Influence of test parameters on high temperature cathodic disbonding testing of fusion bonded epoxy coatings

Abstract

Fusjonsbundet epoksybelegg brukes sammen med katodisk beskyttelse for å beskytte stålrør i sjøvann mot korrosjon. Belegg i kombinasjon med katodisk beskyttelse kan føre til katodisk avbinding hvis belegget er ødelagt. Derfor er testing av belegg for deres motstand mot katodisk avbinding en viktig del av utvikling av belegg og kvalifiseringstesting. Jotun gjør CD tester både i ovn og på varmeplate. Begge test-oppsettene gir ikke samme resultat i avbinding. Generelt gir testing av belegg i ovn større avbinding enn tester gjort på varmeplate. Grunnen for forskjellen i resultater og om det er ukjente forskjeller i testforholdene som gir forskjellige avbindingshastigheter er ikke forstått.

I dette prosjektet ble det gjort CD tester i ovn og på varmeplate. En serie av fire eksperimenter ble gjennomført. Det var tre til seks paralleller i ovn og tre til seks paralleller på varmeplate for hver test. Testene varte i to, tre og fire uker. Temperatur i skaden og potensialet ble målt manuelt gjennom forsøkene. Strømmen som gikk gjennom cellene, potensialet i skaden, temperaturen i stålet, grensesnittet mellom stålet og belegget, og løsningen ble logget. To paneler ble satt i et begerglass med 1 M NaOH i ni dager, ved 70 grader celsius. Elektrokjemisk impedansspektroskopi ble gjennomført fem ganger, heften og hardheten til belegget ble testet.

Resultatene i dette prosjektet korrelerte med testene som ble gjennomført hos Jotun og testene som ble gjennomført i det foregående fordypningsprosjektet.

Både i den første og den andre testen ble det funnet en ring med heft etterfulgt av et nytt område hvor heften var mistet. Hvis den målte avbindingsfronten på panelene som var testet på varmeplaten ble sammenlignet med den målte avbindingen på panelene som var testet i ovnen hadde de lignende avbinding. En hypotese er at området med heft er forårsaket av forskjellen i temperaturgradientene og forskjellen i temperaturen i stålet, siden dette var de eneste systematiske forskjellene som ble oppdaget mellom cellene som var testet på varmeplaten og i ovnen. Videre ble ringen med heft påvirket da temperaturen i stålet ble endret.

Gjenvinningen av heften skjedde for celler som ble testet lenger enn to uker. Gjenvinningen av heft var mest dominant etter tre uker, sammenlignet med testene som varte i fire uker.

En hypotese var at gjennvinningen av heft var forårsaket av degradering av belegget av varm NaOH eller av mellomprodukter som radikaler i oksygen reduksjonen. Resultatene av den elektrokjemiske impedansspektroskopien, avtrekkstestene og hardhetstestene indikerte at det ikke var noe degradering av belegget på grunn av eksponering for varm NaOH. Levetiden til et radikal ble estimert til å være for kort til at radikalet når og reagerer med belegget.

Det er en sterk indikasjon på at temperaturen i stålet påvirker området med heft og forskjellen i avbinding, men det er ikke funnet noen god teori på hvordan det skjer.

Fusion bonded epoxy (FBE) coating in combination with cathodic protection is often used as a corrosion protection system on steel pipelines submerged in seawater. However, coatings in combination with cathodic protection can lead to cathodic disbondment (CD) if the coating is damaged. Testing coating for resistance to cathodic disbondment is therefore a crucial part of coating development and qualification testing. Jotun does CD tests both in oven and on hotplate. However, both test set-ups do not result in the same disbonded area. In general, it is noted, that the cathodic disbondment when testing FBE coatings in the oven set-up is larger compared to when tested in the sand bath set-up. The reasons for the difference in performance and whether there are unknown differences in the testing conditions giving different disbondment rates are not understood today.

In this project CD tests in oven and on hotplate were done. A series of four experiments of CD tests were completed. There were three to six parallels in the oven and three to six parallels on the hotplate in each test. The duration of the tests were two, three and four weeks. Temperature in the damage and potential were manually measured throughout the experiments. The current going through the cells, the potential in the damage, the temperature in the steel, the interface between the steel and the coating, and in the solution were logged. Two panels were put in a beaker containing 1 M NaOH for nine days, at 70 degrees celsius. Electrochemical impedance spectroscopy was carried out five times, the adhesion and the hardness of the coating were tested.

The results of the CD tests in this project correlated with the tests done at Jotun and the tests done in the preceding specialization project.

In both the first and second test a ring with adhesion was discovered followed by a new area where the adhesion was lost. If the measured disbondment front of the panels tested on the hotplate was compared to the measured disbondment of the panels tested in the oven, they showed similar results of disbondment. A hypothesis is that the area with adhesion is caused by the difference in temperature gradients and the difference in the temperature in the steel as that were the only systematic differences that were detected between the cells tested on the hotplate and in the oven. Further, the ring with adhesion was affected when the temperature in the steel was changed.

The regaining of adhesion of the coating happened for cells tested for longer than 2 weeks. The regaining of adhesion was most dominant after three weeks compared to tests carried out for four weeks.

A hypothesis was that the regained adhesion was caused by degradation of the coating by hot NaOH or by intermediates as radicals in the oxygen reduction. The results of electrochemical impedance spectroscopy, adhesion tests and hardness tests indicated that there was no degradation of the coating due to exposure of hot NaOH. The lifetime of a radical was estimated to be too short for the radical to reach and react with the coating.

There is a strong indication that the temperature in the steel affects the area with adhesion and the difference in the disbondment, but no good theory has been found on how this happens.