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摘要：涂層的耐陰極剝離能力是環(huán)氧涂層性能中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)的好壞直接影響著管道的運(yùn)行成本。那么涂層耐陰極剝離性能的測(cè)試方法及規(guī)范是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。對(duì)陰極剝離的測(cè)試，一些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范，重點(diǎn)歸納總結(jié)了這些國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陰極剝離測(cè)試的規(guī)定。

 

關(guān)鍵詞：環(huán)氧涂層  涂層耐陰極剝離性能 

 

引言

 

金屬的腐蝕按照腐蝕過程可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是金屬直接與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成金屬的損傷，比如和酸、鹽(硝酸鹽、硫酸鹽等)、氧化劑等。電化學(xué)腐蝕是指不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生原電

 

池反應(yīng)而使活潑金屬失去電子造成金屬的損傷。在自然界中，金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。

 

金屬防腐的主要手段就是采取金屬表面涂覆防腐涂層外加陰極保護(hù)的方式。金屬表面的防腐層能夠起到屏蔽外界環(huán)境對(duì)金屬的侵蝕作用，但是在管道的運(yùn)輸、鋪設(shè)以及回填的過程中難免會(huì)出現(xiàn)防腐層的損傷而造成漏點(diǎn)。在漏點(diǎn)處與電解質(zhì)接觸就會(huì)發(fā)生金屬的電化學(xué)腐蝕。為了延長管道的使用壽命，在管道鋪設(shè)過程中要對(duì)管道采取陰極保護(hù)的處理。所謂陰極保護(hù)系統(tǒng)則是提供了一個(gè)可以失去電子的遠(yuǎn)陽極，通過外加電流或犧牲陽極的腐蝕電流將電子源源不斷地供給被保護(hù)金屬，使之陰極極化達(dá)到其腐蝕平衡電位以下。結(jié)果，在電解質(zhì)中得到外援電子的金屬不被腐蝕。不過陰極保護(hù)會(huì)對(duì)陰極區(qū)域的涂層起到一定的破壞作用，因?yàn)樵陉帢O電流作用下，氧被還原產(chǎn)生OH-，或H2O離解產(chǎn)生的H+，H+在陰極得到電子，形成初生態(tài)氫，這兩個(gè)陰極反應(yīng)都使陰極區(qū)域形成過剩的OH-，造成堿性環(huán)境。陰極區(qū)pH值升高，大量的OH-遷移至金屬/防腐層交界面，使與防腐層粘結(jié)的基體金屬氧化物層溶解，或侵蝕界面的聚合物，或降低聚合物與金屬的粘結(jié)力，從而使防腐層產(chǎn)生剝離，這就是所謂的陰極剝離。

 

涂層的耐陰極剝離能力是環(huán)氧涂層性能中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，該指標(biāo)的好壞直接影響著管道的運(yùn)行成本。因?yàn)殛帢O剝離的面積越大需要供給的電子就會(huì)越多。無論是犧牲陽極的方式還是外加電流的方式，都會(huì)提高其運(yùn)行成本。評(píng)價(jià)涂層的耐陰極剝離能力可以通過陰極剝離試驗(yàn)的測(cè)試方法進(jìn)行，那么陰極剝離的測(cè)試規(guī)范就尤為重要了。下面我們就行業(yè)內(nèi)常用的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層耐陰極剝離性能的測(cè)定規(guī)范進(jìn)行探討。

 

1、陰極剝離試驗(yàn)

 

實(shí)驗(yàn)室模仿陰極保護(hù)過程，人為制作電解質(zhì)溶液、漏點(diǎn)以及陰極保護(hù)電流觀察陰極部位剝離的半徑，就是陰極剝離試驗(yàn)。陰極剝離試驗(yàn)的結(jié)果與溫度、電解質(zhì)種類和濃度、施加電位、涂膜厚度、前處理等因素有關(guān)。試驗(yàn)?zāi)軌蛟诙唐?/span>

 

內(nèi)顯示出涂層的耐陰極剝離能力。陰極剝離試驗(yàn)的測(cè)試方法直接影響著試驗(yàn)結(jié)果。陰極剝離的具體測(cè)試過程中包括試驗(yàn)孔的孔徑、電極距離試驗(yàn)孔的位置、長期陰極剝離性能時(shí)電解質(zhì)液體的更換頻率等。對(duì)于陰極剝離試驗(yàn)的這些具

