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熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析

2016-02-17 12:03:41 作者：本網整理來源：景成化工分享至：

1、引言

任何有機涂料涂層都有一定的使用壽命，可以說沒有不壞的涂料，如何盡量延長涂層的使用年限是涂料界的一個永恒的課題。不同的產品對涂層壽命的要求也不一樣，例如：冰箱、空調、洗衣機、微波爐、洗碗機等家用電器的使用壽命一般十幾年以上就可以了。外表涂層以裝飾為主，購買十幾年后即使涂層不壞，而壓縮機、管路、電機等核心部件也會磨損、老化以致損壞，最后整體報廢；而以防腐為主的功能性涂料的涂層使用壽命卻是越長越好，因為它們的應用對象不是一個個簡單的個體，而是一個龐大的線、網或群，影響千家萬戶。例如鋼筋上的涂層一般與整個建筑物的壽命是同等的；輸油、輸氣、輸水的鋼管上防腐層的防腐效果關系到管道的使用壽命，一條幾千公里的管道有一點泄漏，也會導致整條管線停運，還會造成國家財產和人身安全的巨大損害。涂層失效的原因有很多，不僅與涂料本身有關，而且涉及到涂料施工工藝、被涂基材表面處理、工件的使用環境等諸多方面。所以，涂層的失效分析被提到一定高度，研究人員需要研究涂層的失效機理，為研發新型涂料提供理論依據；生產企業更是需要了解涂層應用過程失效的原因，以便改進、提高涂料質量；工程技術人員則需要掌握涂層失效分析的方法，現場分析、判斷引起涂層失效的可能因素，以避免在涂料工程中再次發生，所以說研究涂料就要研究它的失效。

研究腐蝕的主要對象是金屬，尤其以鋼鐵的腐蝕最為重要，因為它是大量應用的材料，而且又極易腐蝕。將礦石冶煉成鋼需要消耗大量的能量，此能量潛存于鋼鐵中，鋼鐵是不穩定態，它們隨時隨地可恢復至原始自然的化合態而釋放出能量，這在化學熱力學上是自發的過程，即腐蝕現象。人們利用鋼鐵及其合金的特性創建了今日的文明，所以保護鋼鐵等金屬，使存在于不穩定狀態的金屬正常發揮功效，阻止它轉化為化合態（銹蝕），延長物體的使用壽命是防腐工作的一項重要任務。

在防腐理論方面，已有許多科學家奠定了基礎，近年來進展并不甚大；而在防腐蝕涂料的技術方面，則發展迅速新的涂料品種、新的涂裝工藝、新的應用領域不斷涌現，熔結環氧粉末涂料就是防腐領域非常重要的品種；隨著配套原材料、生產設備、檢測儀器、噴涂設備的配套齊全，粉末涂料有了前所未有的發展，無論在品種、數量、質量、應用和人們的認識上都有大的飛躍；粉末涂料具有傳統溶劑型工業涂料不可比擬的優良特性，無論在環境上、經濟上、涂膜品質上、涂裝效率上都有競爭優勢，現在粉末涂料已經滲透到家用電器、汽車、機械儀表、家具、廚具、建筑材料、園林設施、電力設施、交通設施、輸油輸氣輸水管道防腐等領域。尤其是熔結環氧粉末以其獨特的功能，備受人們矚目，在輸送天然氣、原油、成品油、水、海水、污水等管道防腐領域大量使用，能夠有效防止土壤、大氣、水、有機溶劑、微生物、植物根系的腐蝕和破壞。

2、熔結環氧粉末涂料

概述熔結環氧粉末涂料是一種以環氧樹脂為基料的熱固性粉末涂料（加熱熔化，然后固化成膜，以后不再遇熱熔化），應用于管道防腐領域已有50多年的歷史，最早服役的環氧粉末涂料涂層防腐的管線現在還依舊發揮著它們的作用，說明其經得起實踐和時間的考驗。

熔結環氧粉末涂料是一種以空氣為載體進行輸送和分散的固體涂料，將其施涂于經預熱的鋼鐵制品表面，熔化、流平、固化形成一道均勻的涂層，故得此名，英文名稱FusionBonding Epoxy Powder Coatings，簡稱FBE。

FBE的每個顆粒都均勻地包含所有組成成分，使涂敷的操作過程以及形成的涂層都具有連續穩定的均勻性。其優異的物理性能、化學性能、使用性能、耐久性能、安全環保性能、經濟性（涂層薄，只有300-500μm，成本低）得到防腐界普遍認可，顯示出其強大的生命力，廣泛應用于輸水、輸油、輸氣、建筑、高鐵、水利、采礦等方面，并發揮著其獨特作用。幾十年來，經過不斷的發展完善，這項技術在管道領域已經走向成熟，在不同的管徑、不同的傳輸介質、不同的連接方式、不同的地理環境都有出色的表現。伴隨中國油氣管道業20年來的快速發展，FBE粉末涂料已獲得大規模應用，產品配方、生產工藝和涂裝工藝技術日臻完善。特的功能，備受人們矚目，在輸送天然氣、原油、成品油、水、海水、污水等管道防腐領域大量使用，能夠有效防止土壤、大氣、水、有機溶劑、微生物、植物根系的腐蝕和破壞。

3、熔結環氧粉末

涂料的優良特性防腐涂料有很多種類，為什么FBE能夠一枝獨秀？這得益于其粉體涂裝方式（不含溶劑，V0C含量為零）和環氧樹脂獨特的分子結構，環氧樹脂種類很多，最常用的雙酚A環氧樹脂其分子通式（如圖1所示）：

熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析從以上分子結構可以看出：環氧基和羥基賦予樹脂反應性，使樹脂固化物具有很強的內聚力和粘接力；醚鍵和羥基是極性基團，有助于提高浸潤性和粘附力；醚鍵和c-c鍵使大分子具有柔順性；苯環賦予聚合物以耐熱性和剛性；異丙撐基減小分子間作用力，賦予樹脂一定韌性；-c-o-鍵的鍵能高，從而提高了耐堿性。主要缺點是：分子中的極性基團導致分子有一定的親水性，芳醚鍵的存在導致樹脂耐紫外光性差、耐候性差、易粉化。

FBE是一種有機涂料，涂層就是一種高分子膜，能夠阻隔水、電解質、氧等腐蝕因素，防止化學和電化學腐蝕，FBE涂層突出的性能就是其耐久性，涂層具有良好的抗化學品性、抗溶劑性；堅韌、致密、耐磨，抗沖擊性及抗彎曲性優良；與鋼鐵之間能形成化合鍵，有極佳的附著力。環氧樹脂分子上富含羥基，不含有酯鍵（不水解），既有一定的水通過性，又有良好的絕緣電阻，與陰極保護配伍，可實現長效保護的目的；涂層具有很高的玻璃化溫度，應用溫度范圍寬，能在-30-120℃之間保持最佳性能；FBE施工方便、無需底漆、固化迅速，特別容易實現流水線作業，涂裝效率高；工件檢測和修補簡便，涂層質量容易控制。涂層有一定的吸水性且耐候性差，不適合室外裝飾，而且涂敷需要專門的設備，現場施工性欠佳。

4、FBE涂層的工作原理與失效原理

4.1FBE的工作原理

將FBE施涂于經預熱的鋼鐵制品表面，FBE快速熔化、潤濕、流平、交聯、固化形成一道均勻的涂層即高分子膜，分子由低分子的線性預聚體交聯成立體網狀結構。這個膜即有附著力又有韌性，并且能夠阻隔水、電解質、氧的滲入，防止腐蝕的發生。大多數情況下附著力來自次級化學鍵或極性鍵，次級化學鍵是極性相互作用，如氫鍵和范德華力這些力依靠分子內的電荷分布不均勻，使得產生偶極子。這樣，分子帶有正電荷部分的一端，會被臨近帶有負電荷的部分的分子吸引。環氧樹脂上由原子構成的官能團如羥基（OH）和固化劑中胺基（NH）具有顯著不同的電負性，與基材容易形成極性鍵。如果固化溫度到達230℃，則FBE涂層可能與鋼鐵表面形成化合鍵，附著力進一步提高。

涂層必須與基材形成親密的物理接觸才能實現良好的粘接，無論化合鍵還是次級鍵，都只發生在只有幾A（10-10m）的距離內，FBE熔化并與鋼鐵親密接觸的過程叫潤濕，只有充分的潤濕才有好的附著力。FBE高溫熔化粘度很大，并且很快固化，要想充分潤濕必須要有好的前處理（去除氧化鐵皮、灰塵、油污、打出錨紋），管道和鋼筋一般采用噴砂或拋丸的前處理方式，不但有利于潤濕，還增大了接觸面積，影響表面張力，提高了機械結合力，附著力會顯著提高。

至少在一定程度上涂層都具有阻隔性和滲透性，這也是FBE涂層保護好基材的關鍵因素，FBE涂層能夠阻隔水、氧、鹽分的滲入，又對水有一定的通過性，這樣既保護了基材不受電化學腐蝕，又能讓陰極保護發揮作用。

4.2失效原理

任何涂層都有可能失效，FBE也不例外，一般人們普遍地將涂料失效的原因歸咎于四個方面，即涂料質量因素；涂層的制作因素；涂料的選擇因素；涂層的服役環境因素。涂層失效可能是上述四個原因之一引起的，也可能是其中幾個原因共同引起的。

4.2.1FBE的質量

因素涂料的質量與其原材料、生產工藝、配方、運輸、儲存的環節有關。

FBE的質量，與原材料選擇、配方設計、加工工藝息息相關。現在國內有些環氧樹脂生產廠家為了降低成本，在生產環氧樹脂過程中添加一定比例的聚酯中間體，這種材料價格便宜，但是都是聚酯成分，而且沒有官能團，不參加化學反應，對FBE的固化性能、耐水性、耐陰極剝離性、機械強度、附著力都有很大影響。

有些FBE應用在特殊環境下，需要使用部分改性環氧，以提高交聯密度或提高韌性等，因為這些材料價格比較高，被有些FBE生產廠家棄用，而達不到預期的性能。

配方設計，就是根據產品的性能要求和工藝條件合理地選用原材料，確定各種原材料的用量和配比關系。FBE是由環氧樹脂、固化劑、顏料、填料和助劑等組成，其中各個組分之間存在著復雜的物理和化學作用，目前尚不能完全用理論計算的方法確定各種原材料的配比，在一定程度上仍依賴于長期積累的經驗。配方設計是一項專業性很強的技術工作，對產品質量和成本有決定性的影響，此外合理的配方又是保證加工性能的關鍵。因此配方設計在FBE生產中是個重要的環節。配比不合理的涂料流入市場，肯定會造成涂層的不合格，所以需要多個檢測環節對質最把關，以防萬一。

