熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析

2016-02-17 12:03:41 作者：本网整理来源：景成化工分享至：

1、引言

任何有机涂料涂层都有一定的使用寿命，可以说没有不坏的涂料，如何尽量延长涂层的使用年限是涂料界的一个永恒的课题。不同的产品对涂层寿命的要求也不一样，例如：冰箱、空调、洗衣机、微波炉、洗碗机等家用电器的使用寿命一般十几年以上就可以了。外表涂层以装饰为主，购买十几年后即使涂层不坏，而压缩机、管路、电机等核心部件也会磨损、老化以致损坏，最后整体报废；而以防腐为主的功能性涂料的涂层使用寿命却是越长越好，因为它们的应用对象不是一个个简单的个体，而是一个庞大的线、网或群，影响千家万户。例如钢筋上的涂层一般与整个建筑物的寿命是同等的；输油、输气、输水的钢管上防腐层的防腐效果关系到管道的使用寿命，一条几千公里的管道有一点泄漏，也会导致整条管线停运，还会造成国家财产和人身安全的巨大损害。涂层失效的原因有很多，不仅与涂料本身有关，而且涉及到涂料施工工艺、被涂基材表面处理、工件的使用环境等诸多方面。所以，涂层的失效分析被提到一定高度，研究人员需要研究涂层的失效机理，为研发新型涂料提供理论依据；生产企业更是需要了解涂层应用过程失效的原因，以便改进、提高涂料质量；工程技术人员则需要掌握涂层失效分析的方法，现场分析、判断引起涂层失效的可能因素，以避免在涂料工程中再次发生，所以说研究涂料就要研究它的失效。

研究腐蚀的主要对象是金属，尤其以钢铁的腐蚀最为重要，因为它是大量应用的材料，而且又极易腐蚀。将矿石冶炼成钢需要消耗大量的能量，此能量潜存于钢铁中，钢铁是不稳定态，它们随时随地可恢复至原始自然的化合态而释放出能量，这在化学热力学上是自发的过程，即腐蚀现象。人们利用钢铁及其合金的特性创建了今日的文明，所以保护钢铁等金属，使存在于不稳定状态的金属正常发挥功效，阻止它转化为化合态（锈蚀），延长物体的使用寿命是防腐工作的一项重要任务。

在防腐理论方面，已有许多科学家奠定了基础，近年来进展并不甚大；而在防腐蚀涂料的技术方面，则发展迅速新的涂料品种、新的涂装工艺、新的应用领域不断涌现，熔结环氧粉末涂料就是防腐领域非常重要的品种；随着配套原材料、生产设备、检测仪器、喷涂设备的配套齐全，粉末涂料有了前所未有的发展，无论在品种、数量、质量、应用和人们的认识上都有大的飞跃；粉末涂料具有传统溶剂型工业涂料不可比拟的优良特性，无论在环境上、经济上、涂膜品质上、涂装效率上都有竞争优势，现在粉末涂料已经渗透到家用电器、汽车、机械仪表、家具、厨具、建筑材料、园林设施、电力设施、交通设施、输油输气输水管道防腐等领域。尤其是熔结环氧粉末以其独特的功能，备受人们瞩目，在输送天然气、原油、成品油、水、海水、污水等管道防腐领域大量使用，能够有效防止土壤、大气、水、有机溶剂、微生物、植物根系的腐蚀和破坏。

2、熔结环氧粉末涂料

概述熔结环氧粉末涂料是一种以环氧树脂为基料的热固性粉末涂料（加热熔化，然后固化成膜，以后不再遇热熔化），应用于管道防腐领域已有50多年的历史，最早服役的环氧粉末涂料涂层防腐的管线现在还依旧发挥着它们的作用，说明其经得起实践和时间的考验。

熔结环氧粉末涂料是一种以空气为载体进行输送和分散的固体涂料，将其施涂于经预热的钢铁制品表面，熔化、流平、固化形成一道均匀的涂层，故得此名，英文名称FusionBonding Epoxy Powder Coatings，简称FBE。

FBE的每个颗粒都均匀地包含所有组成成分，使涂敷的操作过程以及形成的涂层都具有连续稳定的均匀性。其优异的物理性能、化学性能、使用性能、耐久性能、安全环保性能、经济性（涂层薄，只有300-500μm，成本低）得到防腐界普遍认可，显示出其强大的生命力，广泛应用于输水、输油、输气、建筑、高铁、水利、采矿等方面，并发挥着其独特作用。几十年来，经过不断的发展完善，这项技术在管道领域已经走向成熟，在不同的管径、不同的传输介质、不同的连接方式、不同的地理环境都有出色的表现。伴随中国油气管道业20年来的快速发展，FBE粉末涂料已获得大规模应用，产品配方、生产工艺和涂装工艺技术日臻完善。特的功能，备受人们瞩目，在输送天然气、原油、成品油、水、海水、污水等管道防腐领域大量使用，能够有效防止土壤、大气、水、有机溶剂、微生物、植物根系的腐蚀和破坏。

