„Vorbehandlung der Innenfläche von Stahlrohren“ beim Bau von Korrosionsschutzschichten für Rohrleitungen

1. Bedeutung der Oberflächenvorbehandlung
Ziel der Oberflächenvorbehandlung ist es, die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks auf die für die gewählte Beschichtung erforderliche Rostentfernungsqualität und Rauheit zu bringen und eine gute Haftung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Deckschicht zu gewährleisten. Methode und Parameter der Oberflächenvorbehandlung hängen von der Art der Deckschicht ab. Die für die Oberflächenvorbehandlung zuständige Abteilung muss über die entsprechende Ausrüstung und qualifiziertes Fachpersonal verfügen. Alle Oberflächenvorbehandlungen unterliegen einer speziellen technischen Überwachung und Prüfung. Um die Oberflächenvorbehandlung richtig zu verstehen, ist es wichtig, zunächst die Einflussfaktoren vollständig zu kennen. Der dicke vertikale Pfeil verbindet das zu beschichtende Werkstück mit dem Beschichtungsziel. Die Pfeile links und rechts davon zeigen die Faktoren an, die zur Erreichung des gewünschten Ergebnisses beitragen. Sprühverfahren, Abrasivmittel und Trägermaterial werden entsprechend den Eigenschaften, der Art und Größe des Werkstücks sowie dem gewünschten Ergebnis nach der Beschichtung ausgewählt. Aufgrund der vielen Einflussfaktoren ist hierbei größte Sorgfalt geboten. Beim Bau von Korrosionsschutzschichten für Rohrleitungen gilt der Grundsatz „30 % Material, 70 % Ausführung“, der die Bedeutung der Ausführung unterstreicht. Die Oberflächenvorbehandlung der Stahlrohre (grundlegend ist die Rostentfernung) hat dabei höchste Priorität, da ihre Qualität direkt mit der Qualität und Lebensdauer der Deckschicht zusammenhängt. Statistiken in der Fachliteratur belegen, dass die Oberflächenbehandlung der wichtigste Faktor für die Lebensdauer der Deckschicht ist.
Die Kostenanalyse der Deckschicht ergab, dass die Kosten der Oberflächenbehandlung im Allgemeinen etwa 50 % ausmachen. Die Deckschicht der strömungswiderstandsreduzierenden Innenbeschichtung besteht aus einer dünnen Schicht, wenigen Beschichtungsschichten und einer geringen Lackmenge, weshalb die Kosten der Oberflächenbehandlung höher liegen und etwa 70 % betragen. Daher sollte bei der Prozessplanung und -ausführung der strömungswiderstandsreduzierenden Innenbeschichtung besonderes Augenmerk auf die Qualität der Oberflächenvorbehandlung gelegt werden.

2. Hauptfaktoren, die die Qualität der Deckschicht beeinflussen
2.1 Einfluss der Oxidschicht: Unter den hohen Temperaturen beim Walzen und Schweißen bildet sich auf der Oberfläche von Stahlrohren naturgemäß eine Oxidschicht. Diese besteht hauptsächlich aus einem Gemisch von Eisenoxiden. Strukturell lässt sie sich grob in drei Schichten unterteilen: Die äußerste Schicht besteht aus Fe₃O₄ oder Fe₂O₃, die mittlere aus FcO und Fe₃O₄ und die oberflächennahe Schicht aus FeO. Unter dem Einfluss äußerer Umwelteinflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit, Krafteinwirkung, Sauerstoff und Salz reißen, blättern ab und lösen sich. Werden sie nicht vollständig entfernt, hat dies drei wesentliche schädliche Auswirkungen auf die Deckschicht: Erstens ist das Elektrodenpotenzial der Oxidschicht um 0,26 V positiver als das des Stahls. Dadurch wird die Stahloberfläche an den Stellen, an denen sich die Oxidschicht ablöst oder Risse entstehen, zur Anode einer galvanischen Zelle und korrodiert. Zweitens kondensiert Wasserdampf leicht in den Rissen der Oxidschicht. Wird SO2 darin gelöst, kann Eisensulfat entstehen, welches die Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöht und die Korrosion fördert; zweitens kann sich die nicht entfernte, aber lockere Oxidschicht bei starken Temperaturschwankungen in der Rohrleitung vollständig ablösen und ausbeulen, wodurch die Deckschicht reißt und sich ablöst.
2.2 Einfluss von Oberflächenverschmutzungen: Die hier erwähnten Verschmutzungen umfassen Rostprodukte und Staub, die nicht vollständig von der Oberfläche des Stahlrohrs entfernt wurden. Dazu gehören auch Restpartikel, die nach der Oberflächenbehandlung auf der Oberfläche des Stahlrohrs verblieben sind, sowie neu gebildeter Rost, der sich innerhalb der vorgegebenen Zeit nach der Oberflächenbehandlung nicht gebildet hat. Aufgrund dieser Verunreinigungen ist es schwierig, eine glatte und gleichmäßige Beschichtung zu erzielen, wodurch die Haftung auf dem Untergrund geschwächt wird. Die Beschichtung kann daher nicht direkt mit der Stahloberfläche in Kontakt treten, was zu einer verminderten Haftung und einer verkürzten Lebensdauer der Beschichtung führt.