配方設計的目的不單純是為了研究原材料的配比組合，更重要的是了解原材料的基本性質，各種配比對FBE性能的影響。以及與工藝性能的關系，進而了解各種結構與性能之間的關系。在謀求經濟合理的同時，獲得最好的綜合性能，制成物美價廉的產品。

運輸和儲存環節主要是防止粉末結塊、吸潮、變質，FBE含有能夠反應的環氧樹脂和固化劑，是一種非常活波的材料，一定情況下會發生輕微的化學反應。常溫下FBE粉末的儲存期最長一年，超過40℃還要縮短。過期或變質的粉末可能結塊、膠化時間變短、流平變差、機械性能和耐化學性能變差等。

4.2.2FBE涂層施工因素

4.2.2.1基材前處理

涂裝前良好的表面處理，對提高鋼管的使用壽命可以起到事半功倍的效果。采用好的涂層，就如同給鋼結構“穿”上了一件遮擋腐蝕的外衣，達到良好的涂層保護效果，涂裝前良好的表面處理是必不可少的，它可以增加涂層與鋼管的接觸面積，使這件外衣牢牢地附著在鋼結構表面，持久地擔當起保護鋼管的重任。

鋼管剛出廠時，表面完整地覆蓋著一層堅硬的氧化皮，這一層氧化皮肉眼看起來很緊密，但實際上有許多縫隙，這些縫隙會滲透水和氧氣。氧化皮大體上是由三層鐵的氧化物組成的，表層是Fe2O3，中間層Fe3O4，與金屬表面直接接觸的是FeO·Fe203在化學上是穩定的，而FeO很不穩定，在水和氧的作用下，FeO很容易水解成鐵的氫氧化物，這樣，上述水解作用和腐蝕就會慢慢從縫隙開始。并沿著金屬和氧化皮的界面向內深入，在界面上生成較大體積的銹蝕產物，從而引起氧化皮表層應力的變化，而氧化皮本身沒有延展性，這樣氧化皮很快就會帶著它外面的涂層一起剝落下來。此外溫度的變化、機械作用等物理因素也會引起氧化皮翹起或剝落。另外，從電化學觀點看，氧化皮的電極電位比金屬鐵本身要正0.15-0.20V,當鋼板的大部分表面上仍附有氧化皮時，在腐蝕性介質中氧化皮部分便構成一個大陰極，而在氧化皮不連續處的鋼管表面則構成一個小陽極，從而發生嚴重的電化學腐蝕。同時我們大量的試驗證實，除去氧化皮以后再涂裝的工件比帶有氧化皮的工件受保護的效果更好。因此，要提高防護涂層的附著力，必須有好的前處理。

4.2.2.2FBE涂層的涂敷工藝

FBE是熱固性粉末涂料，加工工藝主要指粉末涂裝的固化溫度和固化時間，只有完全固化才能獲得涂層良好的物理性能和化學性能。被涂敷的大口徑管道一般長為12米，利用余熱使之固化，凝膠時間必須足夠快，使之冷卻前完全固化；同時，固化速度又要足夠慢，使表面適當潤濕和流平，浸潤到錨紋深處，這是一對矛盾；因為熔結環氧粉末涂料FBE是熱固性涂料，涂裝后，不但要流平，而且要完全固化，要發生一系列化學反應，形成立體網狀結構的大分子，這需要在一定溫度下，保持一段時間，使之完全反應和熟化，如果沒有完全反應，固化百分率達不到95%以上，則涂層的物理、化學性能不能實現，涂膜中的樹脂還是脆的預聚體，沒有強度和耐性，更談不上對鋼管的保護，這一點在熔結環氧粉末的使用中是非常重要的，只有固化率達到95%以上才認為是完全固化，不完全固化或過固化對涂層質量都是有害的。在固化溫度高于260℃時，涂層分子鏈易斷裂，造成降解、分解等副反應，涂層被烤焦，達不到應有的性能，且基材的金相結構也有可能發生改變，影響管道的主體強度。

總之，要想獲得好的附著力必須有好的前處理，好的環氧粉末，好的固化工藝，否則涂層失效是不可避免的。

4.2.3FBE應用選擇

FBE有很多品種，每一種都有其特點，性能指標各有所側重。施工和應用都不盡相同，我們選擇FBE的原則是“物盡其用”。不同的工件采用不同的FBE和施工工藝。例如：管道內涂FBE要求涂層致密、堅硬耐磨，減少輸送介質的二次污染，降低摩擦阻力，延長鋼質管道的使用壽命，提高管道輸送效率；而管道外涂層則側重涂層的韌性和抗沖擊能力，表面流平放在第二位，畢竟保護作用最重要，兩者用反了就達不到預期目的。再如：鋼筋涂層因為現場折彎的要求，所以韌性是放在第一位的，而管道內涂FBE則把附著力放在第一位。這兩種材料也是不能混用，所以說合理地選擇FBE與生產FBE同等重要。

4.2.4FBE服役環境因素管道遍布世界各地，從陸地到海洋，從城市到鄉村，從赤道到極地，從地面到地下，從平原到山地、河流、湖泊、沼澤、草原、沙漠，每處的地質結構、溫度、大氣、水體、雜散電流都不盡相同，所以腐蝕狀況也不一樣。雖然FBE涂層有很寬的適用范圍，但是也要區別對待。有些地方用普通級防腐就可以，腐蝕苛刻的地方就要用加強級，有些特殊管道，例如：注水管道，就要用高交聯密度的耐高溫涂層，如果使用普通FBE涂層，由于涂層玻璃化溫度低于環境溫度，會很快軟化、脫落并堵塞管道。

