁，第一道(底層)噴涂IPN8710-1，第二道(面層)噴涂IPN8710-3，底層和面層都通過濕膜控制干膜厚度在100 ~ 150 μm，總厚度控制在200 ~ 255 μm(普通級)，涂覆后肉眼可見表面光滑，顏色一致，無皺皮、起泡、流掛、漏涂等缺陷，最后固化。噴涂FBE粉末涂料前，必須對輸水鋼管內壁進行預熱，鋼管內壁均勻加熱至(250 ± 10) ℃，然后開啟粉末靜電噴槍，噴涂厚度300 ~ 400 μm(普通級)，固化即可。陶瓷涂層作為對比試樣，100%固態，按與SSPC-SP 6/NACE 3相似的商業標準噴砂至Sa2.5級，雙組配噴合金陶瓷涂料，首先與鋼基材形成約2 μm厚的耐腐蝕合金層，然后很快自動在合金上形成一層約500 μm厚的陶瓷層。

2 涂層的組織性能

2.1 結合面微觀形貌

對輸水管線內壁噴涂IPN8710涂層、FBE涂層和陶瓷涂層的3種試樣進行切割后，在切割斷面噴金，采用日立S-3700N掃描電鏡(SEM)觀察斷面，均放大1 000倍。由圖1a可見，IPN8710涂層與管體結合面大部分咬合緊密，但也有部分空隙，以機械嵌合為主。由圖1b可見，FBE涂層與管體結合面緊密，斷面涂層與基體表面融為一體，FBE涂層在基體表面已生成鋼塑合金層，不僅有機械嵌合力，還有化學鍵、擴散及靜電結合力，結合力極強，可靠性高，不會片狀脫落。由圖1c可見，陶瓷涂層與管體雖有機械嵌合和化學鍵，但是涂層和管體上長裂紋較多，嵌合面空隙大、疏松。依據GB/T 5210–2006標準，采用拉拔法測量附著力，IPN8710涂層、FBE涂層和陶瓷涂層的附著力分別為12、22和4.4 MPa，可見陶瓷涂層與管體結合性能差，這是輸水鋼管很少選用陶瓷涂層的主要原因。輸水鋼管涂層的起泡、脫落以及腐蝕均起因于涂層濕附著力的破壞，提高涂層在基材上的濕附著力最為關鍵，IPN8710涂層和FBE涂層與基材有較高的結合力，尤其是FBE，遠高于美國水工協會標準要求的5.5 MPa，表明IPN8710涂層和FBE涂層都能在介質流動中具有良好的機械性能，使用壽命長。

圖1 鋼管涂層/基體結合面的截面SEM形貌 Figure 1 SEM images showing the cross-sectional morphologies of coating/steel substrate interface

2.2 表面形貌

采用德國蔡司激光共聚焦顯微鏡(CLSM)對IPN8710涂層和FBE涂層表面進行觀察。從圖2可見2種涂層表面平整、光滑、致密，具有類似“荷葉效應”的疏水流通和減阻效果，均可大幅提高水介質輸送效率。如圖2a所示，IPN8710涂層表面線掃描出來的波峰(淺黃色)和波谷(藍色)的高低差是0.05 ~ 1.80 μm；如圖2b所示，FBE涂層表面線掃描得到的波峰和波谷高低差為0.8 ~ 21.4 μm。FBE涂層微觀表面由于粉末熱熔噴涂的分散性，存在厚度稍有變化的坡度，這也從微觀上進一步解釋了IPN8710涂層表面摩阻系數(0.008 1)低于FBE涂層表面摩阻系數(0.008 6)的原因。與FBE涂層相比，IPN8710涂層表面更加光滑，有光澤，平緩，水力阻力更小。

圖2 涂層表面的CLSM形貌 Figure 2 Surface morphologies of coatings by CLSM

2.3 涂層內形貌

采用德國徠卡金相顯微鏡(OM)對IPN8710涂層和FBE涂層的斷面放大50倍觀察。可以發現，IPN8710涂層斷面中分布著大量小黑點，它們可能與IPN8710基體涂料成分較多，反應復雜，在常溫固化后涂層內反應生成一些黑色顆粒狀物質有關，但是肉眼之下看不出IPN8710涂層中有黑點，涂層宏觀呈漂亮的純白色。IPN8710涂層斷面在微觀下飽和、無氣泡、堅韌致密，其抗水滲透力應該很強。FBE涂層斷面中不僅也分布了一些小黑點，還存在大量密集球形氣泡，氣泡直徑20 ~ 75 μm。FBE涂層作為一種高聚物涂層，成膜過程普遍帶有針孔等缺陷，具有一定的滲透性微孔結構。FBE涂層內的孔隙易于含水、吸水，導致FBE涂層長期遇水后易粉化，其抵受水長期沖刷浸泡的能力有限[6-8]。增加FBE涂層厚度能阻緩水、氧氣等的透過，降低腐蝕介質在涂層中的擴散，提供更好的防腐效果。以上結果表明，IPN8710涂層的抗水滲透能力高于FBE涂層。

