Покрития за подземни водопроводи

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 3/2018 • 04.05.2018

Покрития за подземни водопроводи
Покрития за подземни водопроводи

 

Покритията за тръбoпроводи контролират корозията, като възпрепятстват контакта на кислорода и водата с конструкционния материал. Някои от важните свойства, които обуславят способността на покритието да ограничава корозията, са пропускливостта по отношение на водата и кислорода, омокрянето, адхезията, кохезията, катодното разграждане и съвместимостта на катодната защита. Повечето от тези характеристики са взаимосвързани до известна степен. Например адхезионните и омокрящите свойства оказват влияние върху стойността на загубата на адхезия между катодното покритие и металния субстрат. Също така недоброто омокряне повлиява на адхезията. Въпреки че покритията са изключително ефективни, всички органични покрития са полупропускливи спрямо кислорода и водата.

Катодната защита (CP), от друга страна, контролира корозията, като осигурява електрони в излишък на повърхността на тръбата. Тази система се основава на електрическа верига, в която отрицателната клема на захранването е свързана към тръбата, а положителният извод – към поставения в почвата анод. И двата метода имат ограничения в осигуряването на абсолютна защита. Прилагането на комбинация от CP и покритие е най-доброто решение на този сложен проблем. В такава хибридна система покритието поема основната роля по осигуряването на необходимата защита, а CP има второстепенно значение.

Когато обаче покритието не изпълнява функцията си в достатъчна степен, CP придобива критично значение и трябва да осигури изискваната защита. Следователно, трябва да се оценят ограниченията на всяка от системите и характеристиките им да бъдат регулирани така, че да се гарантира съвместното им функциониране. До отказ на системата може да се стигне, ако някое от свойствата на покритието възпрепятства действието на катодната защита. Броят на параметрите, които имат решаващо значение за комбинираната система CP-покритие, е малък. Въпреки че в повечето случаи се предпочита покритие с най-високи стойности за всички важни свойства, то може да не е най-добрият вариант за комбинирана система. Доста често следва да се прилага покритие с по-ниски стойности на някои от параметрите си, което да гарантира, че то е неразделна част от комбинираната система. Най-важната стъпка в процеса на избор на покритие е определянето на оптималните стойности на основните характеристики.

Адхезионната и кохезионната якост са две съществени и напълно различни свойства на покритията. Адхезионната якост е общата сума от няколко компонента – механичната, полярната и химическата адхезия. Тези три основни компонента, заедно с химичните свойства на покритието и параметрите на конкретното приложение, имат определящо значение за крайната адхезионна якост.

Същност
Нанасянето на покритие върху тръбите е един от начините за контрол на корозията на подземните водопроводи. Това е високоефективен подход, при условие че изборът на материал е подходящ и нанасянето на покритието е съобразено с изискванията. Няколко са ключовите параметри, определящи ефективността на покритието, което изолира металната повърхност от кислорода и водата. Въпреки че много покрития осигуряват отлична защита, всички органични покрития са полупропускливи за кислород и вода, поради което е важно да се установят минималните концентрации на тези компоненти, при които може да започне процесът на корозия. Както е известно, корозията е електрохимичен процес с участието на елементно желязо, кислород, вода, електрони и железен хидроксид, който не може да бъде спрян само чрез органични покрития.

За повечето подземни тръбопроводи CP се осигурява чрез външно приложен ток. Отрицателният извод на токоизправителя се свързва към водопровода, а положителният – към анода. Ефективността на тази система зависи от способността й да осигурява достатъчно електрони там, където са необходими. Всички възпрепятстващи фактори, като камъни или недобре прилепнали покрития, пречещи на електроните да реагират, могат да доведат до сериозна степен на корозия и спуквания на водопроводите.

Както покритието, така и катодната защита имат уникални свойства и съответно различни ограничения, когато се използват самостоятелно за предотвратяване на корозия. Когато се използват в комбинация, CP и покритието могат да предоставят отлична и икономически ефективна възможност за контрол на корозията на подземните водопроводи. Защитните покрития следва да са корозионно устойчиви и да притежават добри механични свойства, за да издържат на условията на околната среда и на дейностите по полагане на тръбопроводите. Някои от тези свойства обаче може да се пренебрегнат до известна степен, за да може комбинираната система CP-покритие да функционира пълноценно. Затова е много важно експертите по корозия да определят критичните свойства на покритието, които ще благоприятстват или ще окажат негативно въздействие върху системата за катодна защита.

