Fusionsbeschichtetes Epoxidharz schützt Wasserleitungen vor Korrosion

Obwohl die Kombination von Korrosionsschutzbeschichtungen aus schmelzgebundenem Epoxidharz (FBE) und abriebfestem Überzug (ARO) in der Öl- und Gasindustrie gut bekannt ist, werden ARO-Beschichtungssysteme von Planern in der kommunalen Wasserindustrie normalerweise nicht gewählt.1 Ein kürzlich durchgeführtes Wasserleitungsprojekt wurde jedoch erfolgreich innen mit Zementmörtel ausgekleidet, nachdem sowohl FBE als auch ARO aufgetragen wurden, und zeigte die Vorteile der Verwendung der FBE- und ARO-Kombination um kommunale Wasserleitungen vor Korrosion zu schützen.

FBE ist eine duroplastische Pulverbeschichtung2 auf Epoxidbasis, die häufig auf Stahlrohren, Stahlbewehrungsstäben für Beton, Tanks und einer Vielzahl von Rohrleitungsverbindungen (Ventile und Armaturen) eingesetzt wird. Die Bezeichnung „fusion-bonded“ rührt von der chemischen Vernetzung her, die während des Auftragungsprozesses auftritt und sich von der Anwendung herkömmlicher Farben und Beschichtungen unterscheidet. FBE wird aufgetragen, indem das Substrat vorgewärmt wird, normalerweise auf über 205 °C (401 °F), und das Beschichtungspulver auf die Oberfläche gesprüht wird. Kleinteile und Armaturen können in durch Luft fluidisiertes FBE-Pulver getaucht werden. Bei der Anwendung als Basisschicht in einem Mehrschichtsystem wird FBE typischerweise als primäre Korrosionsschutzschicht bezeichnet.

ARO ist eine duroplastische Pulverbeschichtung, die während des ersten Beschichtungsprozesses auf ein kompatibles FBE aufgetragen wird, um die FBE-Beschichtung während der Lagerung, Handhabung und Installation zu schützen. Die FBE-Schicht wird zunächst elektrostatisch auf die Rohroberfläche aufgetragen und anschließend wird in gleicher Weise in einer zweiten Spritzkabine die ARO-Schicht aufgetragen. Anschließend wird die Doppelbeschichtung zum Abkühlen und Aushärten mit Wasser abgeschreckt. Beim Auftragen verbindet sich das ARO fest mit der korrosionsbeständigen FBE-Grundschicht und bildet eine robuste Außenschicht, die gegen Einkerbungen, Stöße, Abrieb und Durchdringung beständig ist. ARO verbessert die Haftungsleistung des gesamten Beschichtungssystems und ist in Situationen nützlich, in denen Rohre durch ein Bohrloch gezogen werden müssen und in denen Handhabung, Installation und felsige Böden während der Hinterfüllung die Primärbeschichtung beschädigen können.

Planer, die sich für ein Beschichtungssystem entscheiden, um Wasserleitungen, Ventile und Tanks vor Korrosion zu schützen, müssen viele Aspekte berücksichtigen, angefangen bei der Anwendbarkeit der Beschichtungen für die Verwendung mit Trinkwasser. FBE- und ARO-Beschichtungen enthalten keine Lösungsmittel und basieren zu 100 % auf Feststofftechnologie. Wenn sie für den Kontakt mit Trinkwasser konzipiert sind, erfüllen oder übertreffen FBE- und ARO-Beschichtungen viele geltende Standards für Trinkwasser der American Water Works Association (AWWA), der International Organization for Standardization (ISO), des American National Standards Institute (ANSI) und der NSF, einschließlich NSF/ANSI 61.3

In den letzten mehr als 50 Jahren haben FBE-Applikatoren effiziente Methoden entwickelt, die FBE und ARO im Vergleich zu anderen beliebten Beschichtungsoptionen kosteneffizient machen. Seitdem FBE/ARO-Beschichtungssysteme in den 1960er Jahren als Rohrbeschichtungen kommerziell erhältlich waren, wurden sie bei vielen großen Öl- und Gasübertragungs- und -verteilungsprojekten auf der ganzen Welt eingesetzt.4 Ein aktuelles Wasserprojekt zeigt jedoch, dass ein FBE/ARO-System mehr Anwendungen als nur Öl und Gas haben kann, wie zum Beispiel Wassertransportleitungen, sagt Dustin Traylor, Mitglied bei NACE International, globaler funktionaler Produktmanager/Manager für technische Dienste bei Axalta Coating Systems (Philadelphia, Pennsylvania, USA).

