經驗交流

輸水管道無溶劑環氧內涂層與溶劑型內涂層性能對比分析

蒲夢雅,張建偉,易建軍,彭 彬,肖 岱,羅小波,冉軼杰

(資陽石油鋼管有限公司,四川 資陽 641300)

摘 要:為了確定以IPN8710為代表的溶劑型涂料和無溶劑環氧涂料防腐性能的優劣,從涂料成分、噴涂工藝、生產成本方面進行了分析對比,并對IPN8710-3N溶劑型涂料和SF-G無溶劑環氧涂料的涂層進行了孔隙率、吸水率和-30℃抗彎曲試驗。結果表明,與溶劑型內涂技術相比,無溶劑內涂技術得到的防腐涂層的漆膜致密性更好,涂層微型孔隙更少,吸水率更低,因此防腐效果更好;無溶劑內涂技術在噴涂過程中無有機溶劑揮發,安全環保,噴涂效率更高。

關鍵詞:輸水鋼管;防腐;無溶劑環氧內涂技術;溶劑型內涂技術;性能分析

0 前 言

由于輸水管道具有承壓能力強、運行安全可靠、管道滲漏量少、噴涂方便等特點,同時,輸水鋼管還具有適應性強、便于裝卸以及使用過程中維修便利的優點,因此涂敷鋼管在輸水管網中得到了廣泛運用。但是輸水鋼管的金屬基材受管內水的腐蝕會使水管內壁產生一層沉積物、銹蝕物和粘垢,這些物質相互作用結合成的復合體含有大量金屬元素、細菌和藻類,影響供水系統的水質和衛生安全。內防腐技術是解決輸水管道內腐蝕最方便有效的方法,通常采用以IPN8710為代表的溶劑型涂料和無溶劑液態環氧涂料對輸水鋼管進行管內防腐。

1 涂料的定義和分類

1.1 溶劑型涂料

市面上的溶劑型涂料主要以IPN8710為代表。IPN8710涂料基料由改性環氧樹脂、無毒顏填料、助劑和揮發性分散介質組成,配合改性胺類固化劑使用。由于沒有相應的命名規范,各涂料廠家經過配方微調,命名以IPN8710為牌號的改性涂料, 如: IPN8710-1、 IPN8710-2B、IPN8710-3等。盡管該涂料種類較多,但對鋼管內壁起到防腐作用的主要成分始終是基料所含的改性環氧樹脂。

1.2 無溶劑環氧涂料

無溶劑環氧涂料分為A組分和B組分,A組分為低粘度環氧樹脂、顏填料和助劑組成,B組分為低粘度改性胺固化劑。無溶劑環氧涂料與IPN8710涂料的最大區別在于涂料制造及施工應用過程中不需采用揮發性有機溶劑作為分散介質,低粘度的胺固化劑、液態的環氧樹脂經交聯反應固化而形成的涂層具有不一般的特性。

2 噴涂工藝對比分析

2.1 IPN8710內防腐噴涂工藝

一般是將IPN8710涂料A組分和B組分按一定比例混合攪拌均勻,熟化30 min后方可進行施工。鋼管內壁除銹滿足要求后,由于市面底(面)漆合一技術,根據工藝要求分別進行底面和表面人工或機械噴涂,每次噴涂所達到的干膜厚度在60~100 μm,如設計要求涂層厚度超過200 μm則很難完成。主要原因是IPN8710涂料一次涂裝厚度較薄,若涂裝太厚,漆膜容易產生流淌、滴掛等缺陷,只能多次涂裝才能滿足防腐層厚度的要求。而且施工過程中會有有機溶劑逸出,產生對環境和人體有害的物質,大量生產時不符合國家的環保要求。

2.2 無溶劑環氧內防腐噴涂工藝

無溶劑環氧涂料在常溫下成果凍狀,完全沒有流動性,在施工前必須對無溶劑涂料A組分加熱,溫度一般控制在60℃,成液態后,使用管路具有保溫功能的高壓無氣噴涂設備,采用A組分、B組分前端混合的方式進行自動噴涂,一次成膜厚度大,能在基材表面一次形成厚度達200~800 μm干膜,突破了IPN8710內噴涂技術瓶頸,滿足更多輸水管網設計需求。無溶劑環氧涂料固相含量通常大于99%,在達到相同的涂膜厚度的情況下,所需要的涂料質量比溶劑型IPN8710要少,減少了施工噴涂次數,從而減少了涂料消耗量,降低了噴涂施工費用,縮短了施工周期。