2.3 Einfluss löslicher Salze: Befinden sich lösliche Salze auf der Stahloberfläche unter der Beschichtung, dringt aufgrund der unterschiedlichen osmotischen Drücke innerhalb und außerhalb der Beschichtung Luftfeuchtigkeit durch die Beschichtung bis zur Stahloberfläche. Dort verbindet sie sich mit den löslichen Salzen und verursacht Korrosion sowie das Ablösen der Beschichtung. Chlorid ist dabei das wichtigste lösliche Salz. Aufgrund seiner starken Penetrationsfähigkeit wird dieser Punkt in der Norm Q/SYXQ11 „Ergänzende technische Bedingungen für die strömungswiderstandsreduzierende Beschichtung an der Innenwand von West-Ost-Gaspipelines“ besonders hervorgehoben, insbesondere bei Stahlrohren, die per Schiff transportiert oder längere Zeit in Küstengebieten gelagert werden.
2.4 Einfluss der Rauheit: Die Haftung zwischen der Beschichtung und der Stahlrohroberfläche wird durch die gegenseitige Anziehung zwischen den polaren Gruppen der Beschichtungsmoleküle und den Molekülen der Metalloberfläche bestimmt. Neben physikalischen Effekten (Dispersionskraft, Induktionskraft und Orientierungskraft) ist sie hauptsächlich mechanischer Natur. Nach der Behandlung der Stahlrohroberfläche mit abrasivem Spritzen (Strahlen) erhöht sich die Oberflächenrauheit deutlich, und die Metalloberfläche kann sich sogar um das 20-Fache vergrößern. Mit zunehmender Rauheit steigt die Oberfläche signifikant an, und die Haftung zwischen der Beschichtung und der Stahlrohroberfläche verbessert sich entsprechend. Weist die gestrahlte Oberfläche Kanten und Ecken auf, so vergrößert sich dadurch nicht nur die Oberfläche, sondern es entsteht auch eine geeignete Oberflächengeometrie für die Haftung der Beschichtung, was die molekulare Anziehung und die mechanische Verankerung begünstigt.
Eine unzumutbare Oberflächenrauheit beeinträchtigt die Beschichtung jedoch ebenfalls. Ist die Rauheit beispielsweise zu groß, erhöht sich die benötigte Beschichtungsmenge zum Füllen der Vertiefungen des Ankermusters. Zu tiefe Vertiefungen begünstigen zudem die Blasenbildung, was die Beschichtungsqualität direkt mindert. Ist die Beschichtung dünn, können die Spitzen der Erhebungen leicht freiliegen, wodurch die Beschichtung beschädigt wird und Lochfraßkorrosion entsteht.
Für die strömungswiderstandsreduzierende Innenbeschichtung ist eine Oberflächenrauheit der Stahlrohrinnenwand von üblicherweise 30 bis 50 μm nach der Oberflächenbehandlung erforderlich. Die Oberflächenrauheit hängt von Prozessparametern wie Partikelgröße, -form, -material, Sprühgeschwindigkeit und Einwirkzeit des Abrasivmittels ab, wobei die Partikelgröße den größten Einfluss auf die Rauheit hat.
Es gibt zahlreiche Verfahren zur Oberflächenbehandlung. Für Rohrleitungen ist das gängige Spritzverfahren (Projektilspritzen) am sinnvollsten. Durch den starken Aufprall des Strahlmittels kann die Dauerfestigkeit des Materials um etwa 80 % erhöht werden; auch die Oberflächenhärte wird in unterschiedlichem Maße verbessert; zudem können innere Spannungen an der Schweißnaht abgebaut werden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Stahls deutlich gesteigert wird.

3. Grundlegende Anforderungen an die Oberflächenbehandlung von Stopfen: Die Oberflächenbehandlung von Stahlrohren erfolgt üblicherweise nach technischen Normen. Industrieländer haben sukzessive ihre Qualitätsstandards für die Entrostung formuliert. Der bekannteste dieser Standards ist die schwedische Industrienorm SIS 055900 „Norm für die Oberflächenentrostung von Stahlwerkstoffen vor dem Lackieren“, die weltweit längst übernommen wurde. Die Internationale Organisation für Normung (ISO) hat auf Grundlage der schwedischen Norm die ISO 8501-1 „Vorbehandlung von Stahlwerkstoffen vor dem Lackieren mit Beschichtungen und verwandten Produkten – Visuelle Beurteilung der Oberflächenreinheit – Teil 1: Rostgrad und Entrostungsgrad von unbeschichteten Stahlwerkstoffen und Stahlwerkstoffen nach vollständiger Entfernung der ursprünglichen Beschichtung“ formuliert. Auch in meinem Land wurde die Norm GB 8923 „Rostgrad und Entrostungsgrad von Stahlwerkstoffen vor dem Lackieren“ in Anlehnung an ISO-Normen entwickelt. Die Erdölindustrie hat zudem die Norm SY/T 0407 „Spezifikationen für die Oberflächenvorbehandlung von Stahlwerkstoffen vor dem Lackieren“ in Verbindung mit GB 8923 formuliert. Im Folgenden finden Sie einige Auszüge aus den wichtigsten Punkten der Norm.
3.1 GB 8923 „Rostgrad und Rostentfernungsgrad von Stahloberflächen vor dem Lackieren“: GB 8923 „Rostgrad und Rostentfernungsgrad von Stahloberflächen vor dem Lackieren“ konzentriert sich auf die Klassifizierung von Rostgraden und Rostentfernungsgraden, die visuelle Beurteilung und die Verwendung von Farbfotos von Standardmustern.
