熔结环氧粉末涂料研究进展和在管道防腐上的应用

近日，由河北石油职业技术大学和海油发展珠海管道工程有限公司在《涂料工业》上联合首发的论文《熔结环氧粉末涂料研究进展和在管道防腐上的应用》对外发表。

该论文介绍了熔结环氧(fusion-bonded epoxy,FBE)粉末涂料作为一种防腐材料的特点,包括其良好的耐腐蚀性、与金属的黏结性能以及环保特性。通过对近5年来FBE粉末涂料领域的研究成果进行了总结和分析，梳理了相关的标准、组分、工艺和工程应用等方面的最新研究进展。指出提升FBE涂料在管道防腐涂料领域的研究水平和应用水平,有助于减少管道失效事故的发生,确保输送油气等资源的安全可靠。

研究人员指出，管道运输已成为油气输送等领域的主要运输方式。无论是已经开展的西气东输工程，还是目前我国在开展的围绕中亚-俄罗斯、中东、非洲、拉美和亚太等国际油气合作区项目，都离不开管道运输。

然而，在管道运输中，金属材料腐蚀是造成经济损失及安全事故的一大重要因素。据美国管道和危险材料安全管理局（PHMSA）统计分析，2010 年以来美国油品、天然气管道事故，排名前三位的失效原因分别为腐蚀、管体/焊缝材料失效和设备失效。在大庆油田管道失效的成因分析的文章中提到，腐蚀占到失效原因的90%。因此，对管道防腐材料的不断深入研究与开发是至关重要的。

由于金属材料本身防腐能力的改善具有一定的局限性，通常难以同时实现高防腐性、高强度和低成本。因此，在管道防腐中常采用在金属材料表面涂敷防腐涂料的方式。管道防腐涂料通过阻止腐蚀性介质、氧气、水等会引起腐蚀的物质进入金属表面，以达到防腐的目的。这要求防腐涂料具备抗冲击性、抗渗透性、绝缘性等关键特性，并与金属具有出色的黏结性能。

在满足这些要求的管道防腐涂料中，经历了从最早的石油沥青到环氧煤沥青、煤焦油瓷漆的发展，最终演变为具备抗冲击性、抗渗透性、绝缘性和与金属黏结性等综合性能更优越的熔结环氧（fusion-bonded epoxy，FBE）粉末涂料。目前，FBE粉末涂料已成为新建管道使用最普遍的防腐材料之一。

FBE粉末涂料概述

FBE粉末涂料是一种防腐材料，最初在20世纪50年代被开发用于电气绝缘领域，随后被应用于管道外防腐领域并一直沿用至今。随着技术的不断发展，FBE粉末涂料还被广泛用于补口防腐、管道内防腐和弯管防腐等领域。在管道外防腐技术中，FBE粉末涂料已经发展出多种不同的防腐技术，例如单独作为单涂层、双涂层以及三涂层的底层防腐层等。

FBE粉末涂料在管道防腐领域广泛应用的原因是它具备良好的耐腐蚀性和与金属优异的黏结性能，同时满足生产、存储、涂敷工艺、管道运输及施工、成本等方面的所需条件，生产商能够接受。此外，FBE粉末涂料具有环境友好的特性，符合现代社会对环境保护的需求。且属于无溶剂涂料，挥发性有机化合物（VOCs）含量较低。

Knudsen等的调查表明，粉末涂料在21世纪10年代的世界涂料市场占有率达到11%。并且在涂料工业“十四五”规划中，无溶剂防腐涂料、粉末涂料等产品将在工业防腐领域逐步扩大应用。因此，FBE粉末涂料的优越性和环保特性使其成为管道防腐领域中不可或缺的一种材料。

FBE涂层相关标准研究

FBE粉末涂料作为防腐涂料领域中市场份额较大的一种，用其制备涂层的相关技术标准在我国和欧美发达国家持续出台和更新。在我国，2020年颁布了针对FBE外涂层的国家标准 GB/T 39636—2020《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》。在此之前，我国采用的是行业标准SY/T 0315—2013《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术规范》。李东阳等对GB/T 39636—2020 进行了详细解读，并将其与SY/T0315—2013 标准进行了逐条对比。研究表明，新标准在 FBE及其涂层的附着力、粘接面孔隙率、断面孔隙率、抗冲击、阴极剥离和热特性等指标要求上有所提高。

