管道防腐涂层新发展

BMA004

李远利1,雍歧卫2,刘志3    (1.后勤工程学院研究生管理大队,重庆400016;2.后勤工程学院军事供油工程系,重庆400016;3.四川天驰油气工程建设有限责任公司川东分公司,重庆400021)          摘要:综述了国内外管道防腐涂层的应用现状,着重介绍了管道防腐涂层材料与技术的新发展,对管道防腐涂层的发展前景做出了展望。
    关键词:管道;腐蚀;防腐涂层;现状;发展前景
    0引言
    金属腐蚀是一个重大的经济问题,我国每年因金属腐蚀造成的损失高达数千亿人民币,在一些工业发达国家金属腐蚀所带来的损失甚至占到了年国民生产总值的3%以上,在这当中管道腐蚀占了不小的比例。随着经济的持续快速发展,我国的能源需求量不断增大,管道建设量也越来越大,将要建设的石油天然气管道达4万千米以上,各个城市规划中将要建设的各种供气、供水、供热管道更是数不胜数,这使得管道腐蚀的防护变的越来越重要。管道防腐通常是采用防腐层与阴极保护的联合防护方法,管道防腐层是第一道屏障,直接关系到管道的防腐性能和运行寿命。所以,加强对防腐涂层的研究对整个管道的腐蚀控制具有重大意义。
    1管道防腐涂层的应用现状
    自20世纪50年代的克独长输管线引用了前苏联的石油沥青防腐技术以来,石油沥青在相当长的一段时期内一直是我国最常采用的防腐层。到七八十年代,胶带、夹克、环氧粉末等多种防腐材料相继投入应用,石油沥青一统天下的局面才开始改变。1995年,煤焦油瓷漆防腐层开始在轮库复线、靖西等管道中应用,到90年代后期,熔结环氧粉末(FBE)和三层聚乙烯(三层PE)两种防腐层逐渐成为主流,近几年双层环氧(双层FBE)也逐步开始规模应用。目前我国在建的长输管道防腐层材料主要为熔结环氧粉末、三层聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆;油田内部主要集输管道多采用熔结环氧粉末、三层聚乙烯,非主要管道仍采用石油沥青;城市供水、供气管道多采用环氧煤沥青和胶带。1985—1999年我国管道外防腐层材料用量统计(按管道长度)见表1[1]。
    在国外,目前在防腐涂层的选用上有着两种明显不同的观点:北美地区一般偏向于FBE,欧洲则偏向于PE。美国的有关统计表明当前的防腐层是FBE、PE和煤焦油三足鼎立的局面,其他早期的一些防腐层应用的数量与范围在逐步缩减。1992—1996年国外管道外防腐层材料用量统计(按面积所占比例)见表2[2]。
  2管道防腐涂层新发展
    当前,世界各国均十分重视对腐蚀控制问题的研究,在管道防腐涂层领域也取得了许多成果,各种新材料、新技术不断涌现。
    2.1三层聚乙烯(三层PE)
    在20世纪80年代德国曼内斯曼公司发明了被称为“完美涂层”的三层聚乙烯。其制作工艺是首先在钢管表面喷涂一层环氧底漆,再将钢管按一定的旋转速度送入涂敷区,第一台挤出机按一定厚度和密度挤出胶粘剂薄膜并缠绕在钢管表面,在胶粘剂还处在熔化状态时,第二台挤出机挤出聚乙烯薄膜并缠绕在胶粘剂外而形成涂层。三层PE防腐层的结构是:底层为FBE,约50～127μm,中间层为共聚物胶,约200μm,外层为聚乙烯,约3mm。这一结构将FBE的高粘结性、抗氧性、耐化学腐蚀及耐阴极剥离性能和高密度聚乙烯的抗潮气、电绝缘及抗机械损伤的性能结合成一个完美的有机整体,具有与管道表面粘结力强、电绝缘性能好、耐冲击、寿命长等突出优点,而且阴极保护电流密度小,只有1～3μA/m2。

表1 1985-1999年我国管道外防腐层材料用量统计

    三层PE使用寿命预计达40年以上,但价格较昂贵,目前在欧洲应用较多,而美国应用较少。我国自1995年引进以来,主要钢管厂都建立了三层PE防腐生产线。陕京输气管道、库鄯管道共计约有2000km使用了三层PE,西气东输管道工程也使用了该防腐层。
   2.2双层环氧(双层FBE)
    双层环氧由美国OBRIEN公司发明,它将单层FBE的防腐性能与表层塑性FBE的抗机械损伤性能结合在一起,表现出粘结性能强、使用温度高(-60～100℃)、耐土壤应力、耐冲击能力和抗阴极剥离性能好的特点。
    双层FBE由两种不同性能的环氧粉末在喷涂过程中一次喷涂成膜完成,底层环氧防腐层与单层FBE相同,用以提供防蚀功能,外层FBE为增塑性环氧粉末层,主要用于抗机械损伤。两层厚度一般为525～1000μm,可适用于各种口径的管子,并适用于补口、弯头、异型构件的防腐需要。可根据不同使用环境、不同需要,选择不同的双层FBE结构类型,如可生产专门针对山区、水网地带和海底环境的双层FBE管道防腐层。它的耐冲击性能和阴极保护电流密度与三层PE相当,但它是唯一能用于阴极保护系统并完全兼容而无屏蔽的防腐系统,且具有失效安全性,所以更加优越。双层FBE的价格因其结构与厚度不同而不同,但一般比三层PE便宜,随着工艺技术的发展成熟其成本还在降低。
    在我国,金山-扬子管道、宁波城市燃气管网、中石化物资装备部管道等工程都已采用了双层FBE[3]。由于双层FBE优良的综合性能和不断提高的经济性,它必将得到更广泛的应用。