Typischerweise werden Wassertransportleitungen zuerst innen ausgekleidet und dann außen beschichtet, um Schäden an der Außenbeschichtung durch Handhabung zu minimieren. Die am häufigsten für Wassertransportleitungen verwendete Auskleidung ist Zementmörtel. Beim Zentrifugalzementauskleidungsverfahren wird der Mörtel über eine einziehbare Lanze über die gesamte Länge des Rohrs verteilt, während sich das Rohr mit relativ niedriger Geschwindigkeit dreht. Nach dem Auftragen des Mörtels wird die Zementmörtelauskleidung geglättet und verdichtet, indem das Rohr mit einer höheren Geschwindigkeit (typischerweise 550 bis 650 U/min) gedreht und vibriert wird, um das Wasser auszutreiben und eine dichte Zementmörtelauskleidung zu erzeugen, die in engem Kontakt mit der Rohroberfläche steht. In der Vergangenheit bestand das größte Hindernis bei der Außenbeschichtung von mit Zementmörtel ausgekleideten Wasserleitungen mit FBE darin, dass das Rohr zuerst ausgekleidet werden musste. Es bestand die Sorge, dass die Handhabung und Erwärmung des Rohrs während der FBE-Anwendung die Zementmörtelauskleidung beschädigen könnte.

Für dieses Projekt überprüften die technischen Mitarbeiter von Axalta und dem Rohrhersteller Jindal Tubular USA (Bay St. Louis, Mississippi, USA) den Beschichtungsprozess sorgfältig und schlugen vor, die äußere Rohroberfläche zunächst mit einer Doppelschicht FBE/ARO zu beschichten und das Rohr dann mit Zementmörtel auszukleiden. Dieser Plan würde jedoch nur funktionieren, wenn die ARO die FBE während des Zementauskleidungsprozesses schützen würde. Der Auskleidungsprozess und die Rohrhandhabungsausrüstung könnten laut Traylor die FBE beschädigen und zu übermäßigen Reparaturen führen.

Traylor weist darauf hin, dass das Team für funktionelle Beschichtungen seines Unternehmens keine Fallstudie zum Einsatz von ARO in einer Trinkwasseranwendung finden konnte. Anschließend schlugen die Rohr- und Beschichtungshersteller dem Rohrleitungseigentümer und dem Konstruktionsteam eine Anlagendemonstration vor, um zu beweisen, dass die ARO-Beschichtung den Auswirkungen des Zentrifugalzementauskleidungsprozesses standhalten und die darunter liegende FBE-Schicht schützen kann. NSF erteilte die Zertifizierung für die ARO-Beschichtungen Nap-Gard† 7-2610 und Nap-Rock† Grey des Beschichtungsherstellers, die bei diesem Projekt verwendet wurden.

Der Eigentümer der Wasserpipeline, Mni Waste’ Water Co. (Eagle Butte, South Dakota, USA), und das Ingenieurteam des Projekts – Banner Associates (Sioux Falls, South Dakota, USA); RUSTNOT Corrosion Control Services, Inc. (Boise, Idaho, USA); und Accurate Inspections (Thornton, Colorado, USA) – waren an diesem innovativen Ansatz für ihr Projekt „Pipeline für behandeltes Wasser, Segment 1“ interessiert, da sich FBE-Beschichtungen auf dem Öl- und Gasmarkt als erfolgreich erwiesen haben und außerdem geringe Anforderungen an den kathodischen Schutzstrom, hohe Haftung, Abriebfestigkeit, physikalische Festigkeit und nicht abschirmende Eigenschaften bestehen. Eine intakte, gut haftende Beschichtung mit guten Korrosionsschutzeigenschaften war von entscheidender Bedeutung, da sich die Pipelinetrasse in extrem korrosiven Bodenbedingungen mit sehr geringem Bodenwiderstand befand (<500 Ω-cm) and high chloride content (>4.500 ppm). Wasserleitungen werden normalerweise tiefer vergraben als Öl- und Gasleitungen (mindestens 6 Fuß [1,8 m]) und in eine ausgewählte Hinterfüllung eingebettet (die eckig sein kann und eine verdichtete Dichte von bis zu 95 % aufweist). Die Außenbeschichtung musste robust sein, um diesen Installationsherausforderungen gerecht zu werden.

Während sich mehrere Normen auf FBE-Rohrleitungsbeschichtungen 5-7 beziehen, war keine davon direkt auf die vorgeschlagene zweischichtige FBE/ARO-Beschichtung anwendbar. Die Qualitätskontrollabteilung des Rohrwerks schlug eine Bewertung der FBE/ARO-Beschichtung gemäß den Kriterien der Canadian Standards Association (CSA) für FBE7 vor, und das Ingenieurteam nutzte diese. Diese Bewertung war hinsichtlich der Anzahl und Art der erforderlichen Qualitätskontrolle und Leistungstests sowie der Testakzeptanzkriterien viel strenger als die normalerweise in der Wasserindustrie für andere Arten von Beschichtungen verwendeten Bewertungen.

