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(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)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(nèi)腐蝕是輸水管線安全運(yùn)行的最大隱患。目前，輸水鋼管內(nèi)防腐有液態(tài)環(huán)氧涂料、熔結(jié)環(huán)氧粉末、納米陶瓷、內(nèi)襯水泥砂漿等多種防腐材料[1-2]。近年來，國內(nèi)輸水鋼管內(nèi)壁主要選用液態(tài)環(huán)氧涂料和固態(tài)熔結(jié)環(huán)氧粉末，由于附著力不錯(cuò)，一般粗糙度小于20 μm、內(nèi)壁光滑、水力性能良好，都能解決輸水鋼管的內(nèi)防腐問題，在市場(chǎng)上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。IPN8710防腐涂料是一種雙組分涂料，由樹脂、引發(fā)劑組成甲組分，活性單體、催化劑組成乙組分，具有附著力強(qiáng)，柔韌性好，耐酸、堿、鹽等介質(zhì)侵蝕的優(yōu)點(diǎn)，近年來作為一種給水管道用重防腐涂層，其市場(chǎng)占有率非常大。內(nèi)熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料是一種熱固性重防腐涂料，被廣泛應(yīng)用于陸上、水下、海底等管線的內(nèi)防腐，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、抗腐蝕性能和耐久性能，經(jīng)過40多年來不斷的發(fā)展完善，已為全球處于各種環(huán)境中的20余萬km以上的管道長期低維護(hù)運(yùn)行提供了可靠的保證，一直是世界給水管道工程的優(yōu)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(nèi)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(dǎo)致與鋼管壁結(jié)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(nèi)壁形成合金層也多有研究，第一層是與鋼管內(nèi)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(nèi)壁與水和氧氣產(chǎn)生反應(yīng)，第二層即防腐蝕陶瓷層，在強(qiáng)堿、弱酸環(huán)境下具有優(yōu)異的耐蝕性，但是陶瓷涂層總體與鋼管內(nèi)壁結(jié)合力較差，極易脫落，這限制了陶瓷涂料的應(yīng)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(duì)液態(tài)環(huán)氧涂料(IPN8710)和熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)，進(jìn)行組織性能對(duì)比，為工程實(shí)際應(yīng)用提供更佳的選材方案，從而促進(jìn)全球輸水鋼管內(nèi)防腐用標(biāo)準(zhǔn)涂料的發(fā)展。

1 原料及試樣

1.1 試驗(yàn)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(huán)氧樹脂、無毒防銹顏填料、助劑等組成，常溫固化形成互穿網(wǎng)絡(luò)，涂膜結(jié)構(gòu)致密，耐酸、堿、鹽，防銹性能優(yōu)異，附著力強(qiáng)，后者由環(huán)氧、改性橡膠樹脂，無毒防銹顏填料、助劑等組成，耐化學(xué)品性能優(yōu)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(tài)噴涂并熔融成膜，加熱固化交聯(lián)而形成連續(xù)的熱固性聚合物，與基體結(jié)合緊密，并且流平覆蓋整個(gè)鋼管表面，有很好的粘結(jié)強(qiáng)度和抗腐蝕性能，不含溶劑，屬食品級(jí)粉末，也可作為飲水專用涂料[4-7]。

1.2 試驗(yàn)涂層制作

選用Q235鋼管作為基材。參考SY/T 0457–2010《鋼質(zhì)管道液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和SY/T 0442–2010《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，沖砂處理至Sa2.5級(jí)，對(duì)噴涂IPN8710液態(tài)涂料的鋼管表面要求錨紋深度40 ~ 70 μm，除塵達(dá)到3級(jí)，對(duì)噴涂FBE固態(tài)粉末的鋼管表面要求錨紋深度50 ~ 100 μm，除塵達(dá)到2級(jí)。然后，模擬常見鋼管內(nèi)涂裝工藝制作試驗(yàn)用涂層，將IPN8710-1和IPN8710-3涂料進(jìn)行預(yù)熱，采用無氣噴涂工藝，用離心式噴槍噴涂在輸水鋼管內(nèi)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(jí))，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(duì)輸水鋼管內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)熱，鋼管內(nèi)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(jí))，固化即可。陶瓷涂層作為對(duì)比試樣，100%固態(tài)，按與SSPC-SP 6/NACE 3相似的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)噴砂至Sa2.5級(jí)，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(dòng)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(jié)合面微觀形貌