此外，针对管道外涂层防腐技术规范，加拿大CAS Z245. 20-18《钢管外熔结环氧粉末涂层》、美国NACERP0394-94《工厂应用的熔结环氧粉末外涂管道涂层的应用、性能和质量控制》、API RP 5 L9—2001（2015）《管道外熔结环氧粉末涂层》、德国DIN30670—2012《钢管和管件的聚乙烯涂层-要求和测试》、澳大利亚 AS/NZS 3862—2002《钢管外熔结环氧粉末涂层》等标准对单层环氧粉末、双层环氧粉末和三层聚乙烯涂层提出了详尽的技术要求。

张圣光等对这一系列的国内外环氧粉末外涂层标准进行了对比分析，吴希革对 SY/T 0315—2013标准进行了详细解析，韩冰等则系统梳理了国内外FBE粉末涂料相关标准。这3篇文章均发表于国家标准GB/T39636—2020颁布之前，主要针对SY/T0315—2013标准展开研究，并指出了SY/T 0315—2013 相对于国际标准存在的先进性和不足之处。他们的研究成果为外涂层技术的进一步发展提供了宝贵的经验和建议，也进一步推动了行业进步以及新标准的颁布。

综合以上文献，GB/T39636—2020 是以 SY/T 0315—2013为基准，提高、细化并增加了对FBE涂料及涂层性能指标的要求，适用的引用环境和流域的变化并不大，2个标准都适用于钢质管道单层和双层结构的FBE外涂层的设计、生产、施工和检验。

在标准GB/T39636—2020中，增加了阴极剥离和附着力测试28d的条目，以及界面杂质污染率指标条目。此外，耐磨性测试方法也由落砂法改为砂轮法。还增加了对管道涂层长期性能检验要求和界面杂质污染百分率指标的规定，并对原材料抽检批次、涂层面层和底层的指标要求进行了细化。

值得一提的是，新标准使用的检测方法与国际标准ISO 21809-2：2014 和 CSAZ245. 20-18 的要求更加接近。然而，仍存在一些差异，比如缺乏统一的吸水率、硬度等检测方法。

针对FBE内涂层，我国采用的是行业标准SY/T0442-2018《钢质管道熔结环氧粉末内防腐层技术标准》。国际上 FBE内涂层采用的标准包括：材料测试标准NACE RP0394-94、 CSA Z245. 20-18和ANSI/API 5L7-88；内涂层材料测试标准NACETM0185-93，NACE RP0394-94 等。国际上内涂层的涂敷标准参考了 FBE 外涂层等涂敷标准。与外涂层相比，内涂层的发展起步时间较晚，近5年还没有对SY/T 0442-2018与国际标准比较的相关研究。

然而，需要指出的是，由于FBE相关技术仍在不断进步，同时其应用领域也在不断拓宽，工程实践中仍可能出现标准无法覆盖的情况。此外，标准仅对材料要求进行了最低限度的规定，无法涵盖个性化材料和新材料的特殊性。因此，张国庆指出，国内外所有防腐涂层标准都基于较为常见的使用环境，标准文件通常会声明类似于“本标准规定了常规的最低技术要求”。法国道达尔石油公司根据项目实际情况在其项目技术规格书中增加了自制的检测方法和技术要求，为项目安全提供了保障，这种做法值得借鉴和学习。

FBE粉末涂料工程

案例研究

根据FBE在不同工程中的实际应用情况，相关领域的工程师进行了研究。通过总结近5年的文献工程案例，介绍了 FBE涂层在特殊和复杂环境（滩海油田和柴达木盆地等）下的使用研究，以及FBE涂层作为输油管道的内涂层以及输水管道的内外涂层等相对较新的领域的应用研究。

