近日，由河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)和海油發(fā)展珠海管道工程有限公司在《涂料工業(yè)》上聯(lián)合首發(fā)的論文《熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料研究進展和在管道防腐上的應(yīng)用》對外發(fā)表。
該論文介紹了熔結(jié)環(huán)氧(fusion-bonded epoxy,FBE)粉末涂料作為一種防腐材料的特點,包括其良好的耐腐蝕性、與金屬的黏結(jié)性能以及環(huán)保特性。通過對近5年來FBE粉末涂料領(lǐng)域的研究成果進行了總結(jié)和分析，梳理了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、組分、工藝和工程應(yīng)用等方面的最新研究進展。指出提升FBE涂料在管道防腐涂料領(lǐng)域的研究水平和應(yīng)用水平,有助于減少管道失效事故的發(fā)生,確保輸送油氣等資源的安全可靠。
研究人員指出，管道運輸已成為油氣輸送等領(lǐng)域的主要運輸方式。無論是已經(jīng)開展的西氣東輸工程，還是目前我國在開展的圍繞中亞-俄羅斯、中東、非洲、拉美和亞太等國際油氣合作區(qū)項目，都離不開管道運輸。
然而，在管道運輸中，金屬材料腐蝕是造成經(jīng)濟損失及安全事故的一大重要因素。據(jù)美國管道和危險材料安全管理局（PHMSA）統(tǒng)計分析，2010 年以來美國油品、天然氣管道事故，排名前三位的失效原因分別為腐蝕、管體/焊縫材料失效和設(shè)備失效。在大慶油田管道失效的成因分析的文章中提到，腐蝕占到失效原因的90%。因此，對管道防腐材料的不斷深入研究與開發(fā)是至關(guān)重要的。
由于金屬材料本身防腐能力的改善具有一定的局限性，通常難以同時實現(xiàn)高防腐性、高強度和低成本。因此，在管道防腐中常采用在金屬材料表面涂敷防腐涂料的方式。管道防腐涂料通過阻止腐蝕性介質(zhì)、氧氣、水等會引起腐蝕的物質(zhì)進入金屬表面，以達到防腐的目的。這要求防腐涂料具備抗沖擊性、抗?jié)B透性、絕緣性等關(guān)鍵特性，并與金屬具有出色的黏結(jié)性能。
在滿足這些要求的管道防腐涂料中，經(jīng)歷了從最早的石油瀝青到環(huán)氧煤瀝青、煤焦油瓷漆的發(fā)展，最終演變?yōu)榫邆淇箾_擊性、抗?jié)B透性、絕緣性和與金屬黏結(jié)性等綜合性能更優(yōu)越的熔結(jié)環(huán)氧（fusion-bonded epoxy，F(xiàn)BE）粉末涂料。目前，F(xiàn)BE粉末涂料已成為新建管道使用最普遍的防腐材料之一。
FBE粉末涂料概述
FBE粉末涂料是一種防腐材料，最初在20世紀(jì)50年代被開發(fā)用于電氣絕緣領(lǐng)域，隨后被應(yīng)用于管道外防腐領(lǐng)域并一直沿用至今。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)BE粉末涂料還被廣泛用于補口防腐、管道內(nèi)防腐和彎管防腐等領(lǐng)域。在管道外防腐技術(shù)中，F(xiàn)BE粉末涂料已經(jīng)發(fā)展出多種不同的防腐技術(shù)，例如單獨作為單涂層、雙涂層以及三涂層的底層防腐層等。
FBE粉末涂料在管道防腐領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的原因是它具備良好的耐腐蝕性和與金屬優(yōu)異的黏結(jié)性能，同時滿足生產(chǎn)、存儲、涂敷工藝、管道運輸及施工、成本等方面的所需條件，生產(chǎn)商能夠接受。此外，F(xiàn)BE粉末涂料具有環(huán)境友好的特性，符合現(xiàn)代社會對環(huán)境保護的需求。且屬于無溶劑涂料，揮發(fā)性有機化合物（VOCs）含量較低。
Knudsen等的調(diào)查表明，粉末涂料在21世紀(jì)10年代的世界涂料市場占有率達到11%。并且在涂料工業(yè)“十四五”規(guī)劃中，無溶劑防腐涂料、粉末涂料等產(chǎn)品將在工業(yè)防腐領(lǐng)域逐步擴大應(yīng)用。因此，F(xiàn)BE粉末涂料的優(yōu)越性和環(huán)保特性使其成為管道防腐領(lǐng)域中不可或缺的一種材料。
FBE涂層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究
FBE粉末涂料作為防腐涂料領(lǐng)域中市場份額較大的一種，用其制備涂層的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在我國和歐美發(fā)達國家持續(xù)出臺和更新。在我國，2020年頒布了針對FBE外涂層的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 39636—2020《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》。在此之前，我國采用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0315—2013《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》。李東陽等對GB/T 39636—2020 進行了詳細解讀，并將其與SY/T0315—2013 標(biāo)準(zhǔn)進行了逐條對比。研究表明，新標(biāo)準(zhǔn)在 FBE及其涂層的附著力、粘接面孔隙率、斷面孔隙率、抗沖擊、陰極剝離和熱特性等指標(biāo)要求上有所提高。
