管道熔结环氧粉末涂料质量控制研究

文/李东阳¹，潘腾¹，赵一桦²，任向辉³，杜娟¹，陈林³

（1.国家管网集团北方管道公司管道科技研究中心；2.长庆油田分公司第一采气厂第五净化厂；3.国家管网集团北方管道公司）

摘要：针对管道熔结环氧粉末涂料关键性能指标，如，热特性、密度、粒径分布、挥发分、胶化时间、固化时间、附着力、耐冲击性、抗弯曲性能等，对比分析了ISO、加拿大、中国等相关标准。指出了各项性能指标的具体意义，并从粉末涂料配方及生产工艺方面分析了影响这些性能指标的因素，提出了相应的质量控制措施，建议粉末涂料生产厂家应通过合理的配方设计以及改善加工工艺来控制管道熔结环氧粉末涂料的质量，进而提高管道涂层的整体质量。

关键词：管道；熔结环氧粉末；标准；质量控制

Study on Quality Control of Fusion Bonded Epoxy Powder Coating for Pipeline

Li Dongyang，Pan Teng，Zhao Yihua，Ren Xianghui，Du Juan，Chen Lin

（1. Pipeline R & D Center，Pipe China North Pipeline Company；2. The Fifth Purification Plant of the First Gas Production Plant of Chang-qing Oilfield，Yinchuan；3. Pipe China North Pipeline Company）

Abstract: In view of the key technical specifications of bonded epoxy powder coatings for pipeline, such as thermal characteristics, density, particle size distribution, volatile content, gelation time, curing time, adhesion, impact resistance and bending resistance, the relevant standards of ISO, Canada and China were compared and analyzed. This paper presented the specific significance of each technical specification, discussed the factors influencing these specifications in terms of the powder coatings formulation and production process, and proposed corresponding quality control measures. It was suggested that powder coatings manufacturers should control the quality of fusion bonded epoxy powder coatings for pipeline through reasonable formulation design and improvement of processing technology，to upgrade the overall quality of pipeline coatings.

Key words: pipeline；fusion bonded epoxy powder；standard；quality control

 

0 前言

自20世纪70年代初以来，熔结环氧粉末涂料已经发展成为公认的符合高生产效率、优良涂层性能、生态环保型和经济型的4E型涂料产品^[1]。熔结环氧粉末涂料凭借优良的机械性能、优异的防腐蚀性能和良好的耐化学品性能等优点，在国内外广泛应用于不同口径的输油、输气、输水管道内外壁的涂装^[2]。

本文基于国内外相关标准，对管道环氧粉末涂料关键性能指标进行了对比研究，并对影响这些关键性能指标的各项因素进行了分析，提出了改进措施，对于进一步提高熔结环氧粉末涂料的产品性能、完善生产过程的质量控制、提高管道熔结环氧粉末涂层的防腐质量具有重要意义。

1 国内外标准
1.1 国外标准

CASZ245.20—2018《管道熔结环氧粉末外防护涂层标准》针对6种涂层系统，规定了钢管外壁涂敷熔结环氧（FBE）涂层的鉴定、应用、检验、试验、搬运和贮存要求。ISO21809-2：2014《石油天然气工业[1]管道输送系统中采用的埋地管道或水下管道的外防腐层第2部分：单层熔结环氧涂层》规定了石油和天然气工业管道运输系统用的焊接钢管和无缝钢管，在防腐厂涂敷单层熔结环氧（FBE）涂层的鉴定、应用、测试和搬运要求。ISO21809-1：2018《石油天然气工业-管道输送系统中采用的埋地管道或水下管道的外防腐层第1部分：聚烯烃防腐层（三层聚乙烯和三层聚丙烯）》规定了石油天然气工业管道输送系统用的焊接钢管和无缝钢管，在防腐厂涂敷三层结构聚乙烯防腐层（3PE）或三层结构聚丙烯防腐层（3PP）的管道外防腐层的技术要求，包含对于FBE涂层的要求。

加拿大标准CASZ245.20最早发布于1992年，其他许多标准在不同程度上参考和引用了该标准。ISO标准最早发布于2011年，但由于ISO的影响力，已逐渐成为管道防腐行业采用最广泛的标准。

1.2 国内标准

SY/T0315—2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》规定了钢质管道单层、双层结构熔结环氧粉末外涂层的设计、施工及检验要求。GB/T23257—2017《埋地钢制管道聚乙烯防腐层》规定了钢质管道环氧粉末涂料及其涂层的性能要求。

