房文祺,馬 源,惠林林

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900)

1 概述

隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,石油、天然氣等能源供給在日常生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位日益重要,能源安全也成為各國(guó)國(guó)家安全的優(yōu)先領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外油氣管道的輸送主要以三層結(jié)構(gòu)聚乙烯(3PE)和熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)涂層管為主,他們的結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。其中FBE涂層主要應(yīng)用于北美地區(qū),約占涂層管總量的25%;北美以外其他地區(qū)主要以3PE涂層為主,約占涂層管總量的70%以上;剩余5%則包括三層結(jié)構(gòu)聚丙烯(3PP)涂層和瀝青涂層等[1-3]。

在埋地鋼管多種防腐材料組合中,3PE防腐涂層具有化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)良、電絕緣性佳、加工成型容易、涂覆施工方便和涂層成本低廉等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)今最常用的管線防腐涂層,但是其耐高溫性能(維卡軟化溫度≤80 ℃)、硬度和機(jī)械強(qiáng)度較弱,對(duì)運(yùn)行溫度和耐土壤應(yīng)力較高的環(huán)境,3PE 防腐層難以滿足使用要求;FBE 涂層具有優(yōu)異的機(jī)械性能、抗沖擊能力、耐高溫能力、高溫時(shí)的抗?jié)B透性以及良好的陰極保護(hù)相容性,但是其變形能力不足,容易在鋼管形變后發(fā)生涂層開裂或剝離,此外,還存在著高溫、高濕條件下易吸水的問題,影響鋼管后續(xù)耐蝕性能。因此 3PE 涂層和FBE涂層均有某些使用局限[4-5]。

隨著石油、天然氣行業(yè)開采活動(dòng)的加劇,為滿足苛刻服役環(huán)境(如沙漠高溫環(huán)境和硬質(zhì)巖土環(huán)境)的能源運(yùn)輸所需管道的建造難度也逐漸增加。同時(shí)給原油加壓或加溫提高原油流動(dòng)速率從而增加輸油管道輸送效率也成為油氣管道的常規(guī)做法之一,該做法會(huì)造成原油溫度升高(達(dá)到 70～80 ℃),對(duì)管道涂層體系的耐高溫性能提出苛刻要求。因此能夠耐高溫(內(nèi)部介質(zhì)溫度或外界環(huán)境溫度≥80 ℃)和耐劃傷的管線管涂層防護(hù)體系成為當(dāng)今的發(fā)展方向之一。這要求管線管涂層體系具有較高的軟化溫度和機(jī)械性能(包括拉伸強(qiáng)度、硬度和沖擊強(qiáng)度等)。隨著近些年管線管工程的建設(shè)和發(fā)展,人們逐漸開始認(rèn)識(shí)和使用3PP防腐涂層體系。3PP涂層體系具有密度低、硬度大、耐高溫和易加工等特點(diǎn),與3PE涂層和FBE涂層相比,3PP 涂層在80 ℃溫度下可運(yùn)行30年,最高可承受110 ℃的高溫,而3PE涂層的最高使用溫度僅為84 ℃；聚丙烯(PP)材料本身的高硬度賦予了3PP涂層的高抗劃傷性能,當(dāng)穿越管道位于河流、鐵路以及其他難以開挖的地段時(shí),防腐層一旦損壞很難得到修復(fù),使用3PP涂層能夠減少穿越過程中的防腐層損壞率。因而在諸如高溫介質(zhì)輸送、高溫沙漠地區(qū)埋地管、近加壓站防腐管道和地下穿越管道等特定應(yīng)用場(chǎng)景具有明顯優(yōu)勢(shì)[6-7]。近年來3PP防腐層的用量呈逐年遞增趨勢(shì),其中亞洲市場(chǎng)需求量最多[4]。在我國(guó)新疆克拉2氣田的天然氣外輸管道,也有部分管道的防腐采用了3PP涂層,并取得了良好的效果[8]。