5、涂層失效各種表現方式及失效分析

5.1孔隙

孔隙就是涂層表面或內部不連續部分，粉末涂料是以空氣為載體的涂料，FBE固化迅速，在成膜之后微量的空氣或揮發分封閉在涂層中或沖破涂層就形成孔隙，對于快速固化的熱噴涂涂層孔隙是不可避免的，但通過改進粉末和涂裝工藝可以把空隙控制到無危害程度。在顯微鏡可清晰發現斷面和粘接面的孔隙（如圖2、圖3）。

熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析SY/T-0442標準把孔隙率由低到高分為5級，2級以下認為是合格的，過多的孔隙會吸收水分，并沿界面擴散，消散涂層與鋼鐵底材的結合力，嚴重的導致脫層。

5.2氣泡

良好的FBE涂層除了能屏蔽水、氧、離子透過外，尚必須具有保持高度的附著力，涂膜對金屬的附著力，除了個別來自主價鍵，絕大多數來自次價鍵力：氫鍵和范德華力，當涂膜浸入水后，水分子透過涂膜達到金屬界面，對極性基團置換取代，特別是滲透到孔隙并延界面蔓延，在滲透壓和熱量膨脹的作用下產生氣泡，而使涂層局部剝離。

5.3漏點

所謂漏點，英文是holiday，指防腐層上的不連續點或貫通的鐵屑雜質。FBE漏點檢測的實質就是檢查和發現鋼管表面局部的防腐層不完整。如孔隙、貫通涂層的導電物質如磁性物，這些部位就是將來有可能比較快地受到腐蝕介質如水溶液的浸蝕，而發生腐蝕破壞的部位。因此，對防護性的涂層，尤其是防腐層的連續性或稱為完整性的檢測在防腐蝕涂裝施工驗收中占有十分重要的地位。

埋地鋼質管道防腐層的漏點檢測，要比其他行業的防腐蝕涂裝更為重要，這不僅是留下一個涂層漏點，也留下了一處涂層隱患。由于管道防腐層的完整性直接影響到陰極保護的電流密度的大小和陰極保護的經濟性。因此在埋地管道防腐層的施工過程中，無論是在防腐預制廠里防腐涂層管的生產預制過程中，或者是將防腐好的防腐層管搬運到施工現場，實施現場的焊接、補口等工藝過程的施工中，都要對管道外的防腐層進行漏點檢測。尤其在下溝前，應進行全線100%電火花檢漏。檢漏的方法通常都使用高壓電火花檢漏儀。對于檢測出的漏點可用雙組份無溶劑環氧涂料修補。

5.4損傷

所謂的損傷是指防腐后的管道在搬運、運輸、施工等過程中造成的破損。大面積的損傷說明涂層失效，需要重涂，小面積的損傷，可以用雙組份無溶劑環氧涂料修補。
5.5陰極

剝離陰極保護作為埋地管線的防腐蝕手段之一，得到了廣泛應用，在防止鋼管電化學腐蝕方面效果顯著。陰極保護所帶來的負面作用也早已為各國的防腐工作者所認同，副作用之一是陰極反應產物導致防腐層局部剝離而使涂層失效。原理就是陰極部位析氫和堿性增強導致，所以要求FBE要有足夠的附著力和耐堿性；從原材料的角度出發環氧樹脂有較高的官能度和活性，不含任何酯類物質，成膜后涂層有較高的交聯密度，附著力和耐滲透性提高，抑制陰極剝離的發生。

5.6脫層

所謂脫層就是附著力不好，造成的涂層與鋼管脫離。原因與前處理、FBE質量、加工工藝等有關：

FBE不含溶劑，是高溫快速固化的熱固性涂料，熔融成粘流態并保持的時間很短，涂料流動和潤濕基材的能力有限，所以前處理的好壞對粉末涂料來說比液體的油漆更為重要。

FBE固化不僅生成高分子薄膜，同時它也是良好的粘合劑。單純的塑料薄膜并不能阻止金屬腐蝕，它必須緊密地粘合在鋼鐵表面才能阻隔腐蝕介質滲入。通常涂料附著于鋼鐵表面是由于分子間的次價鍵的極性吸引力，如氫鍵和范德華力。。吸引力的大小與分子間距離的6次方成反比，越近越大；但吸引力范圍必須在5A以內才有效，即氧原子直徑的3倍以內。所以鋼鐵表面若有油污即使單分子的油污也會超過5A，會使涂層失去附著力，脫層而失效。

6、試驗方法

腐蝕是一個漫長的過程，有時試驗一個涂層的好壞，在一般狀態下。要用幾年的時間考驗，周期太長，起不到指導作用。于是人們利用一些極端的方法，能在短時期內夠判斷出試驗結果。鹽霧試驗、水煮試驗、陰極剝離試驗、DSC試驗就是考驗粉末涂層的附著力和耐滲透性的強化或科學的試驗方法，對FBE生產和涂裝都有一定的指導意義。

6.1水煮

附著力試驗把涂裝好的樣板放置到水中浸泡以后測試附著力叫濕附著力，濕附著力是涂層防腐性能的一個關鍵因素。如果放置在高溫的水中（一般選擇75℃或95℃），熱的水其分子運動速度加快，滲透性也加快，這種方法能短時間內發現涂層附著力的下降情況，也就是水煮附著力試驗，是對涂層、前處理等方面的一個綜合考驗。水煮后的樣板及附著力試驗。