SY/T0442—2018《钢质管道熔结环氧粉末内涂层技术标准》规定了熔结环氧粉末内防腐层的设计、生产和检验要求。SY/T0315—2013作为管道熔结环氧粉末涂料外涂层技术规范，在国内应用非常广泛，目前即将升级为国家标准。GB/T23257—2017在国内油气管道行业普遍应用，但该标准主要是针对3PE防腐层。

2 关键性能指标分析及质量控制

2.1 热特性

国内外熔结环氧粉末涂料热特性指标要求如表1所示。

对于热特性，国外标准CSAZ245.20—2018、ISO21809-1：2018和ISO21809-2：2014等将Tg2在100℃左右的环氧粉末定义为普通型环氧粉末，行业内以Tg2是否达到110℃或120℃作为区分普通型和耐高温型环氧粉末的指标^[3]。目前GB/T23257—2017、SY/T0315—2013、SY/T0442—2018对热特性指标有详细规定，而CSAZ245.20—2018和ISO21809-2：2014中并未强行规定。

值得一提的是，CSAZ245.20—2018与SY/T0315—2013在升温速度方面规定一致；CSAZ245.20—2018中的要求更为详细，粉末和涂层对Tg点的取点位置不相同。SY/T0315—2013对Tg点取的是Tg起始点，而CSAZ245.20—2018取的是Tg中间点。CSAZ245.20不同版本对差示扫描量热法（DSC）有不同的规定，但要求越来越趋于合理，也越来越贴近生产实际。

当运行温度高于Tg时，涂层的附着力、抗渗透性会降低，导致FBE涂层失效，发生诸如粘接失效、涂层起泡、涂层剥离等问题，增加腐蚀风险^[4]。

熔结环氧粉末热特性与环氧树脂Tg也有关，环氧树脂Tg越高，粉末Tg也越高。某些颜填料及疏松剂也能改善粉末涂料的热特性。因此生产厂家可以通过选择树脂Tg比较高的品种、适当提高颜料和填料质量百分含量、添加疏松剂来改进粉末涂料热特性^[5-6]。

2.2 密度

国内外熔结环氧粉末涂料密度指标要求如表2所示。

对于密度，国外标准一般规定为符合粉末厂家规范即可。国内标准一般规定为1.3~1.5g/cm³。环氧粉末密度对于生产过程中环氧涂层厚度影响较大。若环氧粉末密度偏低，喷枪在单位时间内喷粉量（以体积计量）增加，环氧涂层厚度偏高，由于静电喷涂过程中产生的静电排斥现象，它使环氧涂层表面产生蜂窝状，烘烤固化后涂层产生许多凹点或不平整，一般静电粉末喷涂的涂层厚度150μm以下为宜。环氧粉末密度偏高，会导致喷枪在单位时间内喷粉量降低，环氧涂层厚度偏低，降低防腐蚀效果，还容易造成漏点。在粉末喷涂中产生电离排斥的涂层厚度，还要受到粉末涂料树脂品种、粉末涂料的组成、涂装电压、被涂物的材质等多方面的影响，需要结合实际试验和生产操作确定。国内标准规定了粉末涂料的密度，主要原因是为了防止部分厂家粗制滥造，影响粉末涂料的质量。对密度有较大影响的因素是环氧粉末中树脂的含量^[7]。因此生产厂家应通过调整树脂含量改善环氧粉末的密度。

2.3 粒径分布

国内外熔结环氧粉末涂料粒径分布指标要求如表3所示。

环氧粉末涂料粒径是指不规则形状粒子的平均粒径，经过空气分级磨（ACM磨）出来的粉末颗粒大小不一，呈现一个分布，即粒径分布。对于粒径分布，国内外标准规定一般为150μm筛上粉末≤3%，250μm筛上粉末≤0.2%。对于当今的环氧粉末生产技术来说，这样的指标规定有点过于宽泛。粒径分布对环氧粉末的带电性、上粉率、稳定性、涂层的流平、涂层厚度和纹理大小有很大影响，是影响粉末涂料涂装施工性能的重要技术指标^[8]。如何控制粉末涂料的粒径分布，尽量让最大粒径变小，并且控制超细粉末含量，对于生产过程具有十分重要的意义。粉末粒径分布能否满足要求，主要受细粉碎、分级和过筛设备的影响，这三者是一套整体的联动装置。这一系统的主要设备为空气分级磨、螺旋加料器、旋风分离器、筛粉机、袋式过滤器、旋转阀、引风机和脉冲振荡器。经过分析比较粉粹机主磨电机转速、分级转子（副磨）转速与粉末涂料粒径分布之间的关系，选择比较合适的粉粹机主磨转速和分级转子（副磨）转速，能够得到比较合理的粒径分布。