(1) Rostgrad Vor der Rostentfernung wird der ursprüngliche Rostzustand der Stahloberfläche in vier Grade eingeteilt, die mit A, B, C und D bezeichnet werden. Nach der Rostentfernung sollte er mit dem ursprünglichen Rostgrad verglichen werden:
Eine Stahloberfläche, die vollständig mit Oxidschicht bedeckt ist und fast keinen Rost aufweist;
B Stahloberfläche, die verrostet ist und bei der sich ein Teil der Oxidschicht abgelöst hat;
C Stahloberfläche, bei der sich die Oxidschicht aufgrund von Rost abgelöst hat oder abkratzen lässt und die eine geringe Menge an Lochfraß aufweist;
D Stahloberfläche, bei der die Oxidschicht aufgrund von Rost vollständig abgeplatzt ist und die großflächig Lochfraß aufweist. (2) Rostentfernungsgrad: GB 8923 „Rostgrad und Rostentfernungsgrad von Stahloberflächen vor dem Lackieren“ unterscheidet Rostentfernungsgrade nach verschiedenen Rostentfernungsverfahren und ordnet diese anschließend unterschiedlichen Stufen zu. „Sa“, „St“ und „Fl“ stehen für Sprüh- (Strahl-)Rostentfernen, manuelles und maschinelles Rostentfernen bzw. Flamm-Rostentfernen. Die arabischen Ziffern nach den Buchstaben geben den Grad der Rostentfernung an. ① Sprüh- oder Strahl-Rostentfernen wird mit „Sa“ bezeichnet und in vier Stufen unterteilt, die wie folgt beschrieben werden: Sa1 Leichtes Sprüh- oder Strahl-Rostentfernen: Die Stahloberfläche darf keine sichtbaren Fett- und Schmutzreste aufweisen und keine lose anhaftende Oxidschicht, Rost oder Beschichtung enthalten. Sa2 Gründliches Sprüh- oder Strahl-Rostentfernen: Die Stahloberfläche darf keine sichtbaren Fett- und Schmutzreste aufweisen, Oxidschicht, Rost und Beschichtung sind im Wesentlichen entfernt, und die Rückstände müssen fest haften. Sa2.5 Sehr gründliches Strahlen und Entfernen von Rost: Die Stahloberfläche darf keine sichtbaren Fett-, Schmutz-, Oxid-, Rost- oder Beschichtungsrückstände aufweisen; verbleibende Spuren sollten nur leichte Flecken oder Streifen sein. Sa3 Entrosten durch Sprühen oder Strahlen, wodurch die Stahloberfläche sauber wird: Die Stahloberfläche darf keine sichtbaren Fett-, Schmutz-, Oxid-, Rost- oder Beschichtungsrückstände aufweisen und sollte eine gleichmäßige metallische Farbe zeigen.
② Manuelle und elektrische Rostentfernung. Gekennzeichnet durch „St“. GB 8923 gibt zwei Stufen an, nämlich:
St2 Gründliche manuelle und elektrische Rostentfernung: Auf der Stahloberfläche dürfen sich keine sichtbaren Fett- und Schmutzreste befinden, und es dürfen keine lose anhaftenden Oxidschichten, Rost oder Beschichtungen vorhanden sein.
St3 Gründliche manuelle und maschinelle Rostentfernung: Die Stahloberfläche darf keine sichtbaren Fett- und Schmutzreste sowie keine lose anhaftenden Oxidschichten, Rost oder Beschichtungen aufweisen. Die Rostentfernung muss gründlicher als bei St2 sein, und die freigelegte Oberfläche des Untergrunds muss metallisch glänzen.
③ Flammenentrostung (gekennzeichnet durch „F1“): Die Flammenentrostung umfasst die Entfernung der nach der Flammenbehandlung an der Stahloberfläche haftenden Rückstände mithilfe einer motorbetriebenen Drahtbürste. Die Norm sieht nur eine Stufe vor:
F1 Flammenentrostung: Die Stahloberfläche sollte frei von Oxidschichten, Rost, Beschichtungen und anderen Anhaftungen sein; etwaige Restspuren sollten lediglich oberflächliche Verfärbungen (Schattierungen unterschiedlicher Farben) sein.
(3) Bewertung des Rostgrades und des Entrostungsgrades Die Bewertungsmethoden und Anforderungen an die visuelle Beurteilung und die Standardfotos sind in GB 8923 festgelegt. Bei der Bewertung des Rostgrades wird der im Foto des entsprechend stärkeren Rostgrades angegebene Rostgrad als Bewertungsergebnis herangezogen; bei der Bewertung des Entrostungsgrades wird der im Foto angegebene Entrostungsgrad herangezogen, der dem Erscheinungsbild der Stahloberfläche am nächsten kommt. Viele Faktoren beeinflussen die visuelle Beurteilung des Entrostungsgrades von Stahloberflächen, darunter: ① Die zum Sprühen oder Strahlen verwendeten Strahlmittel und Werkzeuge zur manuellen und elektrischen Entrostung; ② Der Rostzustand von Stahloberflächen, der nicht dem Standardrostgrad entspricht; ③ Die Farbe des Stahls selbst; ④ Unterschiede in der Rauheit verschiedener Bereiche aufgrund unterschiedlicher Korrosionsgrade; ⑤ Unebene Oberflächen, wie z. B. Vertiefungen; ⑥ Werkzeugkratzer; ⑦ Ungleichmäßige Beleuchtung. ⑧ Schatten, die durch unterschiedliche Winkel des auf die Oberfläche auftreffenden Schleifmittels beim Sprühen oder Strahlen der Rostentfernung entstehen; ⑨ In die Oberfläche eingebettete Schleifmittel.