6.2陰極剝離試驗

上面我們講到過陰極剝離，陰極剝離是涂裝金屬遭到破壞的一種常見形式。涂裝的鋼鐵常采用陰極保護手段防止腐蝕。陰極保護不理想的后果之一是有缺陷處的涂層，由于陰極反應而失去附著力，涂層會從金屬上分離，這種現象稱為陰極剝離。我們模仿陰極保護過程，人為制作電解質溶液、漏點，及陰極保護電流觀察陰極部位剝離的半徑，就是陰極剝離試驗。陰極剝離試驗與溫度、電解質種類和濃度、施加電位、涂膜厚度、前處理等有關。試驗能夠在短期內顯示出涂層的耐陰極剝離能力。
6.3鹽霧試驗

人工模擬鹽霧環境試驗是利用一種具有一定容積空間的試驗設備一一鹽霧試驗箱，在其容積空間內用人工的方法，造成鹽霧環境來對產品的耐鹽霧腐蝕性能質量進行考核，觀察樣板的銹蝕、蔓延、起泡和剝離程度。它與天然環境相比，其鹽霧環境的氯化物的鹽濃度，可以是一般天然環境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，使腐蝕速度大大提高，對產品進行鹽霧試驗，得出結果的時間也大大縮短。

6.4DSC差示掃描量熱試驗

差示掃描量熱法（DSC）是在程序控制溫度下，測量輸給物質和參比物的功率差與溫度關系的一種技術。粉末涂料因為不含溶劑，沒有溶液殘留問題，最適合用DSC進行表征。由于FBE是高溫固化，具有相對高、清晰而容易測定粉末的玻璃化溫度，固化放熱量、涂層的玻璃化溫度、固化百分率、固化速度等參數，可以為防腐廠使用FBE提供施工和質量控制的依據。DSC就像一雙特殊的眼睛，測量FBE的應用參數和涂層參數，為管道涂敷生產服務。

7、防腐粉末涂料的應用領域及失效分析

7.1FBE在石油、天然氣管道領域的應用

進入21世紀，天然氣以環保方面的優勢，超過石油和煤炭成為世界一次能源的首選。我國天然氣儲量豐富，但多分布于西部偏遠地區，而消費市場主要集中在我國經濟相對發達、人口密集的東部，21世紀初我國開始鋪設了“西氣東輸”一線，2008年初，世界最長的跨國天然氣管線“西氣東輸二線”工程正式開工，2012年10月16日西氣東輸三線工程開工，建成后每年可向沿線市場輸送300億m3天然氣，可滿足東部地區尤其是燃氣電廠日益增長的天然氣需求及日益提高的環境保護要求。

熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析管道運輸正成為全球經濟一體化發展的新方向，中國將成為世界油氣管網建設的中心地區之一，今后，中國油氣管道建設將朝著大口徑、大流量和立體網絡化方向發展。大口徑油氣管道總里程2015年將超過15萬km，形成資源多元、調運靈活和供應穩定的全國能源保障系統。各地的城市管網也在緊鑼密鼓地進行著，大量使用單層FBE、雙層FBE和3PE進行管道外防腐。

單層FBE和雙層FBE主要失效模式有：有些防腐廠家，片面追求產量，涂敷運行速度過快造成的涂層不完全固化（有時與季節更替造成的氣溫變化有關）；粉末質量和固化工藝造成的孔隙和漏點；運輸和施工過程中的損傷等。

3PE防腐方式的失效方式主要有：管頭涂層翹邊；陰極保護電流屏蔽；焊縫后坡空鼓；涂層劃傷；內層環氧粉末涂料漏涂等。

3PE防腐涂裝一般采用中頻加熱，管頭部位接觸外界面積大，涂裝時溫度一般較中部偏低，底層的FBE層如果固化不完全，粘接強度就會較低。而從鋼管端頭部位脫層，即翹邊。同時側向纏繞的中間的膠層及外面的PE層都是靠輥壓的方式涂敷的，難免在突出的焊縫處造成空鼓。

陰極保護是一種用于防止金屬在電介質（海水、淡水及土壤等介質）中腐蝕的電化學保護技術，該技術的基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流，使其產生陰極極化。當金屬的電位負于某一電位值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。

當陰極保護電流真正具有通達管子金屬的通道時，陰極保護才是非常有效的。當防腐層發生剝離或者起泡時，大多數類型的防腐層會使保護電流偏離它們原有的理想通道，結果，陰極保護電流無法充分保護管子的外表面，這樣的防腐層稱為“屏蔽型”管道防腐層，3PE防腐層就屬于屏蔽型的，這主要是因為PE層隔絕電流造成的，而單層FBE屬于可滲透的“非屏蔽型”的防腐層，盡管涂料的電阻很高。但是，電流還是能夠直接穿過熔結環氧粉末（FBE）屏障到達防腐層下的鋼質底材，在防腐層剝離情況下依然形成高pH值環境，防止腐蝕的發生。

7.2在油田注水管道上的應用

注水采油技術是國內各大油田提高原油采收率的主要方法，隨著油田開采時間的增長，注水水質的不斷惡化，硫酸鹽氧化還原菌的不斷增多，而且井下溫度高，油田井下管柱和輸油管線的腐蝕及結垢問題，一直是困擾油氣開采和輸送的頑癥，所造成的嚴重損失令人觸目驚心。水溫對溶解氧引起的鋼鐵腐蝕過程有較大的影響。在封閉系統中，水的溫度愈高，金屬腐蝕的速度愈快。這是因為，溫度升高時，各種物質在水溶液中的擴散速度加快和電解質水溶液的電阻降低，這些都會加速腐蝕電池陰陽兩極的電極過程。有些涂敷好的注水管道，在井下惡劣的環境中，涂層不到一年就失效脫落而堵塞管道，而使整口井報廢。

