تاثیر شرایط جوی بیرونی بر خواص مکانیکی و خوردگی پوشش‌های دولایه FBE

 12 آبان 1399   08:50
 0
 3516
اشتراک :

تاثیر شرایط جوی بیرونی بر خواص مکانیکی و خوردگی  پوشش‌های دولایه FBE
 

مهسا محمودزاده*،  محمدصدیقیان، سیدحمید رضا جوادی،  حامد فخاری زاده
 

E-mail: Mahsa.mahudzade72@gmail.com, seddighian@peckachemie.com, javadi@pekachemie.com, fakhari@pekachemie.com
 

چكيده مقاله
 

 هدف از این تحقیق، بررسی عملکرد رفتار ضدخوردگی و مکانیکی  پوششهای دولایه FBE در شرایط تشدید یافته جوی است. در این تحقیق ابتدا، پلیت های فولادی بعد از آماده سازی سطح، با استفاده از پوشش‌های دولایه FBE، پوشش داده شده و سپس به مدت 200، 400 و 600 ساعت تحت تابش اشعه UVB  و رطوبت قرار گرفتند. عملکرد جوی، خوردگی و خواص فیزیکی – مکانیکی پوشش‌ها نیز با روش‌های مختلفی مورد سنجش قرار گرفت. بررسی‌ها در این مرحله نشان داد که پوشش دو لایه  FBE علی رغم تغییرات براقیت و فام پس از شرایط جوی تشدید یافته، دچار افت مقاومت مکانیکی و خوردگی نگردیده است .  میزان جدایش پوشش‌ها بعد از 600  ساعت قرارگیری در کابین QUV   با استفاده از آزمون حفاظت کاتدیک مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصل، میزان جدایش بسیار پایین این پوشش‌ها و  مقاومت به خوردگی و چسبندگی بالای این پوشش‌ها را ارائه داد. خواص فیزیکی – مکانیکی پوشش‌ها نیز در این مرحله با آزمونهای انعطاف پذیری (خمش زاویه دار) و سایش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به دست امده، مقاومت مکانیکی  بسیار بالای این پوششها حتی پس از متحمل شدن شرایط  تسریع یافته جوی را نشان داد. 
 

واژه‌های کلیدی:
 

پوشش‌های FBE، پوشش خطوط نفت و گاز، حفاظت کاتدیک، مقاومت جوی


 

1-مقدمه

 

با توجه به وسعت شبکه انتقال نفت و گاز، استفاده از فولاد  ساده کربنی تنها راهکار اقتصادی برای ایجاد چنین شبکه هایی است. 

خوردگي در خط لوله از مشكلات عمده اي است كه صنايع استراتژيك نفت، گاز و پتروشيمي با آن مواجه هستند.

نظر به اينكه خط لوله در اين صنايع نقش حياتي را ايفا مي‌كنند، حفاظت و كنترل اين سازه ها، امري حياتي است. خرابي‌هاي ناشي از خوردگي در فولاد و ساير فلزات پوشش داده شده كه به عنوان خوردگي زير پوشش شناخته مي‌شود، اهميت بسياري در اين صنايع دارند. خوردگي زير پوشش هنگامي رخ مي‌دهد كه عايق در مجاورت رطوبت قرار گيرد. خوردگي زير پوشش علاوه بر اينكه منجر به هزينه هاي فراواني از لحاظ تعميراتي و همچنين توقف توليد مي شود، مي تواند ايمني كاركنان و تأسيسات را نير به خطر اندازد. عايق كاري و پوشش دهي لوله ها به منظور جلوگيري از خوردگي، حفظ درجه حرارت، پايداري فرآيند و مصرف بهينه انرژي انجام مي شود.

با توجه به نرخ بالای خوردگی در خط لوله ها، روشهای محافظتی گوناگونی جهت جلوگیری از خوردگی استفاده می‌شود. از روش‌های مرسوم و کاربردی برای کنترل خوردگی سطح بیرونی لوله ها میتوان به استفاده از پوشش‌های آلی و حفاظت کاتدیک اشاره کرد.
 