綜上所述,溶劑型IPN8710涂料中含有超過30%以上的可揮發性有機溶劑,固化時會產生揮發性氣體,污染環境,對人體健康不利。無溶劑環氧涂料使用過程中,固化劑、液態環氧樹脂經交聯反應固化,不再產生揮發性物質,減少了溶劑揮發對環境的污染,有利于企業的安全環保生產。

3 防腐層性能對比分析

采用IPN8710-3N某溶劑型涂料與SF-G無溶劑環氧液態涂料進行試片噴涂,噴涂厚度200 μm。通過孔隙率、吸水率以及抗彎曲試驗,分析對比飲水輸水鋼管應用的這兩種防腐技術。

3.1 涂層孔隙率

3.1.1 試驗過程

試驗儀器為徠卡DMI3000M光學顯微鏡。將完全固化的涂層鋼板試樣經低溫 (-30℃)冷凍彎曲后,分別撬下塊狀涂層,用蒸餾水清洗表面后風干。最后放入電子顯微鏡中以既定倍數放大,對涂層中的微型孔隙進行觀察,試驗結果如圖1所示。需要說明的是,圖1(b)和圖1(d)中的劃痕是剝離涂層時,SF-G本身材質致密性以及剝離應力作用產生的外力劃痕,原涂層平滑完整。

3.1.2 試驗結果與討論

圖1(a)和圖1(b)中,在光學顯微鏡放大50倍,同一視距范圍內,IPN8710涂層的孔隙率明顯大于SF-G涂層,并且SF-G涂層明顯致密、有質感。將鏡頭倍數放大至400倍 (見圖1(c)和圖1(d)),視場面積變小,同一焦距下IPN8710涂層的孔隙比SF-G涂層的孔隙大且數量多;而視場范圍下的SF-G涂層孔隙率幾乎為0。

該試驗直觀反映出無溶劑環氧內涂層致密性優于溶劑性內涂層。這是由于無溶劑型環氧涂層一般在常低溫固化,固化過程由于沒有溶劑不收縮,而溶劑型環氧涂層在固化干燥時,由于溶劑揮發會導致涂層出現孔隙乃至針孔,孔隙率高。在實際生產過程中,涂膜的高收縮率容易導致涂層出現裂紋,應盡量避免。

輸水管道在使用過程中,涂層成膜時所產生的內部孔隙是導致管內流動沖刷條件下涂層加速失效的重要原因之一。因此,選擇優良固化成膜方式的涂料配以合適的噴涂工藝,以獲得均勻致密的結構,是提升涂層耐久性的關鍵。

圖1 顯微鏡下涂層中的微型孔隙

3.2 涂層吸水率

吸水率是影響涂層防護性能最主要的因素之一,通過研究試樣的吸水量與浸泡時間曲線,探討水在涂層中的擴散速度,從而證明涂層對基材的防護性能。

3.2.1 試驗過程

試驗儀器為干燥器和METTERLE MS304S分析天平。將有涂層的鋼板試樣 (60 mm×60 mm×1 mm),放入干燥器內干燥至少24 h,然后稱重。試驗用平行試樣各3個,將試樣完全浸泡在自來水溶液中,試驗期間溶液保持在 (23±2)℃的恒溫條件。按既定時間取出試樣,用濾紙擦去表面所有水至表面干燥,迅速進行稱重,精確至0.1 mg,并計算涂層吸水率,

式中:C——涂層吸水率,%;

mn——浸泡n天后試樣的質量,g;

m0——浸泡前試樣的質量,g。

3.2.2 試驗結果與討論

試驗時間為40 d,涂層吸水率試驗結果見表1。按照表1數據,計算涂層的吸水率,兩種涂層試樣吸水率-時間關系曲線如圖2所示。

由圖2可以看出,試驗進行到5 d時,兩種涂層吸水率增長顯著,到30 d吸水率達到穩定,涂層達到吸水飽和平衡狀態。對比IPN8710涂層,SF-G涂層在達到吸水飽和后,吸水率不升反有下降趨勢,這可能是由于無溶劑型環氧涂層的環氧基團開環與水分子形成極性基團,導致成膜更為細密,阻止水分子的侵入,吸水率反而降低。