 

體要求，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具體要求有所不同。對(duì)于管道防腐常用的標(biāo)準(zhǔn)包括我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23257—2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》、GB/T 39636—2020《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》、GB/T 18593—2010《熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂料的防腐蝕涂裝》，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0442—2018《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、SY/T 0315—2013《鋼制管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》等，另外還有ISO 21809-2、CSA Z245.20-18等國際標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)介紹GB/T 23257—2017、GB/T 39636—2020、SY/T 0315—2013、ISO 21809-2和CSA Z245.20-18，之所以列出SY/T 0315的檢測(cè)方法是因?yàn)镾Y/T 0442—2018以及GB/T 18593—2010等標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試陰極剝離的方法引用的是SY/T 0315的檢測(cè)方法。

 

1.1 陰極剝離實(shí)驗(yàn)裝置

 

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

 

測(cè)試陰極剝離試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置包括：直流電源、烘箱或者加熱板、參比電極、鉑電極、塑料圓柱筒、3%氯化鈉溶液、多功能刀、直尺或游標(biāo)卡尺。測(cè)試陰極剝離性能的裝置示意圖如圖1所示，該裝置相當(dāng)于一個(gè)外加電流的方式，在被測(cè)涂層上面打一個(gè)試驗(yàn)孔模擬漏點(diǎn)，通過一個(gè)直流電源給被保護(hù)的金屬提供源源不斷的電子，用3%的氯化鈉溶液模擬電解質(zhì)溶液。

1.1.2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)范要求

 

(1) 試驗(yàn)孔直徑規(guī)定

 

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)孔徑的要求見表1。

 

1.1.2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)范要求

 

(1) 試驗(yàn)孔直徑規(guī)定

 

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)孔徑的要求見表1。

 

 

對(duì)于試驗(yàn)孔孔徑的規(guī)定，除了SY/T 0315—2013和CSA Z245.20-18標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了單一的孔徑外，其他標(biāo)準(zhǔn)都根據(jù)涂層厚度規(guī)定了孔徑的大小，基本是涂層厚度增加，要相應(yīng)增大試驗(yàn)孔的孔徑。

 

(2) 電極與試驗(yàn)孔的距離

 

不同標(biāo)準(zhǔn)中電極與試驗(yàn)孔的距離見表2。

 

 

 

表2中列舉的5個(gè)環(huán)氧防腐涂層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)陰極剝離測(cè)試的方法中除了GB/T 39636—2020和ISO 21809-2:2014中規(guī)定了電極與試驗(yàn)孔的距離外，其他標(biāo)準(zhǔn)都沒有明確規(guī)定電極距離試驗(yàn)孔的高度。那么電極距離試驗(yàn)孔的高度對(duì)陰極剝離的結(jié)果有沒有影響呢？本文進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)對(duì)比。選用相同的粉末，相同的基材處理方式，電極距離試驗(yàn)孔的高度分別為10 mm、40 mm和70 mm的位置進(jìn)行陰極剝離實(shí)驗(yàn)。在65 ℃，-1.5 V，條件下測(cè)試30 d的陰極剝離，結(jié)果如表3所示。

 

 

從表3中的數(shù)據(jù)來看，電極距離試驗(yàn)孔的位置為10 mm的時(shí)候測(cè)試的結(jié)果為6.47 mm，距離40 mm的時(shí)候測(cè)試的結(jié)果為6.12 mm，距離為70 mm的時(shí)候測(cè)試的結(jié)果偏差較大為21.50 mm，因此在測(cè)試過程中還要注意電極距離試驗(yàn)孔的位置。

 

(3) 電解質(zhì)溶液的要求

 

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電解質(zhì)溶液要求見表4。

 

 

表4中列出的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電解質(zhì)溶液的規(guī)定來看，都規(guī)定的是3%的氯化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液，除了GB/T 23257—2017以外，其他標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定了溶液的體積不得少于300 mL。另外，GB/T 23257—2017和GB/T 39636—2020中規(guī)定，在測(cè)試過程中要保持溶液的pH值為6~9，而加標(biāo)CSA Z245.20-18中明確規(guī)定，在測(cè)試長期陰極剝離時(shí)，要在第7 d、14 d、21 d之后更換新的溶液。在測(cè)試陰極剝離試驗(yàn)過程中實(shí)際上是一個(gè)原電池反應(yīng)的過程，在陰極處水電離的H+離子得到電子釋放出H2，同時(shí)使得陰極區(qū)域OH-