3.2 SY/T 0407 „Spezifikationen für die Oberflächenvorbereitung von Stahlwerkstoffen vor dem Lackieren“: Diese Spezifikation ist in Verbindung mit GB 8923 anzuwenden und basiert größtenteils auf dem SSPC-Standard des American Steel Structure Painting Committee. Zusammen mit den relevanten Inhalten der Anforderungen an die Strömungswiderstandsreduzierung in Rohrleitungen ergibt sich folgende kurze Einführung:
(1) Oberflächenbehandlung vor und nach dem Strahlen zur Entrostung: Vor dem Strahlen zur Entrostung sind sichtbare Öl-, Fett- und Schmutzreste von der Stahloberfläche zu entfernen. Nach der Entrostung und vor dem Lackieren sind schwimmender Rost und Staub von der Werkstückoberfläche mittels trockener, schlauchloser Druckluft, Staubsauger oder Bürste zu entfernen. Die Stahloberfläche sollte nach dem Strahlen zur Entrostung lackiert werden, bevor sie verunreinigt wird. Ist die Stahloberfläche vor dem Lackieren bereits verunreinigt, muss sie erneut gereinigt werden.
(2) Auswahl der Schleifmittel: Gemäß den Ergebnissen des Sprühtests sind Zirkonsand und Drahtkörner die besten Schleifmittel, Korund das schlechteste. Gebrochenes Gusseisen und zwei Arten von geschmolzenem Korund liegen dazwischen. Die Oberflächenentrostung mit Korund ist sehr langsam und ineffizient, und es entsteht starker Staub. Drahtkörner eignen sich besonders für die Entrostung empfindlicher Querschnitte, und auch Sand erzielt eine gute Entrostungswirkung, jedoch erzeugen beide Staub. Bei geschmolzenem Korund ist die benötigte Schleifmittelmenge fast halb so groß wie bei Zirkonsand, gebrochenem Gusseisen und Drahtkörnern. Für die gleiche Entrostungswirkung ist die benötigte Menge an Eisenschleifmitteln 2- bis 3-mal geringer als die von mineralischen Materialien. Das heißt, schwere Partikel erzielen eine bessere Entrostungswirkung als leichte. Die für eine bestimmte Entrostungswirkung erforderliche Sprühzeit hängt vom gewählten Schleifmittel ab. Die Rostentfernungsleistung pro Zeiteinheit nimmt in folgender Reihenfolge ab: Sand, Zirkonsand, Gusseisengranulat, 0,65-mm-Drahtgranulat, 0,97-mm-Drahtgranulat, 0,72-mm-Schmelzkorund, 0,75-mm-Schmelzkorund und Korund. Im praktischen Einsatz entfernt 0,65-mm-Drahtgranulat Rost schneller als 0,97-mm-Drahtgranulat. Die Auswahl der Schleifmittel sollte sich nach Stahlsorte, -typ, ursprünglichem Rostgrad, Art der Beschichtung, Rostentfernungsverfahren und der für die Beschichtung erforderlichen Oberflächenrauheit richten. Metallische Schleifmittel wie Stahlgusskugeln, Gusseisenkugeln, Stahlgusssand, Gusseisensand und Stahldrahtsegmente eignen sich für die Sprüh- (Schleuder-)Rostentfernung. Die Schleifmittel sind gemäß Tabelle 5-2 nach den Anforderungen des Beschichtungssystems an die Verankerungstiefe auf der Stahloberfläche auszuwählen. Die Härte der Stahlkugeln in der Tabelle beträgt HRC 40–50, die des Stahlsands HRC 55–60. Die in der Tabelle angegebene typische Verankerungstiefe entspricht der maximalen und durchschnittlichen Oberflächenrauheit, die unter optimalen Sprühbedingungen (Projektilsprühung, Laufrad oder Düse) zu erreichen ist. Der Standardanhang enthält die Spezifikationen, die Zusammensetzung, die Härte und weitere Leistungsanforderungen des Stahldrahtsegments. Bei der Oberflächenbehandlung erzeugt die Zugabe einer bestimmten Menge Stahldrahtsegmente zum Schleifmittel scharfe Rauheitsspitzen und -täler, was die mechanische Haftung zwischen Beschichtungsfilm und Stahloberfläche deutlich verbessert. Der Schleifmittelverbrauch wird durch die Schleifmittelstandzeit bestimmt, die sich nur schwer definieren lässt. Sie basiert üblicherweise auf der Fragmentierung des Schleifmittels. In der Praxis spricht man von „Nutzungszeiten“, um die Lebensdauer anzugeben, welche die relativen Kosten bestimmt.
3.3 GB/T13288 „Bewertung der Oberflächenrauheit von Stahl vor dem Lackieren“: Diese Norm gilt für Stahloberflächen, deren Entrostungsgrad nach dem Sandstrahlen mit metallischen oder nichtmetallischen Strahlmitteln höher ist als Sa2.5 gemäß GB 8923 „Rostgrad und Entrostungsgrad von Stahloberflächen vor dem Lackieren“. Die nach dem Sandstrahlen vor dem Lackieren entstehende Oberflächenrauheit wird in drei Rauheitsgrade unterteilt.
Der Einfluss der Rauheitsparameter auf die Deckschicht hängt von folgenden Faktoren ab:
①Vergrößern der Oberfläche, Verbessern der Haftung der Beschichtung und Erhöhen des Aktivierungszustands der Oberfläche;
②Die Beschichtungsmenge beeinflussen;
③ Beeinträchtigen die Schutzwirkung der Deckschicht und die Belichtung des Peaks.