2.4 挥发分

国内外熔结环氧粉末涂料挥发分指标要求如表4所示。

对于挥发分指标，CSAZ245.20—2018中规定了2种测定挥发物含量的方法：（1）滴定法，挥发物含量最大0.5%；（2）质量损失法，挥发物含量最大0.6%。其中，挥发分含量≤0.6%的要求与国内标准是一致的，只是表述的方式不同。一般的粉末涂料是不含挥发性的有机溶剂和水的固体粉末状物质，是环境友好型涂料品种。但其中仍不可避免含有少量的相对分子质量较低的易挥发成分，导致在粉末涂料的挤出生产和喷涂烘烤过程中，经常出现烟雾弥漫的现象，给现场操作人员和环境带来不良影响^[9]。粉末涂料烘烤过程中释放的伴有刺激性气味的烟雾，几乎全部来源于原材料，包括树脂成膜物、固化剂、助剂、颜填料。解决思路可从“堵”和“疏”两方面着手。“堵”的方面可考虑选择具有吸附或者分解性质的特殊材料，添加于粉末配方中，以吸附或者分解易挥发性物质。这类材料的特点是多孔化、微粉化、耐热好，同时应对涂层性能无干扰。“疏”的方面解决思路是在粉末涂料挤出机上加装排气口和收集器，减少挥发性成分对操作人员和环境的影响。涂装车间要加强对流通风，加强对挥发性气体的收集和处理，减少烟雾浓度。

2.5 胶化时间

国内外熔结环氧粉末涂料胶化时间指标要求如表5所示。

胶化时间指粉末涂料在固化温度下，从涂料熔融成液态到交联固化、涂料不能拉成丝为止所需的全部时间^[10]。胶化时间与环氧粉末的配方有关，直接反应环氧粉末的固化速度。国内外标准对胶化时间一般都要求符合粉末生产商给定范围或符合厂家给定值±20%，SY/T0315—2013还特别要求胶化时间≤30s，且符合粉末生产商给定范围，这主要与实际生产有关。对于环氧粉末而言，胶化时间过短，环氧粉末来不及在钢管基材表面润湿，从而导致流平性、光泽下降，严重时还会出现针孔等缺陷。胶化时间过长，在客户要求的时间内，涂层不能完全固化，导致涂层附着力、耐冲击性等性能下降。所以说胶化时间是生产过程中十分重要的指标。对于3PE、3PP防腐层的涂装，在环氧粉末涂料未完全胶化前，应用挤出机挤涂丙烯酸酯胶黏剂，使胶黏剂与环氧粉末涂层很好地熔结在一起，才能保证2个涂层间有很好地结合力。

温度是影响粉末胶化时间的关键因素^[11]。一般来说，温度越高，粉末涂料固化反应越快，胶化时间也就越短。在粉末涂料的生产过程中，影响胶化时间长短变化最重要的工序为热混炼、挤出工序。此外，固化剂种类对胶化时间也有直接关系。因此，在生产过程中可以通过控制温度和时间来保证粉末涂料合适的胶化时间，必要时添加固化促进剂。

2.6 固化时间

国内外熔结环氧粉末涂料固化时间指标要求如表6所示。

粉末涂料固化时间对管道涂敷厂家的生产效率有重要影响，国内外标准对固化时间一般都要求符合粉末生产商给定范围或符合厂家给定值±20%，GB/T23257—2017要求环氧粉末固化时间≤3min，SY/T0315—2013要求环氧粉末固化时间≤2min，且符合粉末生产商给定范围，这主要与钢管生产速度有关，固化时间越快，生产速度越快。合适的固化条件是确保环氧粉末涂层各项性能指标的关键。一般环氧粉末生产厂家提供产品时都提供环氧粉末的固化温度和时间，在此温度和时间要求下环氧粉末的固化率达到95%以上。可见，环氧粉末的固化率与固化温度和时间有关。

在粉末涂料外涂敷生产线中，最佳固化段为粉末涂料喷涂室与水冷室之间的距离^[12]。钢管外防腐生产过程中，粉末涂料固化段时间等于固化段距离与速度之比，其中粉末涂料固化段距离由生产线决定，为固定值。因此，粉末涂料的固化时间与钢管沿生产线方向直线行进速度成反比，速度越快，固化时间越短。通常情况下，生产速度越快，钢管的加热温度应越高，这样才能达到最佳的固化效果。另外，可通过增大环氧粉末固化段距离来达到满意的固化率，这需要对作业线进行重新调整。