2.4 能譜分析

采用日立能譜儀(EDS)對IPN8710涂層和FBE涂層試樣斷面進行面掃描。由圖4可見，IPN8710涂層斷面的主要元素為O、Si、Ca。在IPN8710涂層內從外表面到基體，Si元素在2道涂層結合區域 呈大幅度遞減趨勢，到基材區后也略有降低。這是由于面漆中引入了彈性硅橡膠，IPN8710涂層總伸長率可超過100%，具有彈性，能承受溫度和應力帶來的體積收縮而安全服役。FBE涂層試樣的主要元素為O、Mg、Si、Cr，其中Si元素在涂層內從外表開始到靠近基材時呈遞增趨勢，到達基材區又大幅度減少，這是由于FBE粉末顏料引入了防腐性能極佳的鉻綠顏料和大量石英粉、云母、硅灰石等惰性功能填料，熱熔噴涂時它們發生重力沉淀和基體吸附，也正是這些顏填料在涂覆時的反應性能和熱膨脹系數不同，導致FBE涂層內部出現大量密集型縮孔[9]。

圖3 涂層斷面的金相顯微照片 Figure 3 Metallographs of sections of coatings

圖4 IPN8710涂層的斷面形貌(a)及能譜圖(b) Figure 4 Morphology (a) and energy-dispersive spectrum (b) of cross section of IPN8710 coating

圖5 FBE涂層的斷面形貌(a)及能譜圖(b) Figure 5 Morphology (a) and energy-dispersive spectrum (b) of cross section of FBE coating

2.5 耐磨性能

依據GB/T 1768–2006《色漆和清漆 耐磨性的測定 旋轉橡膠砂輪法》的要求，在美國Taber 5155旋轉耐磨試驗機上對IPN8710涂層和FBE涂層進行耐磨試驗，選用1 000 g的CS-17輪體對涂層表面連續摩擦1 000轉，采用電子天平稱量試驗前后的涂層試板質量差，測得3塊IPN8710涂層試板的平均質量損耗為125.5 mg，3塊FBE涂層試板的平均質量損耗僅為16.1 mg。可見FBE涂層的耐磨性能高達IPN8710涂層的8倍左右，FBE涂層在抗水沖刷耐磨性能上應優于IPN8710涂層。

3 涂層的耐熱試驗

3.1 差示掃描量熱(DSC)測試

如圖6所示，IPN8710涂層的玻璃化轉變溫度為136.58 °C，FBE涂層的玻璃化轉變溫度則達到168.99 °C。較高的玻璃態轉化溫度表明它們可承受水、高壓及高溫的長時間共同作用。IPN8710涂層通過提高聚合物的交聯密度和引入耐高溫有機硅，FBE涂層則通過引入剛性酚醛環氧樹脂，均實現了高玻璃態轉化溫度[8-10]。FBE涂層的耐溫性稍高于IPN8710涂層。

圖6 涂層的DSC測試圖 Figure 6 DSC diagrams of coatings

3.2 熱重分析(TGA)試驗

從圖7可見，IPN8710涂層的熱分解起始溫度為344.7 °C，FBE涂層的熱分解起始溫度更高，達到383.6 °C，遠高于管道實際運行溫度，表明這2種涂層在高溫條件下仍具有良好的熱穩定性，其熱分解溫度能完全承受管道瞬間高溫，能保證管道安全服役。

圖7 涂層的TGA測試圖 Figure 7 TGA diagrams of coatings

4 討論

輸水管道中有多種腐蝕介質，IPN8710涂層和FBE涂層都具有化學惰性，耐酸、堿和鹽的腐蝕[1,11]。IPN8710涂層和FBE涂層的優勢主要是附著力強、堅韌，可令管道內壁光滑，難以藏污納垢，不易滋生細菌，均屬于食品級環保型涂料。IPN8710涂層和FBE涂層對流體的摩擦阻力均小于輸水用預應力鋼筒混凝土管(PCCP)和球墨鑄鐵管內壁粗糙的水泥砂漿層，且IPN8710涂層和FBE涂層的附著力遠高于PCCP管和球墨鑄鐵管中的水泥砂漿層，這也是輸水鋼管逐漸選擇以IPN8710涂層和FBE涂層替代PCCP管和球墨鑄鐵管的原因之一。IPN8710屬于液態冷噴涂覆，固化時間長，雖是機械嵌合力，但是減阻效果好。FBE原是粉末，需與250 °C鋼管基體發生反應，生成鋼塑合金層，而加熱鋼管需要的熱能多，但FBE涂層與基材具有機械嵌合、化學鍵、擴散、靜電結合等作用力，附著力極強，耐磕碰、耐腐蝕、耐磨和耐沖擊性能也出眾。

FBE涂層的附著力比IPN8710涂層大，更難脫落，且更耐摩擦和磕碰，耐溫性也稍高，但是IPN8710涂層的結構比FBE涂層更致密，長期抗水滲透性好，其表面也更加平緩、光滑，水力阻力更小，而且屬于彈性涂層，不易開裂，能更好地承受工況溫度和應力變化帶來的膨脹效應。目前，IPN8710和FBE涂層都是全球輸水鋼管內防腐用標準材料，可根據實際工程要求和工況從中選擇一種來用。總之，這2種涂層經常可以互換。IPN8710涂層可常溫固化，方便現場施工和補口，適用于大口徑輸水鋼管防腐，尤其是自來水供水工程，能有效殺菌，也可用于酸、堿、鹽、海水等復雜環境。FBE涂層需在高溫下反應，尤其對大口徑鋼管所需加熱設備投資很大，適用于自來水、中水、污水等供水工程。

5 結語

輸水鋼管選用的IPN8710涂層和FBE涂層均具有優異的化學惰性，耐酸、堿、鹽腐蝕，表面光滑，水流阻力小，非常適合于輸水鋼管內壁的防腐應用。PN8710涂層和FBE涂層的附著力都很高，也有較高的玻璃化轉變溫度，可在一定高溫水中安全服役。實際輸水工程用鋼管的內防腐可優選IPN8710涂層或FBE涂層。