Die Größe der Rauheit hängt von folgenden Faktoren ab:
① Art und Spezifikation des Schleifmittels;
②Die Sprühgeschwindigkeit und der Sprühwinkel des Abrasivmittels;
③Die Durchflussrate und Einwirkzeit des versprühten Abrasivmittels;
④ Art, Härte und Oberflächenstruktur des Werkstücks selbst.
3.4 Prüfnormen für lösliches Chlorid: Die Norm ISO 8502-2 „Labormäßige Bestimmung von Chlorid auf sauberen Oberflächen“ beschreibt ein Prüfverfahren für lösliches Chlorid auf Stahloberflächen. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein bestimmter Bereich der Stahloberfläche gereinigt. Anschließend wird das im gereinigten Stahl enthaltene Chlorid mittels Quecksilbernitrat-Titration mit Diphenylcarbazon-Bromphenolblau als Indikator analysiert und bestimmt. Weitere relevante Normen sind ISO 8502-5 „Nachweis von Chlorid auf der Oberfläche von zu lackierendem Stahl – Chloridionen-Detektionsröhrchenverfahren“, ISO 8502-6 „Probenahmeverfahren für lösliche Verunreinigungen auf zu lackierenden Oberflächen“ und ISO 8502-7 „Analyse löslicher Verunreinigungen auf zu lackierenden Oberflächen – Chloridionen-Feldanalyseverfahren“.

4. Vorbehandlung der Innenfläche von Stahlrohren
Um die Qualität und Lebensdauer der Innenbeschichtung zu gewährleisten, muss die Beschichtungsoberfläche vor der Beschichtung gründlich vorbehandelt werden. Im Vergleich zur Korrosionsschutzbeschichtung ist die reibungsmindernde Innenbeschichtung dünner, daher sollte die Oberflächenrauheit fein (F) sein. Gemäß den Anforderungen der Norm Q/SY xQ11 beträgt die Rostentfernungsklasse Sa2.5 und die Rauheit 30–50 µm.
Unter den verschiedenen Oberflächenbehandlungsverfahren ist das Sprühstrahlen der Rohrleitungsinnenwand am besten geeignet. Die konkrete Auswahl richtet sich nach dem Rohrdurchmesser und den Anlagenbedingungen. Kugelstrahlen eignet sich für Rohre mit großem Durchmesser, Sandstrahlen für Rohre mit kleinem Durchmesser (z. B. unter 762 mm). Das Niederländische Metallforschungsinstitut hat eine spezielle Studie zur Rostentfernung durch Sprühen durchgeführt und geht davon aus, dass diese als eine Art Abriebeffekt betrachtet werden kann, der durch Erosion erzielt wird. Im Folgenden werden Punkte zur Technologie der Rostentfernung durch Sprühen erläutert.
(1) Die Geschwindigkeit der versprühten Partikel ist entscheidend für deren kinetische Energie und wird maßgeblich durch abprallende Partikel beeinflusst. Die Partikelgeschwindigkeit ist eine Funktion des Sprühabstands. (2) Der Sprühwinkel bestimmt den Grad der Partikelkollision während des Sprühvorgangs; dieser ist maximal bei einem Sprühwinkel von 45°. (3) Die Partikelgröße ist für die Gleichmäßigkeit der Rostentfernung von entscheidender Bedeutung. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, muss eine optimale Partikelgröße erreicht werden. Diese hängt maßgeblich von den Eigenschaften der Oberflächenschicht (Walzzunder, Rost oder Gusskruste) und dem Zustand der darunterliegenden Oberfläche ab.
4.1 Kugelstrahlen: Beim Kugelstrahlen wird die Zentrifugalkraft der schnell rotierenden Strahlschaufeln einer Kugelstrahlanlage genutzt, um Strahlmittel (Stahlkugeln, Stahldrahtsegmente, kantiger Stahlsand usw.) mit hoher Geschwindigkeit auf die Innenwand des zu behandelnden Rohrs zu schleudern. Dadurch entsteht ein Klopf- und Schleifeffekt, der Zunder und Rost entfernt, die ursprüngliche Metallfarbe freilegt und eine raue Oberfläche erzeugt, die eine gute Haftung der Farbe gewährleistet. Kugelstrahlen entfernt nicht nur Zunder und Rost von der Stahlrohroberfläche, sondern verstärkt diese auch, beseitigt Eigenspannungen und verbessert die Dauerfestigkeit und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit. Es zeichnet sich durch hohe Strahlmittelausnutzung, schnelle Rostentfernung und geringe Kosten aus und eignet sich daher für großtechnische Anwendungen. Aus diesem Grund ist Kugelstrahlen die erste Wahl für die Innenflächenbehandlung von Stahlrohren. Die Anforderungen an den Kugelstrahlprozess sind: Vorwärmen der Stahlrohre, Rostentfernung durch Kugelstrahlen und Oberflächenreinigung.
(1) Vorwärmen von Stahlrohren: Beim Vorwärmen wird die Innenfläche des Rohrs erwärmt, um Feuchtigkeit und Ölreste zu entfernen. Zu den Vorwärmverfahren zählen Mittelfrequenz-Induktionserwärmung, Flammenerwärmung und Heißwassersprüherwärmung. Das Verfahren sollte den örtlichen Gegebenheiten angepasst, wirtschaftlich und praktikabel sowie mit der Montagelinie kompatibel sein.