پوشش­های اپوکسی ذوبی-اتصالی (FBE) نوعی پوشش پودری برپایه اپوکسی می­باشند که به طور وسیعی برای حفاظت لوله­های فولادی و اتصالات از خوردگی مورد استفاده قرار می­گیرند[1]. پوشش FBE درواقع یک نوع اپوکسی ترموست تک جزئی می­باشد که بر اثر حرارت ذوب، پخت و به سطح لوله می­چسبد.  چسبندگی بالا، چغرمگی، سطحی صاف و بدون حلال بودن از جمله ویژگی هایی است که این نوع خاص از پوشش را در مقایسه با پوشش‌های دیگر متمایز می‌کند. مجموع این ویژگی ها به همراه کاربرد آسان و پایداری شیمیایی، سبب شده است تا FBE  همواره یک انتخاب ایده آل به عنوان یک پوشش حفاظتی درشرایط محیطی مختلف  مورد استفاده قرار گیرد. عدم سدگری این پوششها در مقابل حفاظت کاتدیک و همچنین تغییرات بسیار پایین جریان الکتریکی با زمان باعث گردیده است که هزینه های حفاظت خوردگی خطوط لوله به شدت کاهش یابد و امروزه به عنوان یکی از مهمترین و پرفروش‌ترین پوشش حفاظتی شناخته شود[2].
 

اگرچه این پوشش‌ها به عنوان پوشش‌های حفاظتی سطح خارجی لوله‌های مدفون انتقال گاز، نفت و آب مورد استفاده قرار می‌گیرند.  اما در برخی مواقع لوله‌های پوشش داده شده با FBE دولایه به دلایلی مانند: دپوی کردن، توقف موقتی پروژه، اختلافات با کارفرما و ... بلافاصله به محل پروژه برای نصب و مدفون شدن برده نمی‌شوند و ممکن است چند ماه در مقابل نور خورشید و شرایط بیرونی قرار بگیرند..
 

پوشش‌های که در سطح استفاده می‌شوند، همواره در معرض شرایط جوی قرار دارند، بنابراین مقاومت جوی پوشش‌ها بسیار مهم است. درزمینه‌ی سازوکارهای تخریب پلیمرها در برابر عوامل جوی مقالات زیادی وجود دارد. تحقیقات نشان می‌دهد که هر یک از متغییرهای جوی نظیر اشعه فرابنفش رطوبت و آلودگی هوا به‌تنهایی می‌توانند موجب تخریب پوشش شوند و ترکیبی از این عوامل می‌تواند تخریب‌های شدیدتر در پوشش ایجاد کند. نور خورشید، رطوبت و آلودگی ازجمله عوامل تأثیرگذار در فرآیند تخریب هستند. نور خورشيد خصوصاً بخش فرابنفش طيف، در بسياري از موارد مسئول شروع تخريب نوري است. پوشش‌هاي مختلف بسته به گروه‎هاي شيميايي مختلف موجود در زنجير‎هاي آن‌ها يا نا‎خالصي‎هاي باقيمانده از مراحل مختلف فرايندي مانند پليمريزاسيون، قسمتي از طيف الکترومغناطيس را جذب مي‎کنند[3].
 

به دلیل وجود حلقه­های آروماتیک در ساختار شیمیایی اپوکسی،  و جذب اشعه UV توسط این گوه های کروموفوری ، باعث تخریب ساختار شیمیایی پوشش FBE و به دنبال آن کاهش خواص مکانیکی، شیمیایی و ضدخوردگی پوشش مذکور می­شود رطوبت، از دیگر عوامل بزرگ جوی است که میتواند جذب آب در پوشش‌ها را افزایش داده و  تاثیر چشمگیری بر عملکرد پوشش ها بگذارد. زردشدگی، گچی شدن، افت براقیت از جمله تغیرات ظاهری است، که در هنگام تخریب اتفاق می افتد[4].  با توجه به گستردگی کاربرد این پوشش‌ها و تحقیقات بسیاری که بر روی خواص خوردگی این پوشش‌ها انجام شده است، اما تاکنون مقاومت جوی این پوشش‌ها و تغیر خواص آنها پس از تخریب جوی مورد بررسی قرار نگرفته است.  در این تحقیق به بررسی اثرات جوی همچون اشعه ماورابنفش و رطوبت بر روی خواص خوردگی و مکانیکی پوششهای FBE پرداخته شده است.
 

2-مواد و روش تحقیق

مواد اولیه مصرفی
 

پوشش‌های FBE  تولید شده ساخت شرکت پکاشیمی،  در دو لایه، تهیه شد.
 

تهیه  پلیت های  پوشش داده شده با پوشش های FBE  دو لایه:
 

پلیت های فولادی 15×10 mm  ابتدا با استفاده از دستگاه، شن شویی شد تا زبری سطح  به 70 میکرون برسد.  سپس به مدت 20 دقیقه در دمای 220 درجه سانتیگراد پیش گرم شدند. در مرحله بعد، پوشش FBE  لایه اول با ضخامت 400-500 µ  بر روی سطح فولاد، به صورت الکتروستاتیک پاشیده شد، لایه دوم به صورت تر روی تر [1] با ضخامت  400-500 µ   بر روی لایه دوم اعمال شد. در مرحله اخر، پلیت های پوشش داده شده به مدت 10 دقیقه در دمای 200 درجه پخت شدند.