3、熔结环氧粉末

涂料的优良特性防腐涂料有很多种类，为什么FBE能够一枝独秀？这得益于其粉体涂装方式（不含溶剂，V0C含量为零）和环氧树脂独特的分子结构，环氧树脂种类很多，最常用的双酚A环氧树脂其分子通式（如图1所示）：

熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析从以上分子结构可以看出：环氧基和羟基赋予树脂反应性，使树脂固化物具有很强的内聚力和粘接力；醚键和羟基是极性基团，有助于提高浸润性和粘附力；醚键和c-c键使大分子具有柔顺性；苯环赋予聚合物以耐热性和刚性；异丙撑基减小分子间作用力，赋予树脂一定韧性；-c-o-键的键能高，从而提高了耐碱性。主要缺点是：分子中的极性基团导致分子有一定的亲水性，芳醚键的存在导致树脂耐紫外光性差、耐候性差、易粉化。

FBE是一种有机涂料，涂层就是一种高分子膜，能够阻隔水、电解质、氧等腐蚀因素，防止化学和电化学腐蚀，FBE涂层突出的性能就是其耐久性，涂层具有良好的抗化学品性、抗溶剂性；坚韧、致密、耐磨，抗冲击性及抗弯曲性优良；与钢铁之间能形成化合键，有极佳的附着力。环氧树脂分子上富含羟基，不含有酯键（不水解），既有一定的水通过性，又有良好的绝缘电阻，与阴极保护配伍，可实现长效保护的目的；涂层具有很高的玻璃化温度，应用温度范围宽，能在-30-120℃之间保持最佳性能；FBE施工方便、无需底漆、固化迅速，特别容易实现流水线作业，涂装效率高；工件检测和修补简便，涂层质量容易控制。涂层有一定的吸水性且耐候性差，不适合室外装饰，而且涂敷需要专门的设备，现场施工性欠佳。

4、FBE涂层的工作原理与失效原理

4.1FBE的工作原理

将FBE施涂于经预热的钢铁制品表面，FBE快速熔化、润湿、流平、交联、固化形成一道均匀的涂层即高分子膜，分子由低分子的线性预聚体交联成立体网状结构。这个膜即有附着力又有韧性，并且能够阻隔水、电解质、氧的渗入，防止腐蚀的发生。大多数情况下附着力来自次级化学键或极性键，次级化学键是极性相互作用，如氢键和范德华力这些力依靠分子内的电荷分布不均匀，使得产生偶极子。这样，分子带有正电荷部分的一端，会被临近带有负电荷的部分的分子吸引。环氧树脂上由原子构成的官能团如羟基（OH）和固化剂中胺基（NH）具有显著不同的电负性，与基材容易形成极性键。如果固化温度到达230℃，则FBE涂层可能与钢铁表面形成化合键，附着力进一步提高。

涂层必须与基材形成亲密的物理接触才能实现良好的粘接，无论化合键还是次级键，都只发生在只有几A（10-10m）的距离内，FBE熔化并与钢铁亲密接触的过程叫润湿，只有充分的润湿才有好的附着力。FBE高温熔化粘度很大，并且很快固化，要想充分润湿必须要有好的前处理（去除氧化铁皮、灰尘、油污、打出锚纹），管道和钢筋一般采用喷砂或抛丸的前处理方式，不但有利于润湿，还增大了接触面积，影响表面张力，提高了机械结合力，附着力会显著提高。

至少在一定程度上涂层都具有阻隔性和渗透性，这也是FBE涂层保护好基材的关键因素，FBE涂层能够阻隔水、氧、盐分的渗入，又对水有一定的通过性，这样既保护了基材不受电化学腐蚀，又能让阴极保护发挥作用。

4.2失效原理

任何涂层都有可能失效，FBE也不例外，一般人们普遍地将涂料失效的原因归咎于四个方面，即涂料质量因素；涂层的制作因素；涂料的选择因素；涂层的服役环境因素。涂层失效可能是上述四个原因之一引起的，也可能是其中几个原因共同引起的。

4.2.1FBE的质量

因素涂料的质量与其原材料、生产工艺、配方、运输、储存的环节有关。

FBE的质量，与原材料选择、配方设计、加工工艺息息相关。现在国内有些环氧树脂生产厂家为了降低成本，在生产环氧树脂过程中添加一定比例的聚酯中间体，这种材料价格便宜，但是都是聚酯成分，而且没有官能团，不参加化学反应，对FBE的固化性能、耐水性、耐阴极剥离性、机械强度、附着力都有很大影响。

有些FBE应用在特殊环境下，需要使用部分改性环氧，以提高交联密度或提高韧性等，因为这些材料价格比较高，被有些FBE生产厂家弃用，而达不到预期的性能。

配方设计，就是根据产品的性能要求和工艺条件合理地选用原材料，确定各种原材料的用量和配比关系。FBE是由环氧树脂、固化剂、颜料、填料和助剂等组成，其中各个组分之间存在着复杂的物理和化学作用，目前尚不能完全用理论计算的方法确定各种原材料的配比，在一定程度上仍依赖于长期积累的经验。配方设计是一项专业性很强的技术工作，对产品质量和成本有决定性的影响，此外合理的配方又是保证加工性能的关键。因此配方设计在FBE生产中是个重要的环节。配比不合理的涂料流入市场，肯定会造成涂层的不合格，所以需要多个检测环节对质最把关，以防万一。