① Mittelfrequenzheizung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Die Induktionsspule ist auf der Walze angebracht, wodurch wenig Platz benötigt und weniger Energie verbraucht wird. Allerdings ist die Mittelfrequenzheizung bei der Entfernung von Öl und Schmutz von Oberflächen nicht sehr effektiv.
② Bei der Flammenheizung wird sauberes Flüssiggas verbrannt und die Innenfläche des Stahlrohrs direkt mit Flammen erhitzt, wodurch die Oberflächenfeuchtigkeit verdampft. Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine ausreichende Flüssiggasversorgung.
③Die Heißwassersprühheizung ist zwar effektiv bei der Entfernung von Öl und Schmutz, die Anlage ist jedoch komplex und benötigt eine Dampfquelle, eine Heißwasserpumpe und einen Belüftungsraum zur Heißwasserverdampfung, der eine große Fläche beansprucht.
(2) Kugelstrahlen und Entrostung: In der Produktionslinie wird das Kugelstrahlen in einer Kugelstrahlanlage durchgeführt. Diese besteht aus einem Kugelstrahlkopf, einem Strahlmittelkreislauf, einer Strahlmittelreinigungseinrichtung sowie einer Belüftungs- und Entstaubungsanlage. Beim Eintritt des Stahlrohrs in die Kugelstrahlanlage rotieren die Schaufeln des Kugelstrahlkopfs motorgetrieben mit hoher Geschwindigkeit und erzeugen so eine starke Zentrifugalkraft. Durch diese Zentrifugalkraft wird das Strahlmittel entlang der Schaufel beschleunigt und ausgestoßen. Der Strahl bildet einen fächerförmigen Strahl und trifft auf die Innenfläche des Stahlrohrs, um Zunder und Rost zu entfernen. Nach dem Ausstoß wird das verbrauchte Strahlmittel vom Strahlmittelkreislauf aufgefangen, gesiebt und zur Wiederverwendung dem Zuführungspunkt zugeführt.
(3) Oberflächenreinigung: Die gestrahlten Stahlrohre enthalten Strahlstaub, Rostrückstände und andere Verunreinigungen, die entfernt werden müssen. Bei älteren Anlagen wurden die Stahlrohre gekippt, um die Rückstände auszuschütten. Dieses Verfahren ist energie- und zeitaufwendig und wird daher in modernen Anlagen kaum noch angewendet. Die neue Reinigungsmethode besteht im Abblasen mit Druckluft oder einem Staubsauger. Angesichts des gestiegenen Bewusstseins für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz (HSE) sollten in der Strahlanlage Belüftungs- und Entstaubungsanlagen installiert werden, um den beim Strahlprozess entstehenden Staub abzusaugen und die Strahlmittel abzutrennen und zurückzugewinnen.
(4) Strahlmittel: Als Strahlmittel für das Kugelstrahlen werden hauptsächlich Eisenkugeln, Stahlkugeln, Stahldrahtsegmente und kantiger Stahlsand verwendet. Stahlkugeln sind aus wirtschaftlicher und praktischer Sicht besser geeignet, während Stahldrahtsegmente hinsichtlich des Strahlergebnisses überlegen sind. Das ideale Strahlmittelgemisch für das Kugelstrahlen besteht aus Stahlkugeln und Stahldrahtsegmenten oder aus Stahlkugeln und Stahlsand im Verhältnis 1:1 bis 2:1.
4.2 Sandstrahlen (Kugelstrahlen): Beim Sandstrahlen wird Druckluft eingesetzt, um Strahlmittel (Sand oder Kugeln) mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf die Stahloberfläche zu sprühen. Durch den Aufprall und die Schleifwirkung der Strahlmittel werden Zunder, Rost und andere Verunreinigungen von der Metalloberfläche entfernt. Die Sandstrahlanlage besteht im Allgemeinen aus: einem Druckluftsystem (Verarbeitung, Speicherung); Düse, Schlauch, Strahlmittelrückgewinnungssystem; einer elektronischen Steuerung für die Strahlführung; einer Staubabsaugung sowie einem Druckluft- und Sandzufuhrsystem. Viele Faktoren beeinflussen die Rostentfernungswirkung des Sandstrahlens, wie z. B. der Luftdruck, die Art und Spezifikation der Strahlmittel, der Sprühwinkel und die Strahlgeschwindigkeit, der Abstand der Düse zur Stahloberfläche usw. Die Strahlmittel sollten entsprechend den Anforderungen der Oberflächenbehandlung und dem Ausgangszustand der Stahloberfläche ausgewählt werden. Üblicherweise werden Stahlkugeln, Stahldrahtsegmente, kantiger Stahlsand, Quarzsand oder deren Gemische verwendet. Die Anforderungen an den Rostentfernungsgrad und die Oberflächenrauheit beim Sandstrahlen (Kugelstrahlen) entsprechen den Inhalten der Qualitätsprüfung und den oben genannten Normen. Die Ergebnisse zeigen, dass Sandstrahlen (Kugelstrahlen) und Kugelstrahlen gleichwertige Ergebnisse liefern. Wirtschaftlichkeit und die Gegebenheiten vor Ort sind die Hauptkriterien für die Verfahrenswahl. Beispielsweise ist bei einem Rohrdurchmesser unter 762 mm der Abstand zwischen Strahlkopf und zu behandelnder Oberfläche zu gering, sodass Kugelstrahlen nicht möglich ist und stattdessen Sandstrahlen (Kugelstrahlen) angewendet werden muss. Sandstrahlen (Kugelstrahlen) ist eine ausgereifte Technologie, und die entsprechenden Anlagen sind kommerziell erhältlich. Bei der Vorbehandlung der Rohrleitungsinnenseite kann dieses Verfahren mit geringfügigen Anpassungen eingesetzt werden.