對(duì)輸水管線內(nèi)壁噴涂IPN8710涂層、FBE涂層和陶瓷涂層的3種試樣進(jìn)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(jié)合面大部分咬合緊密，但也有部分空隙，以機(jī)械嵌合為主。由圖1b可見，F(xiàn)BE涂層與管體結(jié)合面緊密，斷面涂層與基體表面融為一體，F(xiàn)BE涂層在基體表面已生成鋼塑合金層，不僅有機(jī)械嵌合力，還有化學(xué)鍵、擴(kuò)散及靜電結(jié)合力，結(jié)合力極強(qiáng)，可靠性高，不會(huì)片狀脫落。由圖1c可見，陶瓷涂層與管體雖有機(jī)械嵌合和化學(xué)鍵，但是涂層和管體上長裂紋較多，嵌合面空隙大、疏松。依據(jù)GB/T 5210–2006標(biāo)準(zhǔn)，采用拉拔法測(cè)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(jié)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(guān)鍵，IPN8710涂層和FBE涂層與基材有較高的結(jié)合力，尤其是FBE，遠(yuǎn)高于美國水工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求的5.5 MPa，表明IPN8710涂層和FBE涂層都能在介質(zhì)流動(dòng)中具有良好的機(jī)械性能，使用壽命長。

圖1 鋼管涂層/基體結(jié)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(duì)IPN8710涂層和FBE涂層表面進(jìn)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(yīng)”的疏水流通和減阻效果，均可大幅提高水介質(zhì)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(lán)色)的高低差是0.05 ~ 1.80 μm；如圖2b所示，F(xiàn)BE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(jìn)一步解釋了IPN8710涂層表面摩阻系數(shù)(0.008 1)低于FBE涂層表面摩阻系數(shù)(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(nèi)形貌

采用德國徠卡金相顯微鏡(OM)對(duì)IPN8710涂層和FBE涂層的斷面放大50倍觀察?？梢园l(fā)現(xiàn)，IPN8710涂層斷面中分布著大量小黑點(diǎn)，它們可能與IPN8710基體涂料成分較多，反應(yīng)復(fù)雜，在常溫固化后涂層內(nèi)反應(yīng)生成一些黑色顆粒狀物質(zhì)有關(guān)，但是肉眼之下看不出IPN8710涂層中有黑點(diǎn)，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(jiān)韌致密，其抗水滲透力應(yīng)該很強(qiáng)。FBE涂層斷面中不僅也分布了一些小黑點(diǎn)，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(jié)構(gòu)。FBE涂層內(nèi)的孔隙易于含水、吸水，導(dǎo)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(zhì)在涂層中的擴(kuò)散，提供更好的防腐效果。以上結(jié)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(duì)IPN8710涂層和FBE涂層試樣斷面進(jìn)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(nèi)從外表面到基體，Si元素在2道涂層結(jié)合區(qū)域 呈大幅度遞減趨勢(shì)，到基材區(qū)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(yīng)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(nèi)從外表開始到靠近基材時(shí)呈遞增趨勢(shì)，到達(dá)基材區(qū)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(shí)它們發(fā)生重力沉淀和基體吸附，也正是這些顏填料在涂覆時(shí)的反應(yīng)性能和熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致FBE涂層內(nèi)部出現(xiàn)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(jù)GB/T 1768–2006《色漆和清漆 耐磨性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》的要求，在美國Taber 5155旋轉(zhuǎn)耐磨試驗(yàn)機(jī)上對(duì)IPN8710涂層和FBE涂層進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，選用1 000 g的CS-17輪體對(duì)涂層表面連續(xù)摩擦1 000轉(zhuǎn)，采用電子天平稱量試驗(yàn)前后的涂層試板質(zhì)量差，測(cè)得3塊IPN8710涂層試板的平均質(zhì)量損耗為125.5 mg，3塊FBE涂層試板的平均質(zhì)量損耗僅為16.1 mg?？梢奆BE涂層的耐磨性能高達(dá)IPN8710涂層的8倍左右，F(xiàn)BE涂層在抗水沖刷耐磨性能上應(yīng)優(yōu)于IPN8710涂層。