В този контекст адхезионната и кохезионната якост на покритието са от съществено значение. Адхезионната якост е силата, необходима за отделяне на покритието от субстрата без да се разкъсва, а кохезионната якост е силата, нужна за разкъсване на покритието, т. е. тя е мярка за якостта на филма и определя способността на покритието да устои на механични повреди. Както кохезионната, така и адхезионната якост са изключително важни и колкото по-високи са стойностите им, толкова по-ефективна е системата. Все пак, ако трябва да се пренебрегне една от тези характеристики, за да се направи правилен избор, е необходимо да се познава зависимостта им една от друга и връзката им със системата за катодна защита.

Адхезионна якост
Както беше споменато, адхезионната якост е сума от механичната, полярната и химическата адхезия. По дефиниция механичната адхезия е силата на захващане на покритието върху субстрата, а полярната е силата на привличане между положителните и отрицателните полюси на субстрата и покритието. Макар че механичната, полярната и химическата адхезия са от съществено значение за общата адхезионна якост, абсолютните им стойности са съвсем различни. Установено е, че химическата връзка е от 20 до 1000 пъти по-силна от полярната. Следователно покритието, при което е възможно образуването на най-голям брой химически връзки с металния субстрат, ще има най-висока адхезионна якост.

Фактори, влияещи на адхезионната якост
Значително влияние върху адхезията на покритието имат подготовката на повърхността на водопровода и температурата на нанасяне. Повечето системи за прахово нанасяне с висока производителност изискват изключително чиста повърхност. Съгласно стандарт ISO 8501-1 при нанасяне чрез стапяне на епоксидно покритие (FBE), минималното изискване е степен на чистота Sa 2,5 (много дълбоко песъкоструйно почистване). Значението на това изискване може лесно да бъде разбрано с оглед на ролята на адхезията във функционирането на покритието.

Двата важни компонента на адхезията, полярният и химичният, са директно свързани с броя на хидроксилните групи на повърхността на субстрата. Отсъствието на тези групи може да повлияе неблагоприятно върху общата адхезионна якост на покритието. Недостатъчно почистената повърхност може да ограничи броя на наличните свободни хидроксилни групи. Друга важна стъпка е премахването на водоразтворимите соли и органични замърсители. Ако останат на повърхността, солите, особено хлоридите и сулфатите, могат да предизвикат абсорбция на вода чрез осмоза, което води до образуване на шупли.

Според проучвания, замърсяването с хлориди влияе в значителна степен върху адхезията и катодното разграждане. Няколко международни организации по стандартизация в областта разглеждат този въпрос в своите спецификации за приложение на FBE покрития. Стандартната процедура за отстраняване на разтворими соли (като хлориди) включва измиване на тръбите с фосфорна киселина, последвано от промиване с дейонизирана вода. Съгласно стандартите максималната допустима концентрация на хлориди е 2 mg/m2. Подходящата степен на първоначална адхезия и способността на прахово нанесеното покритие да осигури достатъчна адхезия през целия експлоатационен живот на водопровода са основните фактори за осигуряването на адекватна защита от корозия.

Профилът на водопроводната повърхност е ключов фактор при вземането на решение за общата адхезионна якост на праховото покритие. Необходимият профил за приложението на FBE е от 62 до 112 микрона. Всички компоненти на адхезията в голяма степен зависят от формата, височините на пиковете и плътността на опорния профил. Чрез увеличаване на дълбочината и плътността на профила нараства наличната свободна повърхност.

Праховите покрития контролират корозията чрез разделянето на катода и анода. Това може да бъде постигнато само ако покритието обхваща изцяло повърхността на водопровода на микро ниво. За да притежава отлични омокрящи свойства, прахово нанасяното покритие трябва да има нисък вискозитет. Тъй като FBE покритието е твърдо, вискозитетът на стопилката трябва да бъде достатъчно нисък, за да запълни профила, без да оставя въздушни джобове. Нисък вискозитет може да се постигне чрез използване на подходящи смоли. Вискозитетът обаче зависи в по-голяма степен от температурата на повърхността на водопроводната тръба.