 

آزمون های انجام شده

  1. آزمون شرایط جوی

 پلیت‌های پوشش داده شده، به مدت 200، 400 و 600 ساعت در کابین QUV  به صورت دوره ای به مدت 4 ساعت تحت تابش اشعه فرابنفش  ( 313nm, 0.71 Wm-2)  در 60 درجه سانتیگراد  و سپس تحت  4 ساعت تحت اعمال  تراکم  آب  در 50 درجه سانتیگراد  قرارگرفتند.

  1.  آزمون جدایش کاتدیک

جهت بررسی رفتار ضدخوردگی و میزان چسبندگی پوشش‌های FBE،  نمونه ها پس از قرارگیری در کابین QUV به مدت 200، 400 و 600 ساعت به مدت 28 روز در دمای 65 سانتیگراد با ولتاژ منفی 1.5 تحت آزمون محافظت کاتدیک قرار گرفتند.

  1.  آزمون سایش

 به منظور بررسی خواص مکانیکی، بعد از قرارگیری در معرض شرایط تشدیدیافته، آزمون سایش با 1000 دور روی نمونه ها انجام شد.

  1. آزمون انعطاف پذیری

 به منظور بررسی خواص مکانیکی،  بعد از قرارگیری در معرض شرایط تشدیدیافته، نمونه ها به مدت یک ساعت در دمای منفی 20 درجه سانتیگراد قرار گرفته و سپس آزمون خمش (انعطاف پذیری) بر روی آنها اجرا شد.
 

3-نتایج و بحث

1-خواص ظاهری

به دلیل اینکه بسیاری از پلیمرها در سیستمهای پوششی جاذب نور UV هستند، تابش UV یکی از پارامترهای مهم در تخریب پلیمرها می‌باشند. رزین اپوکسی به دلیل حضور حلقه‌های آروماتیک مستعد تخریب بر اثر تابش UV می‌باشد. مکانسیم‌های مختلفی برای تخریب نوری رزین اپوکسی پیشنهاد شده است (شکل1).

تغییر در ساختار شیمیایی بعد از تخریب اصولا ناشی از تشکیل محصولات کربونیل حاصل شده از قسمت فنوکسی و رشد عامل آمیدی و شکست زنجیر پلیمری اپوکسی می‌باشد.

تخریب نوری منجر به تغییر رنگ پوشش و کاهش خواص مکانیکی میشود. اخیرا مطالعه تخریب نوری رزین اپوکسی بر پایه DGEBA  نشان داد که مکانیزم تخریب اصولا برپایه باند اتر آروماتیک موجود در اپوکسی (باند IR در  cm-1ـ 1036) و شکست باند CH3-C گروه ایزوپروپیلیدین (باند IR در  cm-1ـ 1182) می‌باشد. مسیر اصلی اکسیداسیون نوری رزین اپوکسی در واقع جدا شدن اتم هیدروژن متصل به کربن آلفا قرار گرفته در باند اتری می‌باشد. این جدا شدن منجر به تشکیل فنیل فرمات‌ها (باند IR در  1735cm-1) می‌شود. جدایش اتم هیدروژن از کربن اولیه گروه ایزوپروپیلیدین منجر به تشکیل گروههایی که انتهای آنها استوفنون هستند، می‌شود (باند IR در  cm-1ـ 1685 ). همچنین مکانیسم ایجاد رادیکال متیل از گروه ایزوپروپیلیدین نیزمکانیزم دیگری است که پیشنهاد داده شده است. بعد از اکسیداسیون، رادیکالهای متنوعی تشکیل می‌شوند که عبارتند از: کتون‌ها، زنجیرهای دارای انتهای کربوکسیلیک اسید، استر یا لاکتون، فنولیک‌ها یا کوئینونیک‌ها و همچنین متانال، فرمیک اسید و کربن دی اکسید[5-7].
 

شکل 1. سازوکار تخریب نوری رزین اپوکسی.