水、氧和離子是腐蝕的三要素。防腐涂層是一種高聚物薄膜，能不同程度地阻緩上述三因素的透過而發揮防腐蝕作用，溫度升高，從微觀來看就是水分子的運動加快，對涂層的滲透性也就加強。如何更好地降低透水性、透氧性、透離子性、吸水性，提高涂層的交聯密度和玻璃化溫度Tg使環氧涂層更致密、具有優異的屏蔽能力，是解決問題的關鍵。

7.3在小口徑給水管道上的應用

在小管徑給排水管道、消防管道領域，國家出臺禁用內鍍鋅鋼管政策，涂塑鋼管因價格低廉、使用范圍廣、操作簡便、安全可靠而倍受青睞，成為取代鍍鋅管的主導產品，成功應用于城市給排水、消防、工廠腐蝕介質輸送、樓宇消防、地鐵和隧道給排水、海水淡化工程等領域，而涂覆鋼管的主要防腐材料就是環氧粉末，提高了管道的使用壽命，涂塑鋼管的使用壽命在50年以上。主要失效模式是：管壁薄，蓄熱量不足，有些加熱方式不能使涂層完全固化，而在安裝使用中出現脫層、開裂。同時薄壁管采用的是溝槽連接，安裝施工中有時會截取管道后壓槽，這種做法對涂層傷害很大，輕者產生微裂紋，埋下隱患，重者使管道涂層完全報廢。

7.4在煤礦管道上的應用

煤礦在開采煤炭資源過程中會伴隨著多種災害事故的發生，在這些事故中瓦斯爆炸無疑是最嚴重的，它不光是造成的損失最大，發生的頻率也是最大的，根據每年國家煤監局的事故統計來看，煤礦發生一次死亡10人以上的特大事故中，絕大多數是瓦斯爆炸，約占特大事故總數的70%左右，為此，瓦斯可稱為煤礦安全的最大威脅者。

防止瓦斯爆炸的主動防護措施就是防止電火花的產生，涂塑鋼管用的粉末塑添加了導電劑和阻燃劑，使靜電荷不能在涂層表面積累，不會突然放電而產生電火花并且在長期使用中不燃燒，不軟化。現在，FBE在煤礦領域也有許多應用，如：排水管、煤礦通風管、瓦斯管等，這種管道在滿足機械性能的同時，還要具備導靜電和阻燃的性能符合煤礦井下用塑料管安全性能檢驗規范，MT181-1988標準，這種粉末也就是所謂的“雙抗”粉末。主要失效模式：因為主要采用井式浸涂方式，涂層上薄下厚，厚的下端電阻率達不到106Ω，有可能達不到導電要求；管體入井前溫度過高造成的氣泡和孔隙等。

7.5在閥門管件上的應用

隨著管道事業的發展，國內閥門管件產品也在向高技術含量、高標準、耐腐蝕、高壽命方向發展，這對閥門的涂層及涂裝技術提出了更高的要求。熱噴涂的FBE非常適合異形管件的涂覆。例如：西氣東輸等長輸管線需要大量彎頭，這種異形件不方便搬運，有時拖拉會造成涂層劃傷，雙層FBE便很好地解決這一問題，另外，閥門、水表、接頭等異形件對外觀要求較高，這些工件雖然尺寸不大，但是有足夠的壁厚，熱噴涂后FBE迅速熔化、流平，工件余熱能夠保證涂層完全固化，所以在保證外觀、內在質量的同時，工作效率比傳統的液體涂料大大提高。

主要失效模式是：管件都是異形件，各個部位薄厚不一致，不能使各部位固化完全一致，可能產生有些部位過烘烤或欠烘烤而產生局部脫落。

7.6在涂層鋼筋上的應用

所謂環氧樹脂涂層鋼筋是一種在普通鋼筋表面涂覆一層FBE保護層的鋼筋，涂層厚度一般在180-300μm。采用這種鋼筋能有效防止處于惡劣環境條件下的鋼筋被腐蝕，從而大大提高工程結構的耐久性。

鋼筋用熔結環氧粉末涂料具有快速固化、厚度均勻、柔韌性好、抗彎曲性好、工作溫度范圍寬泛、機械性能優異、抗泥漿摩擦、抗陰極剝離、抗化學性能良好等眾多優勢。

環氧涂層鋼筋產品主要應用于鐵路、公路、橋梁、高層建筑地下室、地下車庫、海港、碼頭、水壩及污水處理池、化工等行業需重防腐的部位。1973年美國的賓西法尼亞大橋首先使用了環氧涂層鋼筋，以后，許多高速公路、鹽湖城國際機場等都使用了環氧涂層鋼筋。該環氧涂層鋼筋與裸鋼筋相比，因涂裝費用而引起的額外費用，只占工程總費用的2%左右，但由此可延長鋼筋使用壽命50年以上，這在美國等先進國家得到證實。從環氧鋼筋的防護要求、施工性能、技術成熟度、經濟性等方面來看，目前我國已達到實用化的階段，并已而在某些工程中開始使用，應用前景廣闊。