從鋼管防腐層涂覆施工的角度,3PP與3PE涂層同屬多層聚烯烴涂層體系(圖1(a)、(b)),由底層環(huán)氧粉末、中間層黏結(jié)劑和外層PE/PP夾克構(gòu)成。PP與PE的施工方式類似,可以實(shí)現(xiàn)共線涂覆生產(chǎn),不需要另建專門的作業(yè)線。但PP與PE材料本身分子結(jié)構(gòu)有差異,PP材料含有較多的叔碳原子,易結(jié)晶,且結(jié)晶的尺寸、堆積狀態(tài)對(duì)PP夾克層的力學(xué)性能有明顯影響[9],在生產(chǎn)過程中的施工和品控難度明顯大于普通3PE防腐層體系。目前只有EUPEC、BREDERO SHAW、EUROPIPE、LBFoster、WELSPUN、JFE、新日鐵和浦項(xiàng)等國(guó)外大型鋼廠或制管公司具備3PP全系列涂層管產(chǎn)品的供貨能力,國(guó)內(nèi)的海隆、中石油管道局等也具備一定的3PP防腐層涂覆施工和供貨能力,但目前國(guó)內(nèi)主要還是提供φ600 mm以下的中小管徑的3PP涂層產(chǎn)品。

寶鋼鋼管涂層產(chǎn)線始建于2008年,采用自主集成設(shè)計(jì)和重點(diǎn)設(shè)備點(diǎn)單式引進(jìn)的模式,主要服務(wù)于寶鋼鋼管事業(yè)部下屬的HFW焊管、UOE焊管等具有防腐供貨需求的中大口徑油氣管的防腐層涂覆。該產(chǎn)線包括一條管線管外涂層線、一條管線管內(nèi)涂層線,目前已經(jīng)具備較完善的管線管外涂FBE、2FBE和3PE層,內(nèi)涂減阻型液體環(huán)氧的供貨能力,先后完成過西氣東輸二線,昆士蘭線和土耳其TANAP管線等國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)工程項(xiàng)目。近年來,通過現(xiàn)場(chǎng)工程師和寶鋼研究院研發(fā)人員的共同努力,寶鋼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大口徑(φ600 mm及以上)3PP涂層管產(chǎn)品穩(wěn)定制造和供貨能力。本文主要介紹3PP涂層管產(chǎn)品開發(fā)過程中展開的試驗(yàn)研究和工業(yè)試制,分析了關(guān)鍵工藝對(duì)最終涂層附著力、PP層組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

2.1.1 陰極剝離測(cè)試試樣制備

試驗(yàn)研究階段采用基板材為通用的X60鋼種,試驗(yàn)樣板尺寸為100 mm×100 mm×7 mm,表面采用S330∶GL25(1∶1)混合鋼砂進(jìn)行拋丸處理,錨紋深度控制在50～100 μm。

表面酸洗液采用凱米特OAKITE?33,酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%,將樣板預(yù)熱到50 ℃分別加入到工業(yè)純水、5%酸洗液及10%酸洗液中20 s,然后清水洗凈,清洗后的樣板放入烘箱加熱至235 ℃(或250 ℃),保溫1 h。

底層FBE選取了寶鋼供應(yīng)商名錄中的三款FBE底粉原料,分別標(biāo)記為FBE-A、FBE-B和FBE-C,所有FBE粉體的理化性能檢測(cè)均滿足ISO 21809中Class C的要求,最低玻璃化轉(zhuǎn)化溫度(Tg2)均 ≥105 ℃。試驗(yàn)研究階段采用流化床方式涂覆FBE粉末,將預(yù)先加熱至235 ℃(或250 ℃)的基材樣板浸入FBE粉末流化床中,通過控制浸入時(shí)間,將膜厚保持在400～550 μm,隨后在235 ℃(或250 ℃)烘箱中固化4 min,取出后水冷至室溫。

2.1.2 PP夾克料樣條制樣

采用四川金發(fā)EPP型涂層管專用夾克料PP粒子。參考ISO 293和ISO 1973中關(guān)于PP夾克料的原材料熱壓模要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)樣條的制樣。

用上海西瑪偉力的半自動(dòng)壓力成型機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)尺寸拉伸樣條模具(ISO 527-2中規(guī)定1B標(biāo)準(zhǔn)尺寸)進(jìn)行熱壓處理標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣條制備。在180 ℃條件下預(yù)熱10 min,待PP粒子軟化后合模,升高溫度到210 ℃后加壓到5 MPa,保壓5 min后,分別采用緩冷(熱壓板斷電,模具隨熱壓板余熱降溫,降溫速率10±5 K/min)、空冷(取出模具至于25 ℃室溫環(huán)境中降溫,降溫速率 30±10 K/min)和水冷(取出模具浸入10 ℃的水浴中,降溫速率40±20 K/s)三種降溫方式,待模具溫度低于40 ℃進(jìn)行脫模,取出樣條,樣條邊緣打磨平滑,確認(rèn)沒有凹坑、毛刺等缺陷。