此外，針對管道外涂層防腐技術(shù)規(guī)范，加拿大CAS Z245. 20-18《鋼管外熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層》、美國NACERP0394-94《工廠應(yīng)用的熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂管道涂層的應(yīng)用、性能和質(zhì)量控制》、API RP 5 L9—2001（2015）《管道外熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層》、德國DIN30670—2012《鋼管和管件的聚乙烯涂層-要求和測試》、澳大利亞 AS/NZS 3862—2002《鋼管外熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層》等標(biāo)準(zhǔn)對單層環(huán)氧粉末、雙層環(huán)氧粉末和三層聚乙烯涂層提出了詳盡的技術(shù)要求。
張圣光等對這一系列的國內(nèi)外環(huán)氧粉末外涂層標(biāo)準(zhǔn)進行了對比分析，吳希革對 SY/T 0315—2013標(biāo)準(zhǔn)進行了詳細解析，韓冰等則系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外FBE粉末涂料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這3篇文章均發(fā)表于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T39636—2020頒布之前，主要針對SY/T0315—2013標(biāo)準(zhǔn)展開研究，并指出了SY/T 0315—2013 相對于國際標(biāo)準(zhǔn)存在的先進性和不足之處。他們的研究成果為外涂層技術(shù)的進一步發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗和建議，也進一步推動了行業(yè)進步以及新標(biāo)準(zhǔn)的頒布。
綜合以上文獻，GB/T39636—2020 是以 SY/T 0315—2013為基準(zhǔn)，提高、細化并增加了對FBE涂料及涂層性能指標(biāo)的要求，適用的引用環(huán)境和流域的變化并不大，2個標(biāo)準(zhǔn)都適用于鋼質(zhì)管道單層和雙層結(jié)構(gòu)的FBE外涂層的設(shè)計、生產(chǎn)、施工和檢驗。
在標(biāo)準(zhǔn)GB/T39636—2020中，增加了陰極剝離和附著力測試28d的條目，以及界面雜質(zhì)污染率指標(biāo)條目。此外，耐磨性測試方法也由落砂法改為砂輪法。還增加了對管道涂層長期性能檢驗要求和界面雜質(zhì)污染百分率指標(biāo)的規(guī)定，并對原材料抽檢批次、涂層面層和底層的指標(biāo)要求進行了細化。
值得一提的是，新標(biāo)準(zhǔn)使用的檢測方法與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21809-2：2014 和 CSAZ245. 20-18 的要求更加接近。然而，仍存在一些差異，比如缺乏統(tǒng)一的吸水率、硬度等檢測方法。
針對FBE內(nèi)涂層，我國采用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T0442-2018《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)》。國際上 FBE內(nèi)涂層采用的標(biāo)準(zhǔn)包括：材料測試標(biāo)準(zhǔn)NACE RP0394-94、 CSA Z245. 20-18和ANSI/API 5L7-88；內(nèi)涂層材料測試標(biāo)準(zhǔn)NACETM0185-93，NACE RP0394-94 等。國際上內(nèi)涂層的涂敷標(biāo)準(zhǔn)參考了 FBE 外涂層等涂敷標(biāo)準(zhǔn)。與外涂層相比，內(nèi)涂層的發(fā)展起步時間較晚，近5年還沒有對SY/T 0442-2018與國際標(biāo)準(zhǔn)比較的相關(guān)研究。
然而，需要指出的是，由于FBE相關(guān)技術(shù)仍在不斷進步，同時其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，工程實踐中仍可能出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)無法覆蓋的情況。此外，標(biāo)準(zhǔn)僅對材料要求進行了最低限度的規(guī)定，無法涵蓋個性化材料和新材料的特殊性。因此，張國慶指出，國內(nèi)外所有防腐涂層標(biāo)準(zhǔn)都基于較為常見的使用環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)文件通常會聲明類似于“本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了常規(guī)的最低技術(shù)要求”。法國道達爾石油公司根據(jù)項目實際情況在其項目技術(shù)規(guī)格書中增加了自制的檢測方法和技術(shù)要求，為項目安全提供了保障，這種做法值得借鑒和學(xué)習(xí)。