配方设计的目的不单纯是为了研究原材料的配比组合，更重要的是了解原材料的基本性质，各种配比对FBE性能的影响。以及与工艺性能的关系，进而了解各种结构与性能之间的关系。在谋求经济合理的同时，获得最好的综合性能，制成物美价廉的产品。

运输和储存环节主要是防止粉末结块、吸潮、变质，FBE含有能够反应的环氧树脂和固化剂，是一种非常活波的材料，一定情况下会发生轻微的化学反应。常温下FBE粉末的储存期最长一年，超过40℃还要缩短。过期或变质的粉末可能结块、胶化时间变短、流平变差、机械性能和耐化学性能变差等。

4.2.2FBE涂层施工因素

4.2.2.1基材前处理

涂装前良好的表面处理，对提高钢管的使用寿命可以起到事半功倍的效果。采用好的涂层，就如同给钢结构“穿”上了一件遮挡腐蚀的外衣，达到良好的涂层保护效果，涂装前良好的表面处理是必不可少的，它可以增加涂层与钢管的接触面积，使这件外衣牢牢地附着在钢结构表面，持久地担当起保护钢管的重任。

钢管刚出厂时，表面完整地覆盖着一层坚硬的氧化皮，这一层氧化皮肉眼看起来很紧密，但实际上有许多缝隙，这些缝隙会渗透水和氧气。氧化皮大体上是由三层铁的氧化物组成的，表层是Fe2O3，中间层Fe3O4，与金属表面直接接触的是FeO·Fe203在化学上是稳定的，而FeO很不稳定，在水和氧的作用下，FeO很容易水解成铁的氢氧化物，这样，上述水解作用和腐蚀就会慢慢从缝隙开始。并沿着金属和氧化皮的界面向内深入，在界面上生成较大体积的锈蚀产物，从而引起氧化皮表层应力的变化，而氧化皮本身没有延展性，这样氧化皮很快就会带着它外面的涂层一起剥落下来。此外温度的变化、机械作用等物理因素也会引起氧化皮翘起或剥落。另外，从电化学观点看，氧化皮的电极电位比金属铁本身要正0.15-0.20V,当钢板的大部分表面上仍附有氧化皮时，在腐蚀性介质中氧化皮部分便构成一个大阴极，而在氧化皮不连续处的钢管表面则构成一个小阳极，从而发生严重的电化学腐蚀。同时我们大量的试验证实，除去氧化皮以后再涂装的工件比带有氧化皮的工件受保护的效果更好。因此，要提高防护涂层的附着力，必须有好的前处理。

4.2.2.2FBE涂层的涂敷工艺

FBE是热固性粉末涂料，加工工艺主要指粉末涂装的固化温度和固化时间，只有完全固化才能获得涂层良好的物理性能和化学性能。被涂敷的大口径管道一般长为12米，利用余热使之固化，凝胶时间必须足够快，使之冷却前完全固化；同时，固化速度又要足够慢，使表面适当润湿和流平，浸润到锚纹深处，这是一对矛盾；因为熔结环氧粉末涂料FBE是热固性涂料，涂装后，不但要流平，而且要完全固化，要发生一系列化学反应，形成立体网状结构的大分子，这需要在一定温度下，保持一段时间，使之完全反应和熟化，如果没有完全反应，固化百分率达不到95%以上，则涂层的物理、化学性能不能实现，涂膜中的树脂还是脆的预聚体，没有强度和耐性，更谈不上对钢管的保护，这一点在熔结环氧粉末的使用中是非常重要的，只有固化率达到95%以上才认为是完全固化，不完全固化或过固化对涂层质量都是有害的。在固化温度高于260℃时，涂层分子链易断裂，造成降解、分解等副反应，涂层被烤焦，达不到应有的性能，且基材的金相结构也有可能发生改变，影响管道的主体强度。

总之，要想获得好的附着力必须有好的前处理，好的环氧粉末，好的固化工艺，否则涂层失效是不可避免的。

4.2.3FBE应用选择

FBE有很多品种，每一种都有其特点，性能指标各有所侧重。施工和应用都不尽相同，我们选择FBE的原则是“物尽其用”。不同的工件采用不同的FBE和施工工艺。例如：管道内涂FBE要求涂层致密、坚硬耐磨，减少输送介质的二次污染，降低摩擦阻力，延长钢质管道的使用寿命，提高管道输送效率；而管道外涂层则侧重涂层的韧性和抗冲击能力，表面流平放在第二位，毕竟保护作用最重要，两者用反了就达不到预期目的。再如：钢筋涂层因为现场折弯的要求，所以韧性是放在第一位的，而管道内涂FBE则把附着力放在第一位。这两种材料也是不能混用，所以说合理地选择FBE与生产FBE同等重要。