2.2 性能測(cè)試與表征

2.2.1 陰極剝離

陰極剝離試驗(yàn)參照ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)的要求(表1),在涂覆FBE粉末的試樣表面剝離出直徑6 mm的人工缺陷孔,采用實(shí)驗(yàn)室專用測(cè)試容器[10],以金屬基板作為陰極,Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極,鉑電極為陽(yáng)極,質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl溶液作為電解液,分別按23 ℃、-1.5 V、28 d,65 ℃、-3.5 V、 24 h和90 ℃、-1.5 V、28 d 的3個(gè)陰極剝離測(cè)試參數(shù)測(cè)試試樣,測(cè)量缺陷孔處FBE防腐層的剝落長(zhǎng)度,以平均陰極剝離半徑大小來評(píng)估防腐層的抗陰極剝離性能。

2.2.2 PP拉伸試樣力學(xué)性能測(cè)試

采用SANS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),按ISO 10350-01要求進(jìn)行樣條的拉伸、斷裂延伸率測(cè)試。

2.2.3 PP拉伸試樣結(jié)晶度測(cè)試

采用DSC法進(jìn)行結(jié)晶度測(cè)試,升溫條件:N2保護(hù)(20 mL/min);升溫程序:50 K/min;升溫范圍:室溫至220 ℃,在220 ℃保持2 min。

結(jié)晶度由式(1)計(jì)算[11]:

(1)

式中:Xc為結(jié)晶度;ΔH為每克PP樣品的結(jié)晶熱焓;ΔH0為每克完全結(jié)晶的PP樣品的結(jié)晶熱焓,此處ΔH0=170 J/g[12]。

2.2.4 PP拉伸試樣結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)試

對(duì)不同降溫速率的PP夾克層試樣,采用日本理學(xué) SmartLab型X射線衍射儀進(jìn)行分析,Cu 靶、Ka射線、測(cè)試電壓40 kV、激發(fā)電流40 mA,掃描范圍:5°～40°。

計(jì)算結(jié)晶尺寸。在得到的XRD譜圖上,找出主要結(jié)晶峰,再運(yùn)用計(jì)算機(jī)積分程序計(jì)算晶面衍射峰的半高寬β,并由Scherrer公式即式(2)計(jì)算所測(cè)試樣晶粒對(duì)應(yīng)晶面法線方向的平均尺寸[13]:

(2)

式中:Dhkl為法線方向晶粒尺寸;k為Scherrer常數(shù)(0.89);λ為X射線波長(zhǎng)0.154 06 nm;β為晶面衍射峰的半高寬;θ為布拉格衍射角,(°)。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼管表面前處理及FBE底粉選型

埋地或海底油氣輸油管道通常采用防腐涂層+陰極保護(hù)的聯(lián)合防護(hù)防腐,防腐層除對(duì)外部環(huán)境中的H2O、O2和Cl-等腐蝕介質(zhì)的物理阻隔作用外,還可以降低陰極保護(hù)電流的流失,提高保護(hù)效果[10]。但是在陰極電流的作用下,一旦防腐層發(fā)生破損,防腐層破損處金屬會(huì)與環(huán)境中的H2O和O2發(fā)生如式(3)、(4)陰極反應(yīng):

2H2O+2e-→H2↑+2OH-

(3)

O2+4e-+2H2O→4OH-

(4)

防腐層破損處陰極區(qū)產(chǎn)生大量的OH-和H2,在局部形成堿性環(huán)境,破壞防腐層與鋼管表面的黏結(jié)力,產(chǎn)生剝離。底層FBE是鋼管防腐涂層體系中與鋼管表面的直接接觸層,因而FBE底涂粉末原料的選型及涂覆工藝直接關(guān)系到涂層體系附著力及抗膜下腐蝕性能。從表1可以看出,根據(jù)ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)3PP和3PE的耐陰極剝離測(cè)試條件和要求類似,主要區(qū)別在于3PP產(chǎn)品需在更高工作溫度下(90～110 ℃)保持與3PE產(chǎn)品(通常為60～80 ℃)相同的耐陰極剝離性能。

表1 ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)中3PE和3PP涂層體系陰極剝離合格標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The minimum requirements of cathodic disbondment for 3PE/3PP coatings in ISO 21809