Zu den Tests zur Qualitätskontrolle der Rohrleitungsanlage gehörten Salzverunreinigungs- und Oberflächenprofiltests, Sichtprüfungen und ein durchsichtiger Klebebandtest zur Bestimmung der Sauberkeit der Rohroberfläche. Die visuelle und physikalische Prüfung der aufgetragenen Beschichtung umfasste einen Hochspannungs-Feiertagstest, einen Trockenfilmdickentest, einen Härtetest (Härtetest), einen Gewichtsfalltest, einen Biegetest, einen 24-Stunden-Wassereinweichtest, einen 24-Stunden-Test zur kathodischen Ablösung, einen Test auf Rückseitenverunreinigung sowie einen Test auf Rückseiten- und Seitenporosität. Die Ergebnisse zeigten, dass die FBE/ARO-Beschichtung die minimalen CSA-Testkriterien erfüllte und während der Zementmörtelauskleidung und der Handhabungsprozesse in ausgezeichnetem, unbeschädigtem Zustand blieb. Bei der Prüfung der Abziehhaftung gemäß ASTM 4541.8 wurden keine Fehler beim Substrattyp, keine Ablösung zwischen den Schichten oder eine Ablösung des FBE von der ARO-Schicht beobachtet. Bei einigen Haftungstests wurde ein Druck von fast 6.000 psi (41 MPa) durchgeführt, bevor der Kleber versagte, was bestätigte, dass das FBE/ARO-Beschichtungssystem fest mit der Rohroberfläche und mit sich selbst verbunden war.

Nachdem sich der Anwendungsversuch als erfolgreich erwiesen hatte, wurden die verbleibenden 19 km des Stahlrohrs mit einem Durchmesser von 24 Zoll (610 mm) vom Rohrhersteller in seinem Werk beschichtet. Die nominale aufgetragene Dicke des FBE betrug 16 bis 20 Mil (405 bis 510 μm), während die nominale Dicke des ARO 20 bis 25 Mil (510 bis 635 μm) betrug. NACE-Mitglied William S. Spickelmire von RUSTNOT berichtete von minimalen bis gar keinen Schäden am beschichteten Rohr während des Transports und der Installation, mit Ausnahme der wenigen Fälle, in denen das Rohr unsachgemäß behandelt wurde. 

†Handelsname.

Referenzen

1 D.L. Traylor, „Corrosion Protection of NSF Drinking Water Pipe Using a Dual Layer FBE System“, Pipeline Coating Conference 2017 (Houston, TX: AMI, 2017).

2 „Fusion Bonded Epoxy Coating“, Wikipedia, die freie Enzyklopädie, https://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_bonded_epoxy_coating (22. März 2018).

3 NSF/ANSI 61, „Komponenten des Trinkwassersystems – Auswirkungen auf die Gesundheit“ (Ann Arbor, MI: NSF International, 2016).

4 J.G. Dickerson: „FBE entwickelt sich weiter, um den Bedarf der Industrie an Pipeline-Schutz zu erfüllen.“ Rohrleitungs- und Gasindustrie. 3, 67 (2001): S. 6.

5 NACE-Standard SPO394-2013, „Anwendung, Leistung und Qualitätskontrolle von anlagenseitig aufgebrachten einschichtigen schmelzgebundenen Epoxid-Außenrohrbeschichtungen“ (Houston, Texas: NACE International, 2013).

6 AWWA C213-15, „Fusion-Bonded Epoxy Coatings and Linings for Steel Water Pipe and Fittings“ (Denver, Colorado: AWWA, 2015).

7 CSA-Standard Z245.20 „Pflanzlich aufgebrachte Außenbeschichtungen für Stahlrohre“ (Mississauga, Kanada: CSA, 2012).

8 ASTM 4541-09, „Standardtestmethode für die Abziehfestigkeit von Beschichtungen unter Verwendung tragbarer Adhäsionstester“ (West Conshohocken, PA: ASTM International).

Quelle: Dustin Traylor, Axalta Coating Systems, E-Mail: dustin.traylor@axaltacs.com, Website: www.axaltacs.com; und William S. Spickelmire, RUSTNOT Corrosion Control Services, E-Mail: bspickelmire@rustnotconsulting.com. Besonderer Dank geht an Mni Waste’ Water Co. und Banner Associates für die Erlaubnis, dieses FBE/ARO-beschichtete Wasserleitungsprojekt zusammenzufassen.

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