4.2.4FBE服役环境因素管道遍布世界各地，从陆地到海洋，从城市到乡村，从赤道到极地，从地面到地下，从平原到山地、河流、湖泊、沼泽、草原、沙漠，每处的地质结构、温度、大气、水体、杂散电流都不尽相同，所以腐蚀状况也不一样。虽然FBE涂层有很宽的适用范围，但是也要区别对待。有些地方用普通级防腐就可以，腐蚀苛刻的地方就要用加强级，有些特殊管道，例如：注水管道，就要用高交联密度的耐高温涂层，如果使用普通FBE涂层，由于涂层玻璃化温度低于环境温度，会很快软化、脱落并堵塞管道。

5、涂层失效各种表现方式及失效分析

5.1孔隙

孔隙就是涂层表面或内部不连续部分，粉末涂料是以空气为载体的涂料，FBE固化迅速，在成膜之后微量的空气或挥发分封闭在涂层中或冲破涂层就形成孔隙，对于快速固化的热喷涂涂层孔隙是不可避免的，但通过改进粉末和涂装工艺可以把空隙控制到无危害程度。在显微镜可清晰发现断面和粘接面的孔隙（如图2、图3）。

熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析SY/T-0442标准把孔隙率由低到高分为5级，2级以下认为是合格的，过多的孔隙会吸收水分，并沿界面扩散，消散涂层与钢铁底材的结合力，严重的导致脱层。

5.2气泡

良好的FBE涂层除了能屏蔽水、氧、离子透过外，尚必须具有保持高度的附着力，涂膜对金属的附着力，除了个别来自主价键，绝大多数来自次价键力：氢键和范德华力，当涂膜浸入水后，水分子透过涂膜达到金属界面，对极性基团置换取代，特别是渗透到孔隙并延界面蔓延，在渗透压和热量膨胀的作用下产生气泡，而使涂层局部剥离。

5.3漏点

所谓漏点，英文是holiday，指防腐层上的不连续点或贯通的铁屑杂质。FBE漏点检测的实质就是检查和发现钢管表面局部的防腐层不完整。如孔隙、贯通涂层的导电物质如磁性物，这些部位就是将来有可能比较快地受到腐蚀介质如水溶液的浸蚀，而发生腐蚀破坏的部位。因此，对防护性的涂层，尤其是防腐层的连续性或称为完整性的检测在防腐蚀涂装施工验收中占有十分重要的地位。

埋地钢质管道防腐层的漏点检测，要比其他行业的防腐蚀涂装更为重要，这不仅是留下一个涂层漏点，也留下了一处涂层隐患。由于管道防腐层的完整性直接影响到阴极保护的电流密度的大小和阴极保护的经济性。因此在埋地管道防腐层的施工过程中，无论是在防腐预制厂里防腐涂层管的生产预制过程中，或者是将防腐好的防腐层管搬运到施工现场，实施现场的焊接、补口等工艺过程的施工中，都要对管道外的防腐层进行漏点检测。尤其在下沟前，应进行全线100%电火花检漏。检漏的方法通常都使用高压电火花检漏仪。对于检测出的漏点可用双组份无溶剂环氧涂料修补。

5.4损伤

所谓的损伤是指防腐后的管道在搬运、运输、施工等过程中造成的破损。大面积的损伤说明涂层失效，需要重涂，小面积的损伤，可以用双组份无溶剂环氧涂料修补。
5.5阴极

剥离阴极保护作为埋地管线的防腐蚀手段之一，得到了广泛应用，在防止钢管电化学腐蚀方面效果显著。阴极保护所带来的负面作用也早已为各国的防腐工作者所认同，副作用之一是阴极反应产物导致防腐层局部剥离而使涂层失效。原理就是阴极部位析氢和碱性增强导致，所以要求FBE要有足够的附着力和耐碱性；从原材料的角度出发环氧树脂有较高的官能度和活性，不含任何酯类物质，成膜后涂层有较高的交联密度，附着力和耐渗透性提高，抑制阴极剥离的发生。

5.6脱层

所谓脱层就是附着力不好，造成的涂层与钢管脱离。原因与前处理、FBE质量、加工工艺等有关：

FBE不含溶剂，是高温快速固化的热固性涂料，熔融成粘流态并保持的时间很短，涂料流动和润湿基材的能力有限，所以前处理的好坏对粉末涂料来说比液体的油漆更为重要。

FBE固化不仅生成高分子薄膜，同时它也是良好的粘合剂。单纯的塑料薄膜并不能阻止金属腐蚀，它必须紧密地粘合在钢铁表面才能阻隔腐蚀介质渗入。通常涂料附着于钢铁表面是由于分子间的次价键的极性吸引力，如氢键和范德华力。。吸引力的大小与分子间距离的6次方成反比，越近越大；但吸引力范围必须在5A以内才有效，即氧原子直径的3倍以内。所以钢铁表面若有油污即使单分子的油污也会超过5A，会使涂层失去附着力，脱层而失效。

6、试验方法

腐蚀是一个漫长的过程，有时试验一个涂层的好坏，在一般状态下。要用几年的时间考验，周期太长，起不到指导作用。于是人们利用一些极端的方法，能在短时期内够判断出试验结果。盐雾试验、水煮试验、阴极剥离试验、DSC试验就是考验粉末涂层的附着力和耐渗透性的强化或科学的试验方法，对FBE生产和涂装都有一定的指导意义。