圖2為三款備選FBE底粉分別在235 和250 ℃固化溫度條件下所制備底層FBE試樣的陰極剝離測(cè)試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn),三款FBE底粉均滿足ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)3PP涂層管抗陰極剝離性能的要求,且在235和250 ℃的固化溫度條件下同一款FBE底粉的抗陰極剝離性能差異不明顯,但不同款FBE底粉抗陰極剝離性能有明顯差別,FBE-A在90 ℃、-1.5 V、28 d測(cè)試條件下的平均陰極剝離半徑僅為8 mm,而FBE-C則達(dá)到約13 mm,綜合耐陰極剝離性能為FBE-A>FBE-B>FBE-C。

圖2 固化溫度對(duì)底層FBE陰極剝離的影響Fig.2 Influence of curing temperature on cathodic disbondment of FBE primer coat

圖3 表面酸洗對(duì)底層FBE陰極剝離的影響Fig.3 Influence of surface acid washing on cathodic disbondment of FBE primer coat

在理化性能檢測(cè)均滿足ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)的前提下,通過對(duì)比三款FBE底粉在不同溫度、偏壓和測(cè)試周期條件下的抗陰極剝離性能,可選擇抗陰極剝離性能最優(yōu)的FBE-A底粉作為3PP涂層體系的底涂原料,并在后道漂洗能力達(dá)標(biāo)的前提下,在線測(cè)試過程中適當(dāng)提升鋼管表面酸洗液的濃度,提升底層FBE與鋼管表面的附著性及抗陰極剝離性能。

3.2 冷卻方式對(duì)PP夾克料組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

與PE不同,PP材料是一種半結(jié)晶性聚合物,有研究表明PP熔融后的凝固過程對(duì)PP的固化結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能有明顯影響[9,11,13],因此在3PP涂層鋼管的涂裝過程中,PP中間膠黏劑和PP夾克料纏繞后的冷卻環(huán)節(jié)是工藝控制的關(guān)鍵。圖4分別比較了PP夾克層樣條在三種不同熔融冷卻速率條件下的力學(xué)性能變化,可以發(fā)現(xiàn)PP夾克層的屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率與降溫速率密切相關(guān),在緩冷(降溫速率約10±5 K/min )和空冷(降溫速率 30±10 K/min)條件下,PP夾克層呈脆性,平均斷裂延伸率<100%,與3PP產(chǎn)品所要求的≥400%,存在明顯的差距。而采用水冷(取出模具浸入10 ℃的水浴中,降溫速率40±20 K/s)方式獲得的PP夾克層樣條具備最高的平均屈服強(qiáng)度,且平均斷裂延伸率達(dá)到了510%。

圖4 冷卻速率對(duì)PP夾克料屈服強(qiáng)度和延伸率的影響Fig.4 Influence of cooling rate on tensile yield strength and elongation of PP top layer

通過差示掃描量熱儀(DSC)對(duì)不同降溫速率的PP夾克層試樣進(jìn)行測(cè)試,從得到的DSC結(jié)晶熔融曲線(圖5)可以發(fā)現(xiàn),隨著降溫速率的增大,PP夾克層試樣的結(jié)晶熔點(diǎn)Tm也相應(yīng)提高,分別為176.93 ℃(緩冷)、177.36 ℃(空冷)和178.53 ℃(水冷)。對(duì)熔融峰面積進(jìn)行積分,得到的對(duì)應(yīng)試樣結(jié)晶熔融熱焓ΔH(圖5內(nèi)嵌圖)顯示,緩冷試樣 (69.64 J/g)>空冷試樣 (68.99 J/g)>水冷試樣 (62.88 J/g),表明隨著降溫速率的增大,PP夾克料試樣的結(jié)晶度下降,以ΔH0=170 J/g[12]作為完全結(jié)晶PP的結(jié)晶熔融熱焓,可以計(jì)算得到緩冷、空冷和水冷條件下獲得的PP夾克料試樣結(jié)晶度分別為40.98 %,40.58 %和36.99 %。

圖5 不同冷卻速率PP試樣的DSC譜圖及結(jié)晶熱焓Fig.5 Differential scanning calorimetry (DSC) spectroscopy and the corresponding crystallization enthalpy of PP samples with different cooling rates