تغیرات رنگ

برای بررسي دقیق تغییرات در پارامترهای رنگي پوشش از دستگاه اسپکتروفوتومتر استفاده ‌شده است. پارامترهای رنگی بررسی‌شده عبارت‌اند از پارامتر قرمزی - سبزی(a)، زردی - آبي (b) و روشنايي (L). اين پارامترها اندازه‌گیری شده و تغییرات پارامتر b و L و در انتها تغییرات کلي رنگ ( ΔE)  که در بررسي تخريب پوشش‌ها مهم‌تر است، موردبررسی قرارگرفته است. جامع‌ترین معیار تغییرات رنگ نمونه‌ها (ΔE) که برآيند تغییرات همه‌ی پارامترهای رنگي يک سیستم پوششي است،  در شکل 2-3- نشان داده‌ شده است.  با گذشت زمان میزان تغیرات رنگ افزایش یافته است. پس از 600 ساعت  تابش اشعه فرابنفش میزان تغیرات به عدد 9 رسیده است. پوشش های اپوکسی به دلیل خواص جوی ضعیف عموما دچار تخریب جدی سطح شده و تغیرفام های بسیار بالایی برای آنها گزارش شده است، لیکن در سیستم مطالعه شده پس از 600 ساعت، بیشترین ΔE  به دست آمده 9 می‌باشد .

شکل 2. تغییرات رنگ پوشش­ FBE در برابر زمان قرارگیری در معرض شرايط جوی.

براقیت

میزان براقیت پوشش‌ها عموما طي زمان قرارگیری در شرايط بیروني رو به کاهش است و سطح پوشش به سمت مات شدن میل می‌کند. به همین منظور تغییرات براقیت پوشش‌ها مورد بررسي قرار گرفت. در شکل(3-3) تغییرات براقیت نمونه‌ها طي زمان قرارگیری در معرض شرايط تشديد شده جوی آورده شده است. همان‌طور که در شکل مشخص است، بیشترين  براقیت مربوط به قبل از قرارگیری در معرض شرايط جوی است و پس از تابش اشعه فرابنفش، میزان براقیت به شدت کاهش پیداکرده است. افت ناگهانی براقیت همانند افت ناگهانی تغییرات رنگ بعد از این 600 ساعت قرارگیری در برابر شرايط جوی تشديد شده است. زبر شدن سطح، مهاجرت کوچک مولکول ها مانند مواد افزودنی به سطح، شکست زنجیرهای پلیمری از دلایل مهم پایین آمدن براقیت پس از تخریب جوی است.

شکل 3. تغییرات براقیت پوشش­های مختلف در برابر زمان قرارگیری در معرض شرايط جوی.

2-خواص خوردگی

میزان جدایش پوشش از سطح زیرآیند، معیار مناسبی جهت ارزیابی سیستم‌های پوششی است. ازین روی حفاظت کاتدیک یکی از مکانیزم‌های غالب در جهت حفاظت خوردگی لوله های انتقال نفت و گاز و .. می‌باشد. آزمون جدایش کاتدیک پس از 200، 400 و 600 ساعت قرارگیری در معرض اشعه فرابنفش  برروی نمونه ها انجام شد. شکل 4-3 ، تصاویر آزمون جدایش کاتدیک پوشش های FBE    را پس از قرارگیری در معرض شرایط تشدید یافتته نشان میدهد. رفتار ضد خوردگی فوق‌العاده بالای این پوشش‌ها حتی پس از تخریب جوی سطح  در شکل به طور کامل نمایان است. میزان جدایش به ترتیب برای 0، 200، 400 و 600 ساعت برابر است با 2.5، 4.5، 6.5  و 7میلی متر   است. شبکه پیوند عرضی بالا و چسبندگی مناسب سبب افزایش خواص ضدخوردگی پوشش‌های FBE   شده است.

شکل4.  آزمون جدایش کاتدیک پس از الف) 0 ساعت، ب) 200 ساعت، ج) 400 ساعت و د) 600 ساعت قرارگیری در معرض شرایط جوی.

3-خواص مکانیکی

 آزمون سایش

به‌منظور بررسي خواص مکانیکی پوشش ها بعد از قرارگیری در معرض شرایط تشدید یافته از آزمون سایش  استفاده شده است. شکل  به ترتیب  نتایج آزمون سایش  مربوط به پوشش‌های FBE قبل و پس از قرارگیری در معرض اشعه فرابنفش را نشان می‌دهد.  با وجود مهاجرت  زنجیرهای تخریب شده به سطح و حتی خارج شدن بخشی از آنها  از پوشش هنگام واکنش تخریب و همچنین تغیرات رنگی که به واسطه جذب اشعه فرابنفش توسط گروه های کرموفوری موجود در ساختار شیمیایی  اپوکسی  لایه دوم  به وجود آمده است ، میزان سایش پس از 0، 200، 400 و 600 ساعت برابر است با 8، 34، 53 و 66 میلی گرم می‌باشد. نتایج حاصل گواه این است ک سایش ایجاد شده  پس از 600 ساعت شرایط جوی تشدید یافته کمتر از 100 میلی گرم بوده است که در بسیاری از استانداردهای ملی و بین المللی  مورد تایید میباشد.