6.1水煮

附着力试验把涂装好的样板放置到水中浸泡以后测试附着力叫湿附着力，湿附着力是涂层防腐性能的一个关键因素。如果放置在高温的水中（一般选择75℃或95℃），热的水其分子运动速度加快，渗透性也加快，这种方法能短时间内发现涂层附着力的下降情况，也就是水煮附着力试验，是对涂层、前处理等方面的一个综合考验。水煮后的样板及附着力试验。

6.2阴极剥离试验

上面我们讲到过阴极剥离，阴极剥离是涂装金属遭到破坏的一种常见形式。涂装的钢铁常采用阴极保护手段防止腐蚀。阴极保护不理想的后果之一是有缺陷处的涂层，由于阴极反应而失去附着力，涂层会从金属上分离，这种现象称为阴极剥离。我们模仿阴极保护过程，人为制作电解质溶液、漏点，及阴极保护电流观察阴极部位剥离的半径，就是阴极剥离试验。阴极剥离试验与温度、电解质种类和浓度、施加电位、涂膜厚度、前处理等有关。试验能够在短期内显示出涂层的耐阴极剥离能力。
6.3盐雾试验

人工模拟盐雾环境试验是利用一种具有一定容积空间的试验设备一一盐雾试验箱，在其容积空间内用人工的方法，造成盐雾环境来对产品的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核，观察样板的锈蚀、蔓延、起泡和剥离程度。它与天然环境相比，其盐雾环境的氯化物的盐浓度，可以是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍，使腐蚀速度大大提高，对产品进行盐雾试验，得出结果的时间也大大缩短。

6.4DSC差示扫描量热试验

差示扫描量热法（DSC）是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。粉末涂料因为不含溶剂，没有溶液残留问题，最适合用DSC进行表征。由于FBE是高温固化，具有相对高、清晰而容易测定粉末的玻璃化温度，固化放热量、涂层的玻璃化温度、固化百分率、固化速度等参数，可以为防腐厂使用FBE提供施工和质量控制的依据。DSC就像一双特殊的眼睛，测量FBE的应用参数和涂层参数，为管道涂敷生产服务。

7、防腐粉末涂料的应用领域及失效分析

7.1FBE在石油、天然气管道领域的应用

进入21世纪，天然气以环保方面的优势，超过石油和煤炭成为世界一次能源的首选。我国天然气储量丰富，但多分布于西部偏远地区，而消费市场主要集中在我国经济相对发达、人口密集的东部，21世纪初我国开始铺设了“西气东输”一线，2008年初，世界最长的跨国天然气管线“西气东输二线”工程正式开工，2012年10月16日西气东输三线工程开工，建成后每年可向沿线市场输送300亿m3天然气，可满足东部地区尤其是燃气电厂日益增长的天然气需求及日益提高的环境保护要求。

熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析管道运输正成为全球经济一体化发展的新方向，中国将成为世界油气管网建设的中心地区之一，今后，中国油气管道建设将朝着大口径、大流量和立体网络化方向发展。大口径油气管道总里程2015年将超过15万km，形成资源多元、调运灵活和供应稳定的全国能源保障系统。各地的城市管网也在紧锣密鼓地进行着，大量使用单层FBE、双层FBE和3PE进行管道外防腐。

单层FBE和双层FBE主要失效模式有：有些防腐厂家，片面追求产量，涂敷运行速度过快造成的涂层不完全固化（有时与季节更替造成的气温变化有关）；粉末质量和固化工艺造成的孔隙和漏点；运输和施工过程中的损伤等。

3PE防腐方式的失效方式主要有：管头涂层翘边；阴极保护电流屏蔽；焊缝后坡空鼓；涂层划伤；内层环氧粉末涂料漏涂等。

3PE防腐涂装一般采用中频加热，管头部位接触外界面积大，涂装时温度一般较中部偏低，底层的FBE层如果固化不完全，粘接强度就会较低。而从钢管端头部位脱层，即翘边。同时侧向缠绕的中间的胶层及外面的PE层都是靠辊压的方式涂敷的，难免在突出的焊缝处造成空鼓。

阴极保护是一种用于防止金属在电介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐蚀的电化学保护技术，该技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化。当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。

当阴极保护电流真正具有通达管子金属的通道时，阴极保护才是非常有效的。当防腐层发生剥离或者起泡时，大多数类型的防腐层会使保护电流偏离它们原有的理想通道，结果，阴极保护电流无法充分保护管子的外表面，这样的防腐层称为“屏蔽型”管道防腐层，3PE防腐层就属于屏蔽型的，这主要是因为PE层隔绝电流造成的，而单层FBE属于可渗透的“非屏蔽型”的防腐层，尽管涂料的电阻很高。但是，电流还是能够直接穿过熔结环氧粉末（FBE）屏障到达防腐层下的钢质底材，在防腐层剥离情况下依然形成高pH值环境，防止腐蚀的发生。