По-високата температура води до по-нисък вискозитет на стопилката, което позволява на покритието да покрие цялата повърхност. При използването на FBE е необходимо голямо количество енергия за постигане на омрежване между епоксидните молекули и втвърдяващия агент. Недостатъчните нива на енергия могат да са причина компонентите на праховото покритие да не реагират, което ще повлияе неблагоприятно върху качествата на нанесения слой. В този случай едно от свойствата, които може да бъдат сериозно засегнати, е гъвкавостта, тъй като недостатъчно втвърдените покрития могат да се напукат при огъване на тръбата. Адхезията също може да се повлияе. За химическата адхезия е необходима възбудена метална повърхност. При повишаване на температурата възможността за възбуждане на железните молекули върху субстрата се увеличава. Това води до повече точки за химическа адхезия и по-висока адхезионна якост на нанесеното покритие.

Адхезия на покритието при мокро състояние
Поддържането на подходяща степен на адхезия през целия жизнен цикъл на водопровода е един от определящите фактори за ефективността на покритието. Първоначалната адхезионна якост обаче може да намалее по време на експлоатационния живот на водопровода поради няколко причини: разграждане на органичните компоненти в покритието или проникване на чужди молекули.

Добър пример за това е проникването на водни молекули до междинната повърхност метал-покритие. След като достигне междинната повърхност, водата може да разруши полярните връзки между покритието и субстрата, като образува отделни водородни връзки с тях. Унищожаването на полярните връзки поради наличието на водни молекули намалява общата адхезионна якост на покритието. Това обаче не е фактор със съществено значение, тъй като редуцирането на якостта не означава непременно загуба на адхезия. Докато силите, причиняващи отделяне на покритието от тръбата, са по-ниски от общата адхезионна якост (въпреки че тя е значително по-ниска от първоначалната стойност), покритието ще прилепва към тръбата. Трябва да се отбележи, че мокрото покритие ще възстанови загубените полярни връзки, след като влажният участък изсъхне.

Кохезионна якост
Кохезионната якост на покритието е мярка за силата на привличане между молекулите, или силата, необходима за разкъсване на покритието. Това свойство зависи от съставките на покритието, особено от базовите смоли. Както термопластичните, така и термореактивните покрития се предлагат в широк диапазон на стойностите за кохезионна якост. Тази характеристика на покритието зависи от температурата и намалява с повишаването й.

Понякога понижението на кохезионната якост може погрешно да се определи като неефективна адхезия. Над температурата на встъкляване (Tg) FBE се превръща в аморфен, мек материал с по-ниска кохезионна якост. Ако тестовете за адхезия се извършват при температура над Tg, покритието ще се разкъса лесно. Това явление може да се изтълкува като липса на адхезия и да предизвика притеснение. Въпреки че не е съществен фактор по време на нанасяне на покритие върху тръби в заводите (поради стриктните указания за температурата на изпитване на адхезия), това може да се превърне в сериозен проблем в полеви условия при нанасянето на покритие върху заваръчните шевове.

Влияние на адхезионната и кохезионната якост върху катодната защита
Желателно е покритието да се отличава с по-добра кохезионна якост, за да се сведе до минимум рискът от увреждането му по време на транспортирането и изграждането на водопровода. В някои случаи обаче високата стойност на този параметър (ако надвишава адхезионната якост на покритието) може да възпрепятства действието на комбинираната система CP-покритие. Това може да се установи лесно чрез сравняване на ефективността на CP в увредените вследствие на механични въздействия зони на два водопровода – покритието на единия е с по-висока адхезионна, отколкото кохезионна якост, а на другия – обратното. В комбинираната система CP-покритие катодната защита действа, ако покритието е увредено.

Зоната, в която покритието е увредено, трябва да бъде защитена от корозия само с помощта на CP. За тази цел нищо не трябва да възпрепятства пътя на електроните между източника на захранване на CP и съответния участък от водопровода. Имайки предвид това, може да се разгледат двата случая, в които е повредено покритието на заваръчните шевове. Уврежданията вследствие на механично въздействие могат да са незначителни и да обхващат само външния слой на покритието. Ако въздействието е достатъчно силно обаче, покритието може да се напука или отдели от водопровода в зависимост от кохезионната и адхезионната му якост. Покритието с по-висока адхезионна, отколкото кохезионна якост ще се напука, преди да се отдели от повърхността на тръбата. За разлика от това, покритието, чиято адхезионна якост е по-ниска от кохезионната, ще се отдели без никакви предварителни напуквания.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top