管道涂敷用低温固化型熔结环氧粉末研究及应用进展

赵　利，赵　岑，陈春林，相政乐，陆　娟，杨　阳，彭传伟中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津　300452



管道涂敷用低温固化型熔结环氧粉末研究及应用进展

赵利，赵岑，陈春林，相政乐，陆娟，杨阳，彭传伟
中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

摘要：熔结环氧粉末（FBE）涂层作为管道外防腐层已经有约五十年历史。近年来出现的低温固化型熔结环氧粉末，固化温度一般为160～190℃，较普通型环氧粉末低40℃左右。这类熔结环氧粉末能够降低涂敷能耗，适应苛刻的施工条件，在一些特殊管材和部位的防腐涂敷中应用前景良好。介绍了低温固化型熔结环氧粉末的配方原理、应用领域和应注意的问题，为其工程应用提供参考。经过分析得到如下结论：低温固化型环氧粉末可应用于高钢级钢管、含内涂层的钢管、厚壁钢管以及焊道补口等外防腐涂敷领域。但作为一种新产品，低温固化型环氧粉末的性能仍然有待改进和完善。

关键词：熔结环氧粉末；低温固化；管道；防腐

熔结环氧粉末（FBE）涂层在管道防腐领域已有约五十年的应用历史。FBE涂层既可单独作为管道防腐层，也可作为三层防腐体系（如3LPE）的底涂层［1］。环氧粉末涂料经过喷涂、熔融、流平、固化等过程，在钢管表面形成防腐层。在此过程中，涂敷温度是决定FBE涂层与钢管结合力的关键因素之一［2］。通常来讲，为达到最佳性能，单层防腐体系中的FBE涂层需在230℃左右涂敷，而三层防腐体系中的FBE涂层需在205℃左右涂敷。

1　低温固化型熔结环氧粉末的配方原理

近年来，针对钢管低温涂敷的新需求，国内外厂家对环氧粉末配方体系进行了一系列的研究，开发出了一系列低温固化型熔结环氧粉末，其固化温度一般为160～190℃，较普通型环氧粉末低40℃左右［3］。

熔结环氧粉末由环氧树脂、固化剂、颜料、填料和助剂组成，而环氧树脂和固化剂是影响涂敷温度和FBE涂层质量的主要因素。环氧树脂和固化剂的种类及活性官能团的数量，决定了环氧粉末的反应活性及温度敏感性。

低温固化型环氧粉末采用的环氧树脂主要为双酚A型环氧树脂和酚醛改性环氧树脂，分子结构中含有支链化的强极性环氧基团。该类树脂在较低的温度下能够快速发生化学反应，配以合适的固化剂，可以实现环氧粉末涂料低温固化［4］。

固化剂对环氧粉末的涂敷温度及FBE涂层的附着力影响很大。低温固化型环氧粉末一般采用双氰胺或酰胺类固化剂。为了实现低温快速固化，在固化剂分子结构设计中通常会添加部分小分子羟基化合物或催化剂来提高反应活性。

2　低温固化型熔结环氧粉末的应用

普通型熔结环氧粉末一般在205～230℃进行涂敷，其涂层才能达到最佳性能［5］。而低温固化型熔结环氧粉末的涂敷温度比普通型环氧粉末低40℃左右，其应用于管道防腐领域的优势主要有两点：

（1）显著降低涂敷能耗。据报道，采用低温固化型熔结环氧粉末对D 508 mm×14.3 mm钢管进行防腐涂敷，在中频感应加热工序可节能约17%［6］。

（2）对复杂、苛刻施工条件的适应性好。因此，低温固化型熔结环氧粉末在特殊管材和部位，如高钢级钢管外防腐涂敷、含内涂层的钢管外防腐涂敷、厚壁钢管外防腐涂敷以及管道补口等领域有着较大的应用优势，发展前景良好。

2.1高钢级钢管外防腐

近年来，天然气长输管道多使用薄壁高钢级钢管（钢级为X80、X100、X120）［7］，这类钢管具有较高的屈服强度和较好的柔韧性，能够大幅度降低长输管道的施工和输送成本［8］。但是，高钢级钢管在经历冷变形后再加热到一定温度（约200℃）时，会产生明显的应变时效，影响力学性能，主要体现为屈服强度和屈强比的升高，而韧性和延展性下降［9］，影响钢管的焊接和服役性能。