對(duì)比不同降溫速率PP夾克層試樣的 X 射線衍射(XRD)譜圖(圖6),可以發(fā)現(xiàn)所有試樣均呈單斜α晶相,在2θ= 14.1°、16.9°、18.6°、21.2°、21.9°、27.4°和28.7°處呈現(xiàn)明顯的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)α晶相的(110)、(040)、(130)、(111)、(131)、(141)和(220)晶面[12,14];且降溫速率越慢,試樣的衍射峰越尖銳而明顯,這與前述DSC測(cè)試所得到的結(jié)晶度高低排序相吻合,降溫速率最快的水冷試樣衍射峰強(qiáng)度相對(duì)最弱,在21.2°處的(111)晶面衍射峰與21.9°處的(131)晶面衍射峰幾乎完全重合,表明水冷試樣中可能存在少量高度無序的近晶相結(jié)構(gòu)[12]。

圖6 不同冷卻速率PP試樣的XRD曲線Fig.6 XRD curves of PP samples with different cooling rates

根據(jù)Scherrer公式和XRD曲線計(jì)算不同熔融冷卻速率下PP試樣主要3個(gè)晶面法向的晶粒尺寸(Dhkl),結(jié)果如圖7。其中(110)晶面法向的晶粒尺寸受降溫速率的影響不大,均在13 nm左右,而(040)晶面和(130)晶面法向的晶粒尺寸隨降溫速率的提升,晶粒尺寸有不同程度的下降,其中D040在緩冷條件下為19 nm,空冷條件下降至18 nm,水冷條件進(jìn)一步下降至17 nm,D130在緩冷和空冷條件下為18 nm,水冷條件下則降低至13 nm。根據(jù)上述結(jié)果計(jì)算得到緩冷、空冷和水冷三種條件下PP夾克料試樣的晶粒平均尺寸分別為16.7、16.3 和14.3 nm,表明降溫速率對(duì)試樣的晶粒大小作用明顯。

將PP夾克層試樣在三種不同熔融冷卻速率條件下的力學(xué)性能變化與對(duì)應(yīng)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化聯(lián)系起來,PP夾克層的屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率主要取決于PP的結(jié)晶度。在緩冷和空冷條件下PP分子的結(jié)晶時(shí)間相對(duì)較充裕,因此試樣的結(jié)晶度差異較小,對(duì)應(yīng)PP夾克層試樣的屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率的變化不明顯,但由于較高的結(jié)晶度,PP分子鏈排列緊密,活動(dòng)的空間較小,這可能是導(dǎo)致斷裂延伸率下降的主要因素。而水冷PP試樣,由于快速的冷卻過程,PP分子的結(jié)晶時(shí)間大幅縮短,結(jié)晶度較緩冷和空冷試樣降低近10%,分子鏈活動(dòng)空間更寬裕,因而斷裂延伸率明顯提升,此外水冷試樣相對(duì)更小的晶粒尺寸,具有更高的晶面結(jié)合強(qiáng)度,裂紋沿小尺寸晶粒界面擴(kuò)張消耗的能量也較高,也是屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率提高的可能因素[11]。

圖7 不同冷卻速率PP試樣各晶面法向的晶粒尺寸Fig.7 Grain sizes of PP samples with different cooling rates

通過試驗(yàn)驗(yàn)證和分析明確了冷卻方式與PP夾克料組織結(jié)構(gòu)和性能間的構(gòu)效關(guān)系,為確保3PP鋼管產(chǎn)品的順利試制,在試制前對(duì)產(chǎn)線的冷卻工段的噴淋、布簾布置和水冷量進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化,確保實(shí)施過程中水量足夠使PP防腐層和鋼管得到快速冷卻。

4 工業(yè)試制

4.1 制造工藝流程

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)3PP涂裝過程的核心工藝管控要點(diǎn)進(jìn)行梳理和輸出,并在φ813 mm×11.9 mm(單位長(zhǎng)度管重Pm=76 kg/m)的大口徑UOE鋼管表面進(jìn)行了3PP防腐涂層產(chǎn)品的大生產(chǎn)試制,生產(chǎn)工藝流程如圖8所示。

圖8 3PP管線管涂層產(chǎn)品生產(chǎn)流程Fig.8 Manufacturing process of 3PP steel pipe

4.2 試制性能

工業(yè)試制過程全部采用新磨料和酸洗液,經(jīng)拋丸和清洗的鋼管表面清潔度和錨紋深度滿足ISO 8501、ISO 8502和ISO 8503等標(biāo)準(zhǔn)要求。試制過程中鋼管的前進(jìn)速度保持在1.2±0.1 m/min,根據(jù)ISO 21809關(guān)于單位長(zhǎng)度管重(Pm)和防腐涂層厚度的要求,3PP管線管總涂層的厚度包括焊縫位置需達(dá)到1.8～2.8 mm,在試驗(yàn)管上采用分段涂敷的方式分別確認(rèn)噴涂的FEB層和熔融擠出纏繞的PP膠黏劑及PP夾克層的膜層厚度(圖9(b)),具體各層的目標(biāo)厚度和實(shí)測(cè)值如表2。