3 涂層的耐熱試驗(yàn)

3.1 差示掃描量熱(DSC)測(cè)試

如圖6所示，IPN8710涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為136.58 °C，F(xiàn)BE涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度則達(dá)到168.99 °C。較高的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度表明它們可承受水、高壓及高溫的長時(shí)間共同作用。IPN8710涂層通過提高聚合物的交聯(lián)密度和引入耐高溫有機(jī)硅，F(xiàn)BE涂層則通過引入剛性酚醛環(huán)氧樹脂，均實(shí)現(xiàn)了高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)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(cè)試圖 Figure 6 DSC diagrams of coatings

3.2 熱重分析(TGA)試驗(yàn)

從圖7可見，IPN8710涂層的熱分解起始溫度為344.7 °C，F(xiàn)BE涂層的熱分解起始溫度更高，達(dá)到383.6 °C，遠(yuǎn)高于管道實(shí)際運(yùn)行溫度，表明這2種涂層在高溫條件下仍具有良好的熱穩(wěn)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(cè)試圖 Figure 7 TGA diagrams of coatings

4 討論

輸水管道中有多種腐蝕介質(zhì)，IPN8710涂層和FBE涂層都具有化學(xué)惰性，耐酸、堿和鹽的腐蝕[1,11]。IPN8710涂層和FBE涂層的優(yōu)勢(shì)主要是附著力強(qiáng)、堅(jiān)韌，可令管道內(nèi)壁光滑，難以藏污納垢，不易滋生細(xì)菌，均屬于食品級(jí)環(huán)保型涂料。IPN8710涂層和FBE涂層對(duì)流體的摩擦阻力均小于輸水用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)和球墨鑄鐵管內(nèi)壁粗糙的水泥砂漿層，且IPN8710涂層和FBE涂層的附著力遠(yuǎn)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(tài)冷噴涂覆，固化時(shí)間長，雖是機(jī)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(fā)生反應(yīng)，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(jī)械嵌合、化學(xué)鍵、擴(kuò)散、靜電結(jié)合等作用力，附著力極強(qiáng)，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(jié)構(gòu)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(yīng)力變化帶來的膨脹效應(yīng)。目前，IPN8710和FBE涂層都是全球輸水鋼管內(nèi)防腐用標(biāo)準(zhǔn)材料，可根據(jù)實(shí)際工程要求和工況從中選擇一種來用?？傊?，這2種涂層經(jīng)?？梢曰Q。IPN8710涂層可常溫固化，方便現(xiàn)場(chǎng)施工和補(bǔ)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(fù)雜環(huán)境。FBE涂層需在高溫下反應(yīng)，尤其對(duì)大口徑鋼管所需加熱設(shè)備投資很大，適用于自來水、中水、污水等供水工程。

5 結(jié)語

輸水鋼管選用的IPN8710涂層和FBE涂層均具有優(yōu)異的化學(xué)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(nèi)壁的防腐應(yīng)用。PN8710涂層和FBE涂層的附著力都很高，也有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，可在一定高溫水中安全服役。實(shí)際輸水工程用鋼管的內(nèi)防腐可優(yōu)選IPN8710涂層或FBE涂層。