شکل 5. آزمون سایش الف) 0 ساعت، ب) 200 ساعت، ج) 400 ساعت و د) 600 ساعت پس از قرارگیری در معرض شرایط جوی.

آزمون انعطاف پذیری

انعطاف پذیری  پارامتری مهم در ارزيابي رفتار مکانیکی  يک پوشش طي زمان است که می‌تواند بر عملکرد يک پوشش اثرگذار باشد. جهت  انجام آزمون پوشش‌هایی که در معرض شرایط تشدیدیافته قرارگرفته بودند، ابتدا به مدت یک ساعت در دمای  منفی 20 درجه سانتی گراد قرارگرفتند، سپس آزمون انعطاف پذیری برروی آنها انجام شد. شکل تصاویر مربوط به آزمون انعطاف پذری پس از 200، 400 و 600 ساعت شرایط تشدیدیافته را نشان می‌دهد. هر آزمون با دوتکرار انجام شد . با توجه به شکل 3-6 پس از انجام آزمون، در هیچ یک از نمونه ها ترک مشاهده نشده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که تغیرات ایجاد شده سطحی بوده و هیچ گونه افتی در خواص مکانیکی پوشش بعد از تخریب جوی صورت نگرفته است.

شکل 6. آزمون انعطاف پذیری الف) 0 ساعت، ب) 200 ساعت، ج) 400 ساعت و د) 600 ساعت پس از قرارگیری در معرض شرایط جوی.

نتیجه گیری

در این تحقیق  به بررسی خواص مکانیکی و خوردگی پوشش‌های FBE پس از تخریب جوی پرداخته شده است. مقاومت جوی و خوردگی و  همچنین مقاومت مکانیکی پوشش‌ها با آزمون‌های متفاومت مورد مطاالعه قرار گرفته است.  علی رغم تغیرات فام و کاهش محسوس  براقیت بر اثر تخریب سطحی ایجاد شده لیکن، میزان جدایش حاصل از آزمون حفاظت کاتدیک نشانگر چسبندگی بالای پوشش به سطح فلز و همچنین رفتار ضدخوردگی فوق االعاده و نیز  نتایج دو آزمون سایش و انعطاف پذیری نشان داد که پوشش FBE ساخته شده  حتی در شرایط جوی تشدیدیافته نیز دچار افت خواص نشده است .

مراجع

[1] J.A. Kehr, D.G. Enos, FBE, a foundation for pipeline corrosion coatings,  CORROSION-NATIONAL ASSOCIATION OF CORROSION ENGINEERS ANNUAL CONFERENCE-, NACE, 2000.

[2] B.-J. ZHAO, D.-H. ZHANG, H.-l. Niu, C.-r. Li, K.-k. Wang, D.-Y. TANG, The Design of Fusion Bonded Epoxy Coating Device for Subsea Pipe Joint Coating, DEStech Transactions on Engineering and Technology Research, (2018).

[3] S.V. Naik, Application of plasma erosion technique for faster degradation of coatings and prediction of their durability, Advances in Materials, 6 (2017) 154.

[4] T. Lu, E. Solis-Ramos, Y. Yi, M. Kumosa, UV degradation model for polymers and polymer matrix composites, Polymer degradation and stability, 154 (2018) 203-210.

[5] S. Nikafshar, O. Zabihi, M. Ahmadi, A. Mirmohseni, M. Taseidifar, M. Naebe, The effects of UV light on the chemical and mechanical properties of a transparent epoxy-diamine system in the presence of an organic UV absorber, Materials, 10 (2017) 180.

[6] A. Rivaton, L. Moreau, J.-L. Gardette, Photo-oxidation of phenoxy resins at long and short wavelengths—I. Identification of the photoproducts, Polymer degradation and stability, 58 (1997) 321-332.

[7] R.S. Woo, Y. Chen, H. Zhu, J. Li, J.-K. Kim, C.K. Leung, Environmental degradation of epoxy–organoclay nanocomposites due to UV exposure. Part I: Photo-degradation, Composites Science and Technology, 67 (2007) 3448-3456.

 

[1]  Wet On Wet