在滩海油田，由于存在自然保护区且敷设环境较差，地表植被的根系变化可能导致管道外防腐层的破损。此外，大面积放水可能导致管道淹没，这对管道的外防腐要求提出了更高的要求。针对这种情况，杨风斌等提供了可采用3PE防腐技术进行防护，该技术以FBE涂层作为底层，使用中间层胶黏剂将底层FBE与上层聚乙烯黏结在一起，可在保持FBE防腐特性的基础上，提高保护层的强度。

类似地，李春雨等分析了柴达木盆地的盐渍土对腐蚀性的影响，并指出FBE涂层损坏的主要原因是防腐层的损伤。根据对土壤的分析，选择具有较高强度的3PE防腐涂层技术更具优势。

此外，赵向东针对热煨弯管防腐的实际工程问题，阐释了3PE弯管防腐与常用防腐方式，并通过改进的机械化方式解决了直管3PE涂覆工艺无法直接应用于弯管的问题。窦宏强等则采用多层粉末喷涂和纵向整体包覆的方法解决了弯管3PE涂覆的问题。

FBE涂层作为输油管道的内涂层以及输水管道的内外涂层仍然属于相对较新的领域，在这2个领域中的研究主要集中在验证FBE涂层作为防腐方案的可行性以及与其他防腐方案相比的优势。例如，有研究论证了喇嘛甸油田注聚金属管线穿孔与FBE内涂层质量之间的相关性，并提出了进行厂内内涂层自检的建议。通过调整参数和优化节点控制，该厂家成功将 FBE 内涂层质量从存在漏点和40μm的厚度提高到无漏点且厚度达到400μm。

此外，一项研究通过比较沙特对FBE内涂层的标准与国内行业标准的差异，阐释了沙特阿美石油公司预制管线FBE内涂层施工的关键要点。这项研究为类似工程的施工单位提供了有价值的参考样本。此外，还有研究论证了 FBE 涂层在珠三角水资源配置工程中应用于大直径带加劲环管道的内防腐方案的可行性，并进行了实践验证。还有研究论证了FBE涂层在长江取水工程中用于内涂层的有效性，以及对大口径热水长输管道内涂层使用FBE涂层的可行性进行了讨论。

然而，对于大口径热水长输管道内涂层应用FBE涂层的问题，这些研究还停留在讨论层面，尚未解决FBE涂层如何应用于大口径热水长输管道内涂层的问题。

结语：

从标准的发展情况可以在一定程度上了解行业的发展趋势，众多研究学者对FBE涂料的管道外涂层的标准进行了详细解读和对比，并提供了宝贵的经验和建议，然而，对于FBE内涂层的标准研究尚不充分。尽管标准不断进步，但仍无法覆盖所有工程实践情况，因此根据项目需求灵活运用标准并借鉴其他公司的自制检测方法和技术要求是必要的。

FBE涂料可通过组分调整来改善防腐性能、力学性能和热特性等，是其能够作为管道涂层进行防腐的关键。目前我国的技术团队已经具备一定的FBE涂料配方开发能力，开发的配方中有的满足了国家标准的要求，有的已经被用于实际工程中。

同时，开发利用胶囊化技术制备自修复功能的涂料、二维材料或纳米粒子等的复合涂料的研究方向有望为管道防腐涂料领域带来创新解决方案，满足不断增长的工况需求。涂层的失效因素和挑战也得到了详细讨论，并指出了具有前景的研究方向，如附着力评价方法的改进和表面处理技术的应用。

针对一些更具挑战性的工程应用，如在滩海油田和柴达木盆地等复杂环境，热煨弯管和大口径热水长输管道的防腐问题等，3PE防腐技术作为先进的防腐方案，相比于单层FBE或双层FBE防腐技术，已经成为一种具有竞争力的方案，但3PE技术的底层涂料仍使用的是FBE。

此外，对于FBE涂层作为输油管道的内涂层和输水管道的内外涂层，研究集中在验证其可行性和优势。这些研究对于进一步推动 FBE 涂层的应用和改进具有重要意义，并为类似工程提供了有益的经验和参考。