2.7 附着力

国内外熔结环氧粉末涂层附着力指标要求如表7所示。

国内外标准中规定附着力的测量周期一般为24h、48h、28d，指标一般为1~3级。SY/T0442—2018还规定了利用拉开法测定涂层附着力。短期的附着力是为了快速检测在线涂层、环氧粉末的附着力情况，而28d作为型式检测，用于控制和分辨环氧粉末涂料和环氧粉末涂层的质量。附着力测试中水煮的温度根据管线的运行温度来确定。温度越高、时间越长，对环氧粉末涂料的要求则越高^[13]。

涂层附着力受多种因素影响，包括基材表面处理、涂装工艺以及涂料配方等^[14]。基材预处理时，应先清除钢管表面的油脂和污垢等附着物，预热钢管后经表面处理。表面预处理应达到Sa2.5级，锚纹深度达到50~75μm。提高喷涂温度有利于涂层附着力的提高。在粉末涂料配方设计中，环氧粉末涂料的附着力最好，其次是环氧-聚酯粉末涂料，再则是聚酯粉末涂料，然后是聚氨酯和丙烯酸粉末涂料。涂层的完全固化程度对涂层附着力也有很大的影响，如果涂层固化不完全时，涂层的附着力、耐冲击性和抗弯曲性也不好，可以通过调节粉末涂料的胶化时间或者调整固化工艺保证涂层完全固化。

2.8 抗弯曲性能

国内外熔结环氧粉末涂层抗弯曲指标要求如表8所示。

根据管道铺设的环境条件以及温度要求，国内外标准中规定了0 ℃、-20 ℃、-30 ℃三种温度下的抗弯曲性能测试。具体温度差异主要是由国内外现场施工环境和运行工况不一致造成的，标准使用人员应结合实际情况选择合适的标准。

粉末涂料的抗弯曲性能主要与配方有关。可以从以下几个方面考虑来提高涂层抗弯曲性能。首先是树脂的选择，选择结构是柔性的，相对分子质量高，反应性基团的环氧值、羟基值和酸值低的树脂有利于提高涂层抗弯曲性能。其次是固化剂的选择，选择柔性长链结构的固化剂，有利于提高涂层抗弯曲性能。同时，当树脂与固化剂固化反应完全时，涂层的抗弯曲性能好，因此选择粉末涂料反应活性大的体系有利于涂层完全固化，涂层的抗弯曲性能也会好。另外，在粉末涂料配方设计时，可以通过缩短粉末涂料的胶化时间、适当添加固化反应促进剂或者调整固化工艺，保证涂层充分固化，以提高涂料抗弯曲性能^[15]。

2.9 耐冲击性

国内外熔结环氧粉末涂层耐冲击性指标要求如表9所示。

管道涂层在装运、加工和安装过程中不可避免会出现碰撞，其抗机械破坏的能力决定于它的耐冲击性。这要求环氧粉末涂层在外力冲击下要有比较好的耐冲击性。涂层耐冲击性与其附着力和硬度有关。同时环境温度对涂层耐冲击性耐影响很大，温度越低，涂层耐冲击性越差。因此，国内外标准一般规定在常温或者-30℃条件下进行耐冲击试验。

涂层耐冲击性与配方关系很大。为了提高涂层耐冲击性，应选择反应活性强，反应性基团的环氧值、酸值和羟基值高的树脂。此类树脂与固化剂的固化反应更完全，成膜物的交联密度更高，相应的涂层耐冲击性也越高。另外，涂层的Tg高时，涂层硬度也相应增大，但是容易造成涂层耐冲击性降低，相对来说，涂层的Tg低时，有利于涂层耐冲击性的提高，但会造成粉末涂料贮存性能下降。因此，选择树脂时需要综合考虑Tg，此外，适当添加提高涂层耐冲击性的增塑剂、增韧剂等助剂，或者添加热塑性树脂等也有一定效果^[15]。

3 结语

管道熔结环氧粉末涂料关键性能指标包括热特性、密度、粒径分布、附着力、耐冲击性、抗弯曲性等，国内外相关标准对于这些指标的要求不尽相同，而管道熔结环氧粉末涂料的配方设计以及加工工艺对于这些指标的影响很大。粉末涂料生产厂家应通过合理的配方设计以及改善加工工艺来控制产品的质量，进而提高管道涂层的整体质量。

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文章发表于《涂料工业》2021年第7期