4.3 Reinigung: Die gestrahlte Oberfläche muss mit einer Bürste, Druckluft oder einem Staubsauger gereinigt werden. Dies dient der Entfernung von Rost und feinen, abrasiven Partikeln, die sich aus den Vertiefungen des Strahlmusters lösen. Bei Stahlrohren mit großem Durchmesser wird üblicherweise das Spülverfahren angewendet. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen wird ein Hochleistungssauger eingesetzt, um den Hauptstaub und die Stahlkugeln, die beim Entrosten während des Strahlprozesses entstehen, abzusaugen. Bevor der verbleibende Feinstaub in das Rohr eingebracht wird, wird die Druckluftzufuhr der Spritzpistole eingeschaltet. Die Spritzpistole beginnt dann, die Innenfläche des Stahlrohrs zu spülen. Dabei wird die Spritzpistole von einem Ende des Stahlrohrs zum anderen geführt, und der Staub wird am anderen Ende vom Staubsauger abgesaugt. Eine weitere Methode besteht darin, das Stahlrohr mithilfe einer Gießvorrichtung in einem bestimmten Winkel anzuheben, sodass die Stahlkugeln in die Auffangvorrichtung gleiten. Anschließend wird die Innenwand des Stahlrohrs gespült und der feine Staub mit einem Staubsauger abgesaugt. Bei nassbehandelten Oberflächen muss diese mit Frischwasser und ausreichend Korrosionsschutzmittel gespült oder zunächst mit Frischwasser gespült und anschließend passiviert werden. Gegebenenfalls sollte zur Nachbehandlung eine Bürste verwendet werden, um alle Rückstände zu entfernen.

5. Qualitätskontrolle: Bei der Qualitätskontrolle der Innenoberflächenbehandlung von Stahlrohren gibt es zwei Hauptaspekte, nämlich Reinheit und Rauheit.
5.1 Reinheit: Gemäß den Anforderungen der Normen ISO 8501-1 und GB 8923 muss die Innenfläche des Stahlrohrs mit strömungswiderstandsreduzierender Beschichtung nach der Behandlung den Reinheitsgrad Sa2.5 erreichen. Dieser Reinheitsgrad ist wie folgt definiert: Die Stahloberfläche muss frei von sichtbarem Fett, Schmutz, Zunder, Rostfarbe und anderen Ablagerungen sein; etwaige Restspuren dürfen nur leichte Flecken oder Streifen aufweisen. Die Reinheit kann visuell überprüft werden. Darüber hinaus bietet die Norm ISO 8502 ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenreinheit.
Die Norm ISO 8502-1 beschreibt ein Nachweisverfahren für lösliche Eisensalze auf der Oberfläche von oberflächenbehandeltem Stahl. Das Verfahren besteht im Wesentlichen darin, die Stahloberfläche mit Wasser zu reinigen, das lösliche Eisensalz darin zu lösen und anschließend die Reinigungslösung mithilfe von 2,2-Bipyridin als Indikator kolorimetrisch zu messen. Als Referenzwert gilt: Bei einem Eisenionengehalt von weniger als 15 mg/m² auf der Stahloberfläche ist davon auszugehen, dass die Beschichtung nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Die Norm ISO 8502-2 beschreibt ein Laborprüfverfahren zur Bestimmung des Gehalts an wasserlöslichen Oxiden auf der Oberfläche von Stahlrohren. Dieses Verfahren kann sowohl vor als auch nach der Oberflächenbehandlung angewendet werden. Es sieht vor, dass ein bestimmter Bereich der Stahloberfläche zunächst mit einem bekannten Wasservolumen gereinigt wird. Das Reinigungswasser wird aufgefangen und anschließend der Chloridgehalt der Reinigungslösung mittels Quecksilbernitrat-Titration mit Diphenylcarbazon-Bromphenolblau als Indikator analysiert und bestimmt wird. Während der Titration reagieren Quecksilberionen mit freien Sauerstoffionen zu HgCl₂. Nach Verbrauch der Chloridionen färbt sich der überschüssige Quecksilbergehalt in der Indikatorlösung violett, was das Ende der Titration anzeigt. Der Prüfparameter Q/SY XQ11 bezieht sich auf einen 20-mg/m²-Indikator gemäß einschlägiger ausländischer Normen. Dieser Indikator gibt jedoch an, ob das Stahlrohr vor der Oberflächenbehandlung gespült werden muss. Gemäß den Anforderungen der ISO-Normen ist nach der Reinigung eine erneute Prüfung erforderlich. Tabelle 5-5 ist der Anforderungsindex ausländischer Normen für den Salzgehalt auf der Oberfläche von Stahlrohren.