表1 涂層吸水率試驗結果

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圖2 (23±2)℃下涂層吸水率-時間關系曲線

另一方面,IPN8710涂層的飽和吸水率在0.55%左右,SF-G涂層試樣的飽和吸水率在0.09%。可以看出溶劑型涂層吸水率遠大于無溶劑環氧涂層吸水率。由此推斷,無溶劑環氧內涂層在服役期間,保護基材的能力遠優于溶劑型內涂層。這是因為在長期水環境下,水分子由涂層表面向內部逐漸擴散,最后到達金屬基體與涂層界面,擴散的水分子影響涂層的理化性能,并在涂層/金屬界面形成一層水膜降低了涂層附著力從而導致涂層失效。吸水率越高,涂層失效的幾率越大。

圖3 涂層抗彎曲性能試驗結果

3.3 抗彎曲性能

3.3.1 試驗過程

試驗儀器為MT7004低溫試驗箱和圓錐軸彎曲試驗儀。將涂層鋼板試樣放入低溫箱冷卻至-30℃,保持30 min以上。將試樣取出,30 s之內將試樣繞圓錐彎曲試驗儀彎曲180°,然后目視觀察涂層表層變化。

3.3.2 試驗結果與討論

涂層抗彎曲性能試驗結果如圖3所示。由圖3可以看出,-30℃下,SF-G涂層彎曲面有少量裂紋,而IPN8710環氧涂層開裂,并以片狀剝落。說明在嚴苛的服役條件下,無溶劑環氧涂層的耐候性、附著力要優于溶劑型涂層。這是因為IPN8710涂層在固化過程中,釋放揮發性分散介質,易產生孔隙和裂紋,在低溫和外力作用下,孔隙之間的應力致使涂層脫離基材,最終呈塊狀剝離;而無溶劑環氧涂層孔隙率小,內應力小,涂層與基材結合力強,附著力優異。

4 結 論

(1)相比溶劑性內涂技術,無溶劑環氧內涂技術突出的優點是不需添加任何有機溶劑作為分散介質,有效減少了有機溶劑揮發對空氣造成的污染;在噴涂過程中涂敷一次就可達到設計要求,減少了噴涂次數,提高了工作效率,且涂料的密閉性高,大大提高了涂料的防腐壽命。

(2)分別以 IPN8710-3N和SF-G代表溶劑型涂料與無溶劑環氧涂料進行涂層性能分析對比,并進行了孔隙率、吸水率、-30℃抗彎曲試驗。相比溶劑型內涂技術,無溶劑內涂技術得到的防腐涂層漆膜致密性更好,涂層微型孔隙少,吸水率更低,更能有效地抵擋水等腐蝕介質透過涂層而腐蝕基材。無溶劑型涂料對管道基材的附著力更強,防腐效果更好,管道的使用壽命更長。

(3)無溶劑環氧內涂技術在噴涂工藝、生產成本以及涂層防腐性能等方面,較溶劑型內涂技術有更顯著的優勢,加之其安全環保,必然會成為輸水鋼管內防腐技術的主流方式。

(4)無溶劑環氧涂料有許多優點,但在施工工藝上要求極高。由于無溶劑環氧涂料成膜固化時間快,手工涂刷較難,另外它的基料與固化劑是靠交聯反應固化,所以比例必須要準確,不然會造成干膜內有多余的基料或固化劑參與反應,進而影響成膜質量。無溶劑內涂技術要有專業的施工設備才能保證其產品質量,因而施工成本較高。

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Comparative Analysis on Properties of Solvent-free Expoxy Inner Coating and Solvent Inner Coating for Water Pipeline

PU Mengya, ZHANG Jianwei, YI Jianjun, PENG Bin, XIAO Dai, LUO Xiaobo, RAN Yijie
Ziyang Petroleum Steel Pipe Co.Ltd.Ziyang 641300SichuanChina

Abstract:In order to determine the anti-corrosion performance of IPN8710 solvent coating and solvent-free epoxy coating,the coating composition,spraying process and production cost were analyzed and compared.The porosity,water absorption and -30 ℃bending resistance of IPN8710-3N solvent coating and SF-G solvent-free coating were tested.The results show that compared with the inner solvent coating technology,the anti-corrosion coating obtained by the solvent-free coating technology has better film compactness,less micro pores and lower water absorption,so the anti-corrosion effect is better.Solvent-free inner coating technology in the spraying process doesn’t volatile the organic solvent.It is safe and can protect the environment.Its spraying efficiency is higher.

Key words:water pipeline;coating;solvent-free epoxy inner coating technology;solvent inner coating technology;performance analysis

中圖分類號:TG174.4

文獻標識碼:B

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.01.012

作者簡介:蒲夢雅 (1986—),女,碩士,工程師,主要從事鋼管防腐工藝及檢測研究工作。

收稿日期:2019-05-14

編輯:謝淑霞

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