7.2在油田注水管道上的应用

注水采油技术是国内各大油田提高原油采收率的主要方法，随着油田开采时间的增长，注水水质的不断恶化，硫酸盐氧化还原菌的不断增多，而且井下温度高，油田井下管柱和输油管线的腐蚀及结垢问题，一直是困扰油气开采和输送的顽症，所造成的严重损失令人触目惊心。水温对溶解氧引起的钢铁腐蚀过程有较大的影响。在封闭系统中，水的温度愈高，金属腐蚀的速度愈快。这是因为，温度升高时，各种物质在水溶液中的扩散速度加快和电解质水溶液的电阻降低，这些都会加速腐蚀电池阴阳两极的电极过程。有些涂敷好的注水管道，在井下恶劣的环境中，涂层不到一年就失效脱落而堵塞管道，而使整口井报废。

水、氧和离子是腐蚀的三要素。防腐涂层是一种高聚物薄膜，能不同程度地阻缓上述三因素的透过而发挥防腐蚀作用，温度升高，从微观来看就是水分子的运动加快，对涂层的渗透性也就加强。如何更好地降低透水性、透氧性、透离子性、吸水性，提高涂层的交联密度和玻璃化温度Tg使环氧涂层更致密、具有优异的屏蔽能力，是解决问题的关键。

7.3在小口径给水管道上的应用

在小管径给排水管道、消防管道领域，国家出台禁用内镀锌钢管政策，涂塑钢管因价格低廉、使用范围广、操作简便、安全可靠而倍受青睐，成为取代镀锌管的主导产品，成功应用于城市给排水、消防、工厂腐蚀介质输送、楼宇消防、地铁和隧道给排水、海水淡化工程等领域，而涂覆钢管的主要防腐材料就是环氧粉末，提高了管道的使用寿命，涂塑钢管的使用寿命在50年以上。主要失效模式是：管壁薄，蓄热量不足，有些加热方式不能使涂层完全固化，而在安装使用中出现脱层、开裂。同时薄壁管采用的是沟槽连接，安装施工中有时会截取管道后压槽，这种做法对涂层伤害很大，轻者产生微裂纹，埋下隐患，重者使管道涂层完全报废。

7.4在煤矿管道上的应用

煤矿在开采煤炭资源过程中会伴随着多种灾害事故的发生，在这些事故中瓦斯爆炸无疑是最严重的，它不光是造成的损失最大，发生的频率也是最大的，根据每年国家煤监局的事故统计来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是瓦斯爆炸，约占特大事故总数的70%左右，为此，瓦斯可称为煤矿安全的最大威胁者。

防止瓦斯爆炸的主动防护措施就是防止电火花的产生，涂塑钢管用的粉末塑添加了导电剂和阻燃剂，使静电荷不能在涂层表面积累，不会突然放电而产生电火花并且在长期使用中不燃烧，不软化。现在，FBE在煤矿领域也有许多应用，如：排水管、煤矿通风管、瓦斯管等，这种管道在满足机械性能的同时，还要具备导静电和阻燃的性能符合煤矿井下用塑料管安全性能检验规范，MT181-1988标准，这种粉末也就是所谓的“双抗”粉末。主要失效模式：因为主要采用井式浸涂方式，涂层上薄下厚，厚的下端电阻率达不到106Ω，有可能达不到导电要求；管体入井前温度过高造成的气泡和孔隙等。

7.5在阀门管件上的应用

随着管道事业的发展，国内阀门管件产品也在向高技术含量、高标准、耐腐蚀、高寿命方向发展，这对阀门的涂层及涂装技术提出了更高的要求。热喷涂的FBE非常适合异形管件的涂覆。例如：西气东输等长输管线需要大量弯头，这种异形件不方便搬运，有时拖拉会造成涂层划伤，双层FBE便很好地解决这一问题，另外，阀门、水表、接头等异形件对外观要求较高，这些工件虽然尺寸不大，但是有足够的壁厚，热喷涂后FBE迅速熔化、流平，工件余热能够保证涂层完全固化，所以在保证外观、内在质量的同时，工作效率比传统的液体涂料大大提高。

主要失效模式是：管件都是异形件，各个部位薄厚不一致，不能使各部位固化完全一致，可能产生有些部位过烘烤或欠烘烤而产生局部脱落。

7.6在涂层钢筋上的应用

所谓环氧树脂涂层钢筋是一种在普通钢筋表面涂覆一层FBE保护层的钢筋，涂层厚度一般在180-300μm。采用这种钢筋能有效防止处于恶劣环境条件下的钢筋被腐蚀，从而大大提高工程结构的耐久性。

钢筋用熔结环氧粉末涂料具有快速固化、厚度均匀、柔韧性好、抗弯曲性好、工作温度范围宽泛、机械性能优异、抗泥浆摩擦、抗阴极剥离、抗化学性能良好等众多优势。

环氧涂层钢筋产品主要应用于铁路、公路、桥梁、高层建筑地下室、地下车库、海港、码头、水坝及污水处理池、化工等行业需重防腐的部位。1973年美国的宾西法尼亚大桥首先使用了环氧涂层钢筋，以后，许多高速公路、盐湖城国际机场等都使用了环氧涂层钢筋。该环氧涂层钢筋与裸钢筋相比，因涂装费用而引起的额外费用，只占工程总费用的2%左右，但由此可延长钢筋使用寿命50年以上，这在美国等先进国家得到证实。从环氧钢筋的防护要求、施工性能、技术成熟度、经济性等方面来看，目前我国已达到实用化的阶段，并已而在某些工程中开始使用，应用前景广阔。