圖9 3PP管線管涂層試制產(chǎn)品和分段涂敷的試驗(yàn)管Fig.9 Trial production of 3PP steel pipe and part-coated trial pipe

表2 3PP管線管各防腐層厚度Table 2 The coating thicknesses of 3PP steel pipe μm

3PP管線管試制產(chǎn)品的涂層色澤均勻,表面平整,無暗泡、針孔、麻點(diǎn)、皺褶、裂紋劃傷及其他不規(guī)則的表面缺陷(圖9(a))。通過25 kV高壓電火花檢漏儀對(duì)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的3PP管線管試制產(chǎn)品進(jìn)行漏點(diǎn)檢測(cè),沒有漏點(diǎn)檢出。在23 和90 ℃的剝離強(qiáng)度分別達(dá)到47 N/mm和6 N/mm,且剝離方式為內(nèi)聚破壞,鋼管表面與FBE層未發(fā)生剝離。管端預(yù)留150±10 mm寬度,使用端頭打磨設(shè)備對(duì)管端涂層進(jìn)行打磨,使端面涂層倒角≤30°,目視端部3PP防腐層無剝離和翹起情況。

在3PP管線管試制產(chǎn)品的N端、S端和M端分別冷切割尺寸為450～500 mm見方的樣塊各2塊進(jìn)行陰極剝離測(cè)試(圖10)。結(jié)果表明,整根試制管各段涂層與鋼管基材間的附著力良好,三種測(cè)試條件下的抗陰極剝離性能均滿足ISO 21809對(duì)3PP管線管產(chǎn)品的要求,與前期實(shí)驗(yàn)室評(píng)估結(jié)果相吻合。因此,通過FBE底粉選型和鋼管前處理工藝的優(yōu)化調(diào)整是保證3PP管線管產(chǎn)品涂層附著和長(zhǎng)效服役性能的重要手段。

圖10 3PP管線管涂層試制產(chǎn)品的耐陰極剝離測(cè)試Fig.10 Cathodic disbondment resistance of 3PP steel pipe trial product

在分段涂敷的試驗(yàn)管表面裁取尺寸為>0.5 mm×0.5 mm的PP夾克層樣片,進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試評(píng)估,結(jié)果如表3所示。試制管PP夾克層的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂延伸率及表面硬度等性能均滿足ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3PP管線管產(chǎn)品夾克層的要求,表明在實(shí)際3PP管線管產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)過程中,采用經(jīng)優(yōu)化的冷卻工藝是保證3PP管線管產(chǎn)品性能的必要手段。

表3 PP夾克層力學(xué)性能測(cè)試Table 3 Themechanical property of PP top coat

5 結(jié)論

(1) 在鋼管涂裝前處理過程中適當(dāng)提高酸洗液的濃度,可以提升FBE底粉的耐高溫陰極剝離性能,10% 濃度酸液處理的三款FBE相比于工業(yè)純水漂洗對(duì)照樣,在90 ℃、-1.5 V、28 d測(cè)試條件下的平均陰極剝離半徑分別降低了21.9 % 、7.6 %和29.1 %。

(2) PP的熔融冷卻速率是控制PP夾克層力學(xué)性能的關(guān)鍵影響因素,三種實(shí)驗(yàn)室模擬降溫方式,僅水冷方式的PP夾克料斷裂延伸率滿足>400 %的標(biāo)準(zhǔn)要求,采用快速水冷方式冷卻的PP夾克料結(jié)晶度和平均晶粒尺寸較緩冷對(duì)照樣分別降低10%和14%。

(3) 寶鋼工業(yè)試制結(jié)果表明,通過試驗(yàn)研究?jī)?yōu)化現(xiàn)場(chǎng)工序段的來料檢測(cè)、鋼管表面前處理和水冷控制工藝等關(guān)鍵工藝參數(shù),最終使3PP管線管產(chǎn)品滿足ISO 21809標(biāo)準(zhǔn)要求。