中國的高速鐵路建設始于1999年所興建的秦沈客運專線。經過10多年的建設和對既有鐵路的高速化改造，中國目前已經擁有全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網。截止2013年9月，中國高鐵總里程達到10463km，“四縱”千線基本成型。中國高速鐵路運營里程約占世界高鐵運營里程的46%，穩居世界高鐵里程榜首。

涂層鋼筋主要有兩個職能：防腐和絕緣。粉末涂裝FBE完畢的鋼筋。失效模式就是防腐失效和絕緣失效。

7.6.1防腐失效

在水下或地下部分，混凝土必定有一些縫隙或孔隙可以讓水和腐蝕介質進入。如果鋼筋涂層固化不完全，折彎有裂紋或有孔隙和損傷，會引起混凝土中的鋼筋銹蝕。由干銹蝕產生的氧化鐵皮體積要膨漲到幾十倍，導致混凝土開裂、保護層剝落而失效，使鋼筋直接暴露在大氣、水及其它腐蝕介質中，腐蝕速度加快，往往未至設計使用年限而遭提前破壞。鋼筋涂層FBE屬于高溫快速固化，容易產生涂層孔隙，且容易造成欠固化。

7.6.2絕緣失效絕緣

失效主要表現在高鐵建設上。高鐵速度很快，其信號傳遞尤為重要，我國的鐵路信號是在鐵軌上傳遞的，如果軌道板鋼筋不絕緣，就如同一個閉合的線圈，將產生物理學上的電磁效應。鐵軌上有電流，和鋼筋形成電磁效應，使信號傳輸的距離變短或出現錯誤信號。這主要是涂層鋼筋生產中鐵屑的帶入或涂層鋼筋運輸使用過程中損傷造成的漏點。

我國過去受國情限制，工程往往只注重盡量降低造價，而忽略了結構物的耐久性和長遠的維修問題。前期的費用省了一些，卻帶來日后極高昂的修復費用和拆建問題。隨著經濟的發展效益觀念的轉變及體制的改革和進步，FBE涂層鋼筋在我國建筑行業也必將有廣闊的應用前景。

7.7在跨海大橋鋼管樁上的應用

跨海大橋是世界公認的建筑難題，基礎要用鋼管樁，以杭州灣大橋為例，使用了鋼管樁5800多根，每根直徑2.0-2.2m、長71.88m，因為跨海大橋一般處于處于入海口，大氣濕潤，所含氯離子較高，海水中還攜帶大量泥沙這些都對大橋的鋼管樁及各種鋼結構體造成嚴重的腐蝕威脅，海水會侵蝕深入海底的鋼管樁，國外通行的做法就是加厚管壁，按百年大橋的設計，管壁就要增厚2厘米，整座大橋鋼管樁用鋼量將從37萬噸增至50萬噸。成本增加不說，現有的打樁設備無法勝任。技術人員經過無數次次摸索，創新了FBE涂裝工藝，給鋼管樁裹上了一層特制的“外衣”，防腐效果非常好，并節省建設資金。其防護涂層采用了與管道防腐類似的熔結環氧粉末，即單層、雙層及三層環氧粉末涂料防腐結構相結合，以最大限度地保護大橋鋼管樁，阻緩鋼管樁腐蝕。主要失效模式：鋼管樁體積龐大，加熱和涂層均勻性受限制，涂層固化也容易不均勻；涂層易產生孔隙；而搬運不方便，易受損傷。

7.8在建筑預應力混凝土鋼絞線、錨索上的應用

預應力鋼絞線主要用于巖土錨固技術，這是近代巖土工程領域的一個重要分支。由于安全、經濟和有效，越來越廣泛地應用于各工程領域。巖土工程多屬隱蔽工程，預應力筋所接觸的介質多為地下巖土和土，環境條件十分復雜，處于地層中的預應力錨索經常會受到地下水（特別是含有腐蝕介質的地下水）的侵蝕，而在高應力作用下，預應力筋會出現應力腐蝕，二者交織在一起，往往導致錨索的損壞。要保證錨索在服務期內的安全性、耐久性和可靠性，防腐是關鍵。

預應力混凝土用鋼絞線主要作預應力混凝土結構配筋用，如大跨度鐵路和公路的橋梁、吊車梁、巖土錨固工程，多層工業廠房等，環氧涂層鋼絞線示意見圖14。

熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析利用FBE填充鋼絞線具有優異的耐腐蝕和耐水性能，提升了目前錨索應用的耐腐蝕水平。填充型環氧涂層鋼絞線，其外層及組成鋼絞線的各根鋼絲間隙內均由FBE完全填充和固化，形成致密整體，通過生產監控及后續處理，使鋼絞線表面環氧樹脂涂層全長范圍內無針孔，可完全避免腐蝕介質進入鋼絞線內部。填充型環氧涂層鋼絞線具有優異的防腐性能，無需外包PE護套即可用于體外索、斜拉索等工程中；目前，填充型環氧涂層鋼絞線在世界范圍內環氧涂層鋼絞線市場上占據80%以上的份額，是預應力工程中防腐鋼絞線的首選產品。國內天津瑞遠粉末涂料有限公司已經成功開發了預應力鋼絞線填充FBE，并在四川綿陽安昌河飛云大橋、西安繞城高速公路香王立交主線橋、河南信陽連心河橋、石家莊市鹿泉西部長青項目柳樹溝大橋等工程上成功應用，取得了良好的應用效果。鋼絞線用FBE與鋼筋用FBE一樣，主要由于涂敷施工屬于高溫快速固化，容易產生涂層孔隙，且容易造成欠固化（折彎開裂）。