中国的高速铁路建设始于1999年所兴建的秦沈客运专线。经过10多年的建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。截止2013年9月，中国高铁总里程达到10463km，“四纵”千线基本成型。中国高速铁路运营里程约占世界高铁运营里程的46%，稳居世界高铁里程榜首。

涂层钢筋主要有两个职能：防腐和绝缘。粉末涂装FBE完毕的钢筋。失效模式就是防腐失效和绝缘失效。

7.6.1防腐失效

在水下或地下部分，混凝土必定有一些缝隙或孔隙可以让水和腐蚀介质进入。如果钢筋涂层固化不完全，折弯有裂纹或有孔隙和损伤，会引起混凝土中的钢筋锈蚀。由干锈蚀产生的氧化铁皮体积要膨涨到几十倍，导致混凝土开裂、保护层剥落而失效，使钢筋直接暴露在大气、水及其它腐蚀介质中，腐蚀速度加快，往往未至设计使用年限而遭提前破坏。钢筋涂层FBE属于高温快速固化，容易产生涂层孔隙，且容易造成欠固化。

7.6.2绝缘失效绝缘

失效主要表现在高铁建设上。高铁速度很快，其信号传递尤为重要，我国的铁路信号是在铁轨上传递的，如果轨道板钢筋不绝缘，就如同一个闭合的线圈，将产生物理学上的电磁效应。铁轨上有电流，和钢筋形成电磁效应，使信号传输的距离变短或出现错误信号。这主要是涂层钢筋生产中铁屑的带入或涂层钢筋运输使用过程中损伤造成的漏点。

我国过去受国情限制，工程往往只注重尽量降低造价，而忽略了结构物的耐久性和长远的维修问题。前期的费用省了一些，却带来日后极高昂的修复费用和拆建问题。随着经济的发展效益观念的转变及体制的改革和进步，FBE涂层钢筋在我国建筑行业也必将有广阔的应用前景。

7.7在跨海大桥钢管桩上的应用

跨海大桥是世界公认的建筑难题，基础要用钢管桩，以杭州湾大桥为例，使用了钢管桩5800多根，每根直径2.0-2.2m、长71.88m，因为跨海大桥一般处于处于入海口，大气湿润，所含氯离子较高，海水中还携带大量泥沙这些都对大桥的钢管桩及各种钢结构体造成严重的腐蚀威胁，海水会侵蚀深入海底的钢管桩，国外通行的做法就是加厚管壁，按百年大桥的设计，管壁就要增厚2厘米，整座大桥钢管桩用钢量将从37万吨增至50万吨。成本增加不说，现有的打桩设备无法胜任。技术人员经过无数次次摸索，创新了FBE涂装工艺，给钢管桩裹上了一层特制的“外衣”，防腐效果非常好，并节省建设资金。其防护涂层采用了与管道防腐类似的熔结环氧粉末，即单层、双层及三层环氧粉末涂料防腐结构相结合，以最大限度地保护大桥钢管桩，阻缓钢管桩腐蚀。主要失效模式：钢管桩体积庞大，加热和涂层均匀性受限制，涂层固化也容易不均匀；涂层易产生孔隙；而搬运不方便，易受损伤。

7.8在建筑预应力混凝土钢绞线、锚索上的应用

预应力钢绞线主要用于岩土锚固技术，这是近代岩土工程领域的一个重要分支。由于安全、经济和有效，越来越广泛地应用于各工程领域。岩土工程多属隐蔽工程，预应力筋所接触的介质多为地下岩土和土，环境条件十分复杂，处于地层中的预应力锚索经常会受到地下水（特别是含有腐蚀介质的地下水）的侵蚀，而在高应力作用下，预应力筋会出现应力腐蚀，二者交织在一起，往往导致锚索的损坏。要保证锚索在服务期内的安全性、耐久性和可靠性，防腐是关键。

预应力混凝土用钢绞线主要作预应力混凝土结构配筋用，如大跨度铁路和公路的桥梁、吊车梁、岩土锚固工程，多层工业厂房等，环氧涂层钢绞线示意见图14。

熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析利用FBE填充钢绞线具有优异的耐腐蚀和耐水性能，提升了目前锚索应用的耐腐蚀水平。填充型环氧涂层钢绞线，其外层及组成钢绞线的各根钢丝间隙内均由FBE完全填充和固化，形成致密整体，通过生产监控及后续处理，使钢绞线表面环氧树脂涂层全长范围内无针孔，可完全避免腐蚀介质进入钢绞线内部。填充型环氧涂层钢绞线具有优异的防腐性能，无需外包PE护套即可用于体外索、斜拉索等工程中；目前，填充型环氧涂层钢绞线在世界范围内环氧涂层钢绞线市场上占据80%以上的份额，是预应力工程中防腐钢绞线的首选产品。国内天津瑞远粉末涂料有限公司已经成功开发了预应力钢绞线填充FBE，并在四川绵阳安昌河飞云大桥、西安绕城高速公路香王立交主线桥、河南信阳连心河桥、石家庄市鹿泉西部长青项目柳树沟大桥等工程上成功应用，取得了良好的应用效果。钢绞线用FBE与钢筋用FBE一样，主要由于涂敷施工属于高温快速固化，容易产生涂层孔隙，且容易造成欠固化（折弯开裂）。