为了防止应变时效的出现，在高钢级钢管表面进行FBE涂敷时，钢管预热温度一般应低于200℃。这就要求环氧粉末能够在200℃以下快速反应固化，且FBE涂层性能符合标准要求。而低温固化型熔结环氧粉末能够满足此条件。

Bredero Shaw公司已将低温固化型熔结环氧粉末应用于北美高寒地区多条FBE和3LPE防腐管道涂敷中，涂敷温度为175～200℃［10］。国内西二线、西三线工程采用X80直缝钢管，其3LPE底层使用的也是低温固化型熔结环氧粉末，涂敷温度为185～195℃［11］。总体来看，低温固化型熔结环氧粉末用于高钢级钢管外防腐层涂敷的工艺已较为成熟，工程应用实例也较多。

2.2含内涂层的钢管外防腐

据测算，内涂层可使天然气管道输气量提高4%～8%［12］。内涂层较多采用环氧类涂层系统，其耐温性能一般低于100℃，施工工艺有“先内后外”和“先外后内”两种，目前均有工程应用实例［13］。

对“先内后外”工艺而言，在钢管外防腐涂层涂敷时，已涂敷完成的钢管内涂层要承受短时200℃以上高温的冲击，这对内涂层的性能会有不利影响。因此，对于“先内后外”工艺，在进行钢管外防腐涂层涂敷时采用低温固化型熔结环氧粉末，则能够降低钢管加热温度，减弱高温对内涂层的影响，保证内涂层质量。

2.3厚壁钢管外防腐

近年来，大直径厚壁钢管在长输管道领域获得了广泛的应用。这类钢管直径大，管壁厚，自重大，对涂敷工艺参数和原材料的选择提出了更高要求。

针对3LPE涂敷工艺而言，当管壁厚超过20 mm时，中频加热通常只能加热到管壁厚的60%左右［14］。钢管表层热量会向内部传导，导致钢管表面温度在进入水冷段前出现较大幅度的下降。FBE涂层容易出现固化不完全、附着力降低，甚至出现剥离、翘边等问题。

为避免上述问题的发生，在进行厚壁钢管3LPE底层涂敷时，应对涂敷工艺参数做如下调整：其一，调整中频感应加热电源的间距和工作频率；其二，降低生产速率，充分利用钢管热传导过程［14］。这样虽然可以解决问题，但是增加了涂敷能耗，降低了生产效率。低温固化型熔结环氧粉末的涂敷温度较低，若将其应用于厚壁钢管的涂敷，可以在不降低生产效率的同时，保证涂层性能不受影响。

2.4焊道补口

焊道是管道腐蚀防护最为薄弱的环节，补口涂层性能的优劣对管道全寿命周期内的安全运行有直接影响［15］。FBE涂层的防腐性能优异，与主流的主体管道防腐层（FBE、3LPE、3LPP）兼容性良好，在管道防腐补口领域有着广阔的应用前景。

上世纪60年代，3M公司首先提出将FBE涂层应用于管道补口防腐的理念［1］。OJS、PIH、CCSI等国际知名的管道防腐公司对FBE补口工艺开展了大量的研究工作，包括材料开发、设备研制和工艺试验。2003年和2008年，DNV和ISO先后发布关于油气管道补口涂层标准规范（DNV RP- F102［16］和ISO 21809- 3［17］），FBE涂层作为一种重要的类型被收录其中，FBE涂层迅速在管道补口领域获得大量工程应用。

目前国外大部分FBE补口工程项目使用的主要是普通型环氧粉末，少量为耐高温型。由于上述两种环氧粉末通常都要求在200～240℃温度范围内进行涂敷，因此需要加热时间较长，而这对管道铺设效率和主体涂层的性能都有不利影响。因此，将低温固化型熔结环氧粉末应用于补口FBE涂敷，可降低中频感应加热用时和能耗，提高补口施工的效率并降低成本。此外，较低的涂敷温度能减弱高温对钢管力学性能和主体管道涂层的不利影响。