Die Norm ISO 8502-3 dient der Beurteilung des Staubbelastungsgrades von Stahloberflächen vor dem Lackieren. Sie unterteilt den Staubbelastungsgrad in fünf Stufen, die in Standarddiagrammen definiert sind. Zur Bestimmung des Staubbelastungsgrades wird die Stahloberfläche mit einem druckempfindlichen Klebeband beklebt und anschließend mit dem Standarddiagramm verglichen. Die Norm ISO 8502-4 beschreibt ein Verfahren zur Beurteilung der Kondensationsgefahr auf Stahloberflächen vor dem Lackieren. Dabei wird der Taupunkt unter den entsprechenden Umgebungsbedingungen durch Messung von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit ermittelt. Anschließend wird die Oberflächentemperatur des Stahls gemessen und die Kondensationsgefahr anhand der Differenz zwischen Taupunkt und Umgebungstemperatur bewertet. Bei lösemittelbasierten Lacken muss die Oberflächentemperatur des zu lackierenden Stahlrohrs mindestens 3 °C über dem Taupunkt der Umgebungsluft liegen.

Darüber hinaus hat die Internationale Organisation für Normung (ISO) im Rahmen des ISO/TC35/SCl2-Projekts weitere relevante Normen für Prüfverfahren zur Oberflächenreinheit formuliert. Neben den bereits erwähnten Normen ISO 8502-5, ISO 8502-6 und ISO 8502-7 gibt es folgende: ISO 8502-8 Analyse löslicher Verunreinigungen auf der zu lackierenden Oberfläche – Sulfat-Vor-Ort-Analyseverfahren; ISO 8502-9 Analyse löslicher Verunreinigungen auf der zu lackierenden Oberfläche – Eisensalz-Vor-Ort-Analyseverfahren; ISO 8502-10 Analyse löslicher Verunreinigungen auf der zu lackierenden Oberfläche – Fett-Vor-Ort-Analyseverfahren; ISO 8502-11 Analyse löslicher Verunreinigungen auf der zu lackierenden Oberfläche – Feuchtigkeits-Vor-Ort-Analyseverfahren.
Rauheit: Die Norm GB 13288, die auf ISO-Normen basiert, enthält entsprechende Bestimmungen zur Rauheitsmessung nach der Oberflächenbehandlung. Die Schritte sind: Staub und Schmutz von der Oberfläche entfernen, je nach Schleifmittel geeignete Vergleichsproben („G“-Probe und „S“-Probe) auswählen und diese zur visuellen Vergleichung nahe an einen bestimmten Messpunkt auf der zu prüfenden Stahloberfläche halten. Der Rauheitsgrad der Probe, die der Oberfläche des zu prüfenden Stahls am nächsten kommt, ist der Bewertungsgrad. Wird eine Lupe zur Bewertung verwendet, sollten Probe und Oberfläche des zu prüfenden Stahls gleichzeitig unter der Lupe betrachtet werden. Ist die visuelle Bewertung schwierig, kann ein Holzstift mit dem Daumennagel oder Daumen und Zeigefinger gehalten und über verschiedene Stellen der Prüfoberfläche und der Vergleichsprobe bewegt werden. Der Rauheitsgrad der Probe, die der Oberfläche am nächsten kommt, ist das Bewertungsergebnis. Die Referenzprobe für die Oberflächenrauheit ist eine ebene Platte, die in vier Segmente mit jeweils definierter Referenzrauheit unterteilt ist. Der Referenzwert für die Oberflächenrauheit der Vergleichsprobe muss den Vorgaben der Tabelle 5-6 entsprechen, und ihre intuitive Oberflächenreinheit sollte nicht unter Sa2,5 liegen. Die Probe, die die durch das Strahlen mit kantigem Sand (GRIT) erzielten Oberflächenrauheitseigenschaften widerspiegelt, wird als „G“-Probe bezeichnet; die Probe, die die durch das Strahlen mit Kugelstrahl (SHOT) erzielten Oberflächenrauheitseigenschaften widerspiegelt, wird als „S“-Probe bezeichnet. Es gibt viele Methoden zur Messung der Oberflächenrauheit. Die Rauheitsvergleichsmethode ist in der Produktion weit verbreitet. Der Keane-tator-Rauheitsvergleicher ist ein gängiges Instrument. Er besteht aus einer Standardschablone mit fünf zusammenlaufenden Segmenten. Die fünf Segmente sind sternförmig angeordnet, wobei sich in der Mitte des Sterns eine Öffnung befindet. Jedes Segment stellt eine Standardrauheitsschablone dar. Bei der Anwendung wird die Schablone auf die zu prüfende Oberfläche gelegt, und mithilfe einer speziellen Lupe, die über der mittleren Öffnung platziert wird, wird die zu prüfende Oberfläche mit dem Standardsegment verglichen, um den Wert der Oberflächenrauheit zu bestimmen. Diese Methode ist einfach und benutzerfreundlich, erfordert keine komplexen Werkzeuge und liefert zuverlässige Testergebnisse. Die Reibpapiermethode ist eine weitere gängige Prüfmethode. Dabei wird ein spezielles Reibeband verwendet. Zur Anwendung wird die Papierrückseite abgezogen, die Latexseite des Bandes auf die Stahloberfläche gelegt und die Rückseite des Bandes mit einem glatten oder stumpfen Werkzeug in kreisenden Bewegungen abgerieben, bis die Oberfläche gleichmäßig grau erscheint. Anschließend wird das Band entfernt und die Dicke des Reibebandes mit einem Federmikrometer gemessen. Um die Rauheitshöhe der Schicht zu ermitteln, werden 50,8 µm vom Messwert des Mikrometers abgezogen, um die Dicke der Filmpolsterschicht zu kompensieren. Das Messgerät muss während der Messung kalibriert werden. Diese Methode ist in ASTM D 4417, Methode C, beschrieben. Sie ist einfach und benutzerfreundlich, und der Reibabdruck kann dauerhaft als Archiv im Produktionsprozess aufbewahrt werden.