8、FBE的最新进展

经过20多年的不断发展和完善，国内FBE经历了从无到有、从差到优、从弱到强、从单一到系列化的几次大的飞跃，产品向着高性能化、多功能化、无公害化、应用简单化、使用宽泛化、节约能源化方向发展。最终目的是延长管道使用寿命，防止涂层过早失效。下面介绍一下新产品动向。

8.1复合涂层

复合涂层就是把FBE涂层与其它涂层结合起来，达到最佳的综合性能。俗话说得好：“人各有长”世界上所有的材料跟人一样，不可能十全十美，。每一种材料都有自己的优点和缺点，关键在于怎样取长补短。近年来防腐界推出了各种新型的复合涂层，就是把两种或两种以上的涂层结合在一起，使它们各自发挥自身的特长，避开各自的缺点，例如：3PE和双环氧涂层就是比较好的组合，三层防腐结构综合了环氧粉末的附着性、防腐性与聚乙烯层的耐候性、抗机械损伤性，弥补了各自的缺点，从而大大提高了涂层的使用寿命。双环氧涂层底层有好的附着力，面层有良好的耐划伤性，补口也用双层FBE，相容性好，操作方便，质量控制容易，覆盖层表面光滑，可避免阴极屏蔽问题，与阴极保护体系的匹配性比三层PE结构更好，最适于穿越地段和腐蚀比较强的地段使用。

防腐的复合涂层还有很多，如：双环氧涂层、3PE、环氧+聚酯、环氧+丙烯酸、环氧+聚氨酯。使涂层的附着力、韧性、硬度、防腐性、耐候性、耐磨性等等得到兼顾。

8.2管道内外防腐组合

管道内外涂层质量要求侧重不一样，所以，内外涂层尽量区别使用，达到最佳的综合防腐效果。如：内环氧外PE、内环氧外3PE、内环氧外环氧、内环氧外双环氧等等，使得钢制管道的应用领域得到扩展。

8.3低温固化低

温固化不是一个新课题，在粉末涂料行业已经提出近30年了，装饰型粉末涂料可以做到最低固化温度120℃，在管道领域一般不提倡低温固化，因为低温固化管道钢材表面与环氧涂层不能形成有效的化合键，所以附着力和耐阴极剥离都很差。一般国外对单层环氧粉末涂料提出的最佳固化温度为4500F，也就是232℃，普通钢管常用钢是X45-X75，管道涂敷施工温度可达到245℃，而西气东输使用的是X80高强度管道钢，温度过高会改变钢材的金相结构的应用，最高温度不能超过120℃，经过粉末行业努力，3PE粉末最低做到180℃涂敷温度，而不影响性能。

8.4耐高温粉末涂层

内在的高交联密度，高Tg使得出现外在的致密性，从而使涂层具有耐高温、耐热水性，从而应用于一些特殊的苛刻环境中，如：温泉管道、油田注水管道、抽油杆等的应用。

8.5特殊功能性涂层

如：导电、阻燃、绝缘等等，满足消防管道、煤矿瓦斯管道等的应用。

8.6满足后压槽工艺的粉末

消防、供水管道一般采用沟槽连接，先压槽后涂装。但在现场施工中，有些需要截取管段后再压槽，由于压槽产生的破坏力及产生的内应力，极易导致涂层脱落。要满足后压槽要求，必须要有好的附着力和好的韧性，但是附着力和韧性是矛盾的，我们经过努力通过环氧改性及助剂的使用，已经生产出完全能够满足后压槽工艺需要的粉末涂料。

8.7涂层致密性改善

环氧粉末涂层具有很强的阻隔性，但是热涂工艺由于高温快速固化容易使涂层产生孔隙、空穴（显微镜下如图2、3所示），富含氧和电解质的水进入孔隙并传播，最后达到界面，会导致脱层和腐蚀，我们经过无数次试验，通过使用纳米材料和脱气材料，成功的克服了孔隙的产生，涂层坚韧致密，使防腐性能上了一个新台阶。（改善后的粘接面孔隙率和断面孔隙率如图15、图16所示）熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析熔结环氧粉末涂料涂层的失效分析.

9、结语

失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工到普通企业普及。在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义，失效分析是根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动，在材料领域发挥着越来越大的作用。

搞好防腐蚀工作已不是单纯的技术问题，而是关系到保护资源、节约能源、节省材料、保护环境、保证正常生产和人身安全、发展新技术等一系列重大社会和经济问题，血的教训太多，我们不希望从失败中获得教训，我们应该从实践中获得经验，未雨绸缪比亡羊补牢要好得多。失效分析强调的还是预防为主，把一切腐蚀的安全隐患消灭在萌芽状态，让我们的管道、建筑长期、稳定的发挥作用。现在，国家预计投资4000亿到5000亿在全国范围内推行管廊建设，这是机遇，也是挑战。随着基层建设质量要求的不断提高，失效分析也会越来越有用武之地。

责任编辑：班英飞

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