8、FBE的最新進展

經過20多年的不斷發展和完善，國內FBE經歷了從無到有、從差到優、從弱到強、從單一到系列化的幾次大的飛躍，產品向著高性能化、多功能化、無公害化、應用簡單化、使用寬泛化、節約能源化方向發展。最終目的是延長管道使用壽命，防止涂層過早失效。下面介紹一下新產品動向。

8.1復合涂層

復合涂層就是把FBE涂層與其它涂層結合起來，達到最佳的綜合性能。俗話說得好：“人各有長”世界上所有的材料跟人一樣，不可能十全十美，。每一種材料都有自己的優點和缺點，關鍵在于怎樣取長補短。近年來防腐界推出了各種新型的復合涂層，就是把兩種或兩種以上的涂層結合在一起，使它們各自發揮自身的特長，避開各自的缺點，例如：3PE和雙環氧涂層就是比較好的組合，三層防腐結構綜合了環氧粉末的附著性、防腐性與聚乙烯層的耐候性、抗機械損傷性，彌補了各自的缺點，從而大大提高了涂層的使用壽命。雙環氧涂層底層有好的附著力，面層有良好的耐劃傷性，補口也用雙層FBE，相容性好，操作方便，質量控制容易，覆蓋層表面光滑，可避免陰極屏蔽問題，與陰極保護體系的匹配性比三層PE結構更好，最適于穿越地段和腐蝕比較強的地段使用。

防腐的復合涂層還有很多，如：雙環氧涂層、3PE、環氧+聚酯、環氧+丙烯酸、環氧+聚氨酯。使涂層的附著力、韌性、硬度、防腐性、耐候性、耐磨性等等得到兼顧。

8.2管道內外防腐組合

管道內外涂層質量要求側重不一樣，所以，內外涂層盡量區別使用，達到最佳的綜合防腐效果。如：內環氧外PE、內環氧外3PE、內環氧外環氧、內環氧外雙環氧等等，使得鋼制管道的應用領域得到擴展。

8.3低溫固化低

溫固化不是一個新課題，在粉末涂料行業已經提出近30年了，裝飾型粉末涂料可以做到最低固化溫度120℃，在管道領域一般不提倡低溫固化，因為低溫固化管道鋼材表面與環氧涂層不能形成有效的化合鍵，所以附著力和耐陰極剝離都很差。一般國外對單層環氧粉末涂料提出的最佳固化溫度為4500F，也就是232℃，普通鋼管常用鋼是X45-X75，管道涂敷施工溫度可達到245℃，而西氣東輸使用的是X80高強度管道鋼，溫度過高會改變鋼材的金相結構的應用，最高溫度不能超過120℃，經過粉末行業努力，3PE粉末最低做到180℃涂敷溫度，而不影響性能。

8.4耐高溫粉末涂層

內在的高交聯密度，高Tg使得出現外在的致密性，從而使涂層具有耐高溫、耐熱水性，從而應用于一些特殊的苛刻環境中，如：溫泉管道、油田注水管道、抽油桿等的應用。

8.5特殊功能性涂層

如：導電、阻燃、絕緣等等，滿足消防管道、煤礦瓦斯管道等的應用。

8.6滿足后壓槽工藝的粉末

消防、供水管道一般采用溝槽連接，先壓槽后涂裝。但在現場施工中，有些需要截取管段后再壓槽，由于壓槽產生的破壞力及產生的內應力，極易導致涂層脫落。要滿足后壓槽要求，必須要有好的附著力和好的韌性，但是附著力和韌性是矛盾的，我們經過努力通過環氧改性及助劑的使用，已經生產出完全能夠滿足后壓槽工藝需要的粉末涂料。

8.7涂層致密性改善

環氧粉末涂層具有很強的阻隔性，但是熱涂工藝由于高溫快速固化容易使涂層產生孔隙、空穴（顯微鏡下如圖2、3所示），富含氧和電解質的水進入孔隙并傳播，最后達到界面，會導致脫層和腐蝕，我們經過無數次試驗，通過使用納米材料和脫氣材料，成功的克服了孔隙的產生，涂層堅韌致密，使防腐性能上了一個新臺階。（改善后的粘接面孔隙率和斷面孔隙率如圖15、圖16所示）熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析熔結環氧粉末涂料涂層的失效分析.

9、結語

失效分析是一門發展中的新興學科，近年開始從軍工到普通企業普及。在提高產品質量，技術開發、改進，產品修復及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義，失效分析是根據失效模式和現象，通過分析和驗證，模擬重現失效的現象，找出失效的原因，挖掘出失效的機理的活動，在材料領域發揮著越來越大的作用。

搞好防腐蝕工作已不是單純的技術問題，而是關系到保護資源、節約能源、節省材料、保護環境、保證正常生產和人身安全、發展新技術等一系列重大社會和經濟問題，血的教訓太多，我們不希望從失敗中獲得教訓，我們應該從實踐中獲得經驗，未雨綢繆比亡羊補牢要好得多。失效分析強調的還是預防為主，把一切腐蝕的安全隱患消滅在萌芽狀態，讓我們的管道、建筑長期、穩定的發揮作用。現在，國家預計投資4000億到5000億在全國范圍內推行管廊建設，這是機遇，也是挑戰。隨著基層建設質量要求的不斷提高，失效分析也會越來越有用武之地。

責任編輯：班英飛

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