阿克苏诺贝尔公司开发的R- 726型低温固化型环氧粉末，涂敷温度180℃，2011年以来在PNG LNG项目、Gorgon- Jansz项目和Wheatstone项目的补口涂敷中得到应用，如图1所示［18］。但就国内而言，将低温固化型FBE涂层应用于补口防腐涂敷领域，还是一个全新的课题。

3　低温固化型熔结环氧粉末性能评价

从文献和工程应用来看，熔结环氧粉末配方体系和固化反应条件的改变，会对其储存稳定性、反应活性，以及FBE涂层热特性、柔韧性、吸水性、与基材的附着力、抗阴极剥离等性能和关键的工艺参数产生较大影响［19- 20］。

图1　低温固化型环氧粉末在补口防腐中的应用

笔者对国内外厂家的低温固化型熔结环氧粉末产品进行了调研，并选择若干种有代表性的环氧粉末产品，参照ISO 21809- 2［21］、ISO 21809- 3［17］、CSA Z245.20［22］等标准进行试验，考察环氧粉末和FBE涂层的性能，试验项目见表1～2。

表1　低温固化型环氧粉末检验项目

表2　低温固化型FBE涂层检验项目

总体来看，低温固化型熔结环氧粉末的性能与普通型环氧粉末相当，可满足相关标准对环氧粉末性能的要求。笔者同时发现：由于涂敷温度较低，部分厂家的环氧粉末胶化时间和固化时间较长；部分FBE涂层出现附着力下降、耐高温阴极剥离和热水浸泡性能较差问题；部分低温固化型FBE涂层的玻璃化转变温度差值ΔTg与固化转化率C结果冲突，即ΔTg值小于- 3℃，而同为评价固化度的固化转化率C却满足要求，严重影响到涂层合格与否的判定。

4　结束语

随着国内长输油气管道建设的迅猛发展，性能与普通型熔结环氧粉末接近的低温固化型熔结环氧粉末，不仅能够降低涂敷能耗，而且对复杂、苛刻的施工环境有着更强的工艺适应性，在高钢级钢管、含内涂层的钢管、厚壁钢管外防腐以及焊道补口领域有着非常广阔的应用前景。但是，部分低温固化型熔结环氧粉末的性能并不稳定，有待改进；在工程应用过程中，需要对环氧粉末进行严格检测，对涂敷工艺进行合理控制。

参考文献

［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］孔君华，郭斌，刘昌明，等.高钢级管道钢X80的研制与发展［J］.材料导报，2004，18（4）：23- 26.

［4］赖广森. X80钢级直缝管用低温固化环氧粉末及其涂敷工艺［J］.防腐保温技术，2011，19（1）：34- 37.

［5］刘红伟，郑中胜.环氧粉末涂层厚度、温度与性能关系的试验研究［J］.石油工程建设，2012，38（6）：61- 62.

［6］刘桂年，蒲旭亮，李欣昀，等.低温固化熔结环氧粉末在钢质管道三层PE防腐中的应用［J］.全面腐蚀控制，2012，26（11）：1- 4.

［7］王向农.研发低涂敷温度的熔结环氧粉末涂料［J］.防腐保温技术，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］张其滨，刘金霞，赫连建峰，等.管道3LPE防腐层技术的研究与应用进展［J］.石油工程建设，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］张其滨，邵怀启，解蓓蓓，等. 3PE防腐层低温涂敷工艺及性能研究［J］.石油工程建设，2009，35（3）：35- 37.

［12］胡士信，陈向新.天然气管道减阻内涂层技术［M］.北京：化学工业出版社，2003：2- 3.

［13］陈耿，潘代波，骆晖，等.长输天然气管道内涂层技术及其应用［J］.管道技术与设备，2009（4）：15- 17.

［14］许传新，常永懿，王向明，等. 3LPE/FBE外涂覆厚壁钢管关键技术［J］.现代涂料与涂装，2011，14（1）：45- 47.

［15］张其滨，张丽萍，刘金霞，等.管道3LPE防腐层补口技术研究和应用新进展［J］.石油工程建设，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

作者简介：

赵利（1982-），男，山西临汾人，工程师，2006年毕业于中国矿业大学，现从事海洋油气输送管道防腐、保温及配重技术研究工作。Email：zhaoli2@cnooc.com.cn.

收稿日期：2015- 08- 28；修回日期：2015- 12- 31