FBE粉末涂料工程
案例研究
根據(jù)FBE在不同工程中的實際應(yīng)用情況，相關(guān)領(lǐng)域的工程師進行了研究。通過總結(jié)近5年的文獻工程案例，介紹了 FBE涂層在特殊和復(fù)雜環(huán)境（灘海油田和柴達木盆地等）下的使用研究，以及FBE涂層作為輸油管道的內(nèi)涂層以及輸水管道的內(nèi)外涂層等相對較新的領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
在灘海油田，由于存在自然保護區(qū)且敷設(shè)環(huán)境較差，地表植被的根系變化可能導(dǎo)致管道外防腐層的破損。此外，大面積放水可能導(dǎo)致管道淹沒，這對管道的外防腐要求提出了更高的要求。針對這種情況，楊風(fēng)斌等提供了可采用3PE防腐技術(shù)進行防護，該技術(shù)以FBE涂層作為底層，使用中間層膠黏劑將底層FBE與上層聚乙烯黏結(jié)在一起，可在保持FBE防腐特性的基礎(chǔ)上，提高保護層的強度。
類似地，李春雨等分析了柴達木盆地的鹽漬土對腐蝕性的影響，并指出FBE涂層損壞的主要原因是防腐層的損傷。根據(jù)對土壤的分析，選擇具有較高強度的3PE防腐涂層技術(shù)更具優(yōu)勢。
此外，趙向東針對熱煨彎管防腐的實際工程問題，闡釋了3PE彎管防腐與常用防腐方式，并通過改進的機械化方式解決了直管3PE涂覆工藝無法直接應(yīng)用于彎管的問題。竇宏強等則采用多層粉末噴涂和縱向整體包覆的方法解決了彎管3PE涂覆的問題。
FBE涂層作為輸油管道的內(nèi)涂層以及輸水管道的內(nèi)外涂層仍然屬于相對較新的領(lǐng)域，在這2個領(lǐng)域中的研究主要集中在驗證FBE涂層作為防腐方案的可行性以及與其他防腐方案相比的優(yōu)勢。例如，有研究論證了喇嘛甸油田注聚金屬管線穿孔與FBE內(nèi)涂層質(zhì)量之間的相關(guān)性，并提出了進行廠內(nèi)內(nèi)涂層自檢的建議。通過調(diào)整參數(shù)和優(yōu)化節(jié)點控制，該廠家成功將 FBE 內(nèi)涂層質(zhì)量從存在漏點和40μm的厚度提高到無漏點且厚度達到400μm。
此外，一項研究通過比較沙特對FBE內(nèi)涂層的標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，闡釋了沙特阿美石油公司預(yù)制管線FBE內(nèi)涂層施工的關(guān)鍵要點。這項研究為類似工程的施工單位提供了有價值的參考樣本。此外，還有研究論證了 FBE 涂層在珠三角水資源配置工程中應(yīng)用于大直徑帶加勁環(huán)管道的內(nèi)防腐方案的可行性，并進行了實踐驗證。還有研究論證了FBE涂層在長江取水工程中用于內(nèi)涂層的有效性，以及對大口徑熱水長輸管道內(nèi)涂層使用FBE涂層的可行性進行了討論。
然而，對于大口徑熱水長輸管道內(nèi)涂層應(yīng)用FBE涂層的問題，這些研究還停留在討論層面，尚未解決FBE涂層如何應(yīng)用于大口徑熱水長輸管道內(nèi)涂層的問題。
結(jié)語：
從標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況可以在一定程度上了解行業(yè)的發(fā)展趨勢，眾多研究學(xué)者對FBE涂料的管道外涂層的標(biāo)準(zhǔn)進行了詳細解讀和對比，并提供了寶貴的經(jīng)驗和建議，然而，對于FBE內(nèi)涂層的標(biāo)準(zhǔn)研究尚不充分。盡管標(biāo)準(zhǔn)不斷進步，但仍無法覆蓋所有工程實踐情況，因此根據(jù)項目需求靈活運用標(biāo)準(zhǔn)并借鑒其他公司的自制檢測方法和技術(shù)要求是必要的。
FBE涂料可通過組分調(diào)整來改善防腐性能、力學(xué)性能和熱特性等，是其能夠作為管道涂層進行防腐的關(guān)鍵。目前我國的技術(shù)團隊已經(jīng)具備一定的FBE涂料配方開發(fā)能力，開發(fā)的配方中有的滿足了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，有的已經(jīng)被用于實際工程中。
同時，開發(fā)利用膠囊化技術(shù)制備自修復(fù)功能的涂料、二維材料或納米粒子等的復(fù)合涂料的研究方向有望為管道防腐涂料領(lǐng)域帶來創(chuàng)新解決方案，滿足不斷增長的工況需求。涂層的失效因素和挑戰(zhàn)也得到了詳細討論，并指出了具有前景的研究方向，如附著力評價方法的改進和表面處理技術(shù)的應(yīng)用。
針對一些更具挑戰(zhàn)性的工程應(yīng)用，如在灘海油田和柴達木盆地等復(fù)雜環(huán)境，熱煨彎管和大口徑熱水長輸管道的防腐問題等，3PE防腐技術(shù)作為先進的防腐方案，相比于單層FBE或雙層FBE防腐技術(shù)，已經(jīng)成為一種具有競爭力的方案，但3PE技術(shù)的底層涂料仍使用的是FBE。
此外，對于FBE涂層作為輸油管道的內(nèi)涂層和輸水管道的內(nèi)外涂層，研究集中在驗證其可行性和優(yōu)勢。這些研究對于進一步推動 FBE 涂層的應(yīng)用和改進具有重要意義，并為類似工程提供了有益的經(jīng)驗和參考。