 

離子濃度升高，堿性增強(qiáng)，在陽極區(qū)域電解質(zhì)中的Cl-失去電子生成Cl2，Cl2溶于水生成次氯酸和HCl，消耗一定的Cl-離子，同時(shí)也會(huì)影響溶液的pH值，使溶液的pH值降低，因此，在測(cè)試長期陰極剝離實(shí)驗(yàn)的過程中，最好是定期更換電解質(zhì)溶液來確保電解質(zhì)溶液的濃度。

 

1.2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層耐陰極剝離性能的規(guī)定

 

涂層的陰極剝離測(cè)試的是試驗(yàn)孔邊緣到被剝離掉的涂層的邊緣之間的距離，即剝離半徑R，如圖2所示。涂層的陰極剝離試驗(yàn)測(cè)試分為長期陰極剝離試驗(yàn)和短期陰極剝離試驗(yàn)，長期陰極剝離試驗(yàn)一般測(cè)試時(shí)間為28 d或者30 d，短期陰極剝離試驗(yàn)一般為48 h或者24 h，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陰極剝離性能的具體規(guī)定列于表5中。

 

 

從表5中的數(shù)據(jù)來看，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層的耐陰極剝離性能的規(guī)定基本是一致的，都規(guī)定了短期陰極剝離和長期陰極剝離的技術(shù)指標(biāo)，陰極剝離的技術(shù)指標(biāo)相差也不大，不過隨著工程質(zhì)量要求的越來越嚴(yán)格，對(duì)涂層的耐陰極剝離能

 

力的要求也越來越高，特別是長期陰極剝離的技術(shù)指標(biāo)，有的技術(shù)項(xiàng)目規(guī)格書中就明確規(guī)定，涂層的長期陰極剝離不得大于10 mm。

 

2、結(jié)語

 

環(huán)氧涂層的耐陰極剝離性能是涂層的重要性能之一，涂層的耐陰極剝離性能與電解質(zhì)溶液的溫度和濃度、電解質(zhì)溶液的含氧濃度，施加的電壓，涂層的厚度，涂層涂裝前金屬基材預(yù)處理的方法以及金屬基材的類型等因素有關(guān)。按照一定的規(guī)范進(jìn)行陰極剝離試驗(yàn)的測(cè)試是非常必要的。綜合考慮不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陰極剝離測(cè)試的規(guī)定，在測(cè)定陰極剝離過程中要注意以下幾點(diǎn)。

 

(1) 電解槽塑料桶的直徑為75 mm，電解質(zhì)溶液的體積不少于300 mL，電解質(zhì)溶液液面與盲孔的距離不少于70 mm；同時(shí)GB/T 23257—2017中規(guī)定了溶液的高度為電解槽的4/5，所以電解槽的高度要在87.5 mm以上。

 

(2) 鉑電極距離試驗(yàn)孔的距離為10 mm和40 mm所測(cè)的陰極剝離結(jié)果基本一致，但是距離70 mm時(shí)的測(cè)試的剝離結(jié)果明顯不同于其他兩個(gè)，也就是鉑電極距離試驗(yàn)孔的距離不能太大，最好是按照已經(jīng)規(guī)定了距離的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，鉑

 

電極距離實(shí)驗(yàn)孔的距離定為10 mm；

 

(3) 在測(cè)定長期陰極剝離試驗(yàn)時(shí)一周更換一次電解質(zhì)溶液，來確保電解質(zhì)溶液的濃度；

 

(4) 涂層的厚度對(duì)陰極剝離的測(cè)試結(jié)果有直接影響，涂層越厚，陰極剝離半徑越小，上述的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，除了ISO 21809-2:2014中規(guī)定的涂層的厚度為350~500 μm之外，其他標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層厚度的規(guī)定都是(350±50) μm，在測(cè)試過程中一定要注意要按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的厚度制備樣件。

 

來源：2021/2022中國粉末涂料與涂裝行業(yè)年會(huì)會(huì)刊