表2 1992-1996年国外管道外防腐层材料用量统计

   2.3环氧/改性聚乙烯粉末防腐层

    据报道,在美国还有一种新型的双层粉末结构[4],该结构是在FBE防腐层(0130～0164mm)上喷涂一层改性聚乙烯(CMP)保护层,CMP和FBE属化学和机械粘结,不会分离,比传统的三层PE有所进步,其性能与双层FBE相似。1997年在美孚石油公司的管道工程中得以应用,但在国内还无使用先例。
    2.4液态聚氨酯防腐涂料(PU)
    这种涂料属于双组分,一个是多元醇化合物,一个是异氰酸酯溶液,黏度用低相对分子质量树脂调节。它不含任何挥发性溶剂,通常处于液态,两个组分混合后全部转化为固体厚膜型涂料,可涂刷、浇注、喷涂,一次成膜,膜厚不小于112mm。该防腐涂料性能优越,可以满足任何地质状况、输送条件及环境腐蚀的要求,施工性能好,抗装卸运输过程中的损伤。硬度高达HS(D)80～86,具有优异的耐磨性能,耐划伤、耐拖拉性能好,有一定韧性。抗阴极剥离性能强,有一定的吸水率,年久失效后仍能够导通阴极保护电流,避免阴极屏蔽作用,管体仍能得到阴极电流的保护。低温(0℃)快速固化,可配成弹性体或刚性体,既能与熔结环氧粉末粘结,也能与三层聚乙烯粘结,化学稳定性好,抗紫外线,最高使用温度可达109℃,寿命可达50年,成本低。
    液态聚氨酯无溶剂、施工简单、防腐层质量好并且有利环保,作为防腐涂料具有明显的技术经济优势,尤其适用于补伤、补口及旧防腐层的修复,已经成为目前国际上管道外防腐层修复的主要材料,在我国有着广泛的应用前景。
    2.5无机非金属防腐层
    当前,用于管道防腐的涂层以有机涂层为主,虽然有机涂层的性能一直在不断改进,但始终不可能从根本上消除老化变质、耐热抗寒的问题,管道的使用寿命也因此受限。于是无机防腐技术便应运而生。无机防腐材料不老化,耐腐蚀、耐磨损、耐温性能优异,使用寿命比有机材料大大提高。
    现在的无机非金属防腐层主要有陶瓷涂层、搪瓷涂层和玻璃涂层。陶瓷涂层具有高化学稳定性,耐腐蚀、耐氧化、耐高温,目前已有蔓延高温合成、热喷涂、化学反应法等较成熟的制备方法。搪瓷涂层具有极强的耐腐蚀性能,用它对钢制管道进行防腐将会使防腐水平得到极大提高。俄罗斯20世纪80年代已开始生产搪瓷管道[5],我国在该方面的研究才刚刚起步,只有西安人民搪瓷厂等少数企业引进、开发了搪瓷管道生产技术。玻璃涂层致密性、耐蚀性、耐磨性优异,涂层表面光滑,作为内涂层可起到减阻作用。我国的北京伟业科技发展有限公司最新开发出一种制备玻璃涂层的“热喷玻璃(釉)防腐技术”,它通过一定的工艺技术,在金属管道内外壁上形成玻璃与金属的复合无机防腐涂层,玻璃釉料可根据防腐性能的要求、金属膨胀系数和工艺特点的不同进行配置,能应用于给排水、化工、石油、天然气管道等诸多领域。其突出特点有:生产工艺先进,永不老化,使用安全,耐腐蚀性能优越,内减阻及耐磨性、流动性好,耐候性强(使用温度范围在-50～300℃),无毒、无害、无污染,造价低廉,施工规范,用途广泛等。
    目前无机防腐涂层急需研究解决的问题主要有:陶瓷涂层的封孔处理方法、搪瓷涂层成本的降低、玻璃涂层结合性和韧性的提高、开发适宜的焊后内补口技术等。由于无机防腐技术巨大的发展前景,当前世界各国均已将无机非金属复合防腐管道作为重点攻关的课题,该技术有望取得更大的突破。
    2.6纳米改性材料涂层
    纳米技术是近年来出现的一门新兴技术,它带来了材料科学领域的重大革命。由于腐蚀防护所涉及的表面材料的性质由微观结构所决定,纳米技术的出现与应用无疑将给腐蚀控制技术的发展带来巨大的机遇。研究表明,利用纳米技术对有机涂层防腐材料进行改性,可有效提高其综合性能,特别是增加材料的机械强度、硬度、附着力,提高耐光性、耐老化性、耐候性等。例如TiO2、SiO2、ZnO、Fe2O3等纳米粒子对紫外线有散射作用,加入这样的纳米材料可有效增强材料的抗紫外线能力,使耐老化性显著提高。通过向材料中加入一些颗粒很小的纳米粒子,能增加材料的密封性,达到更好的防水、防腐效果。对于无机涂层材料,如对其结构进行纳米化,也能达到明显改善其塑性、韧性的作用。
    当前已有一些通过纳米技术对防腐材料进行改性的技术获得了专利,在市场上也已有这样的防腐材料出现。不过总的来看,这项技术还仅仅处于起步阶段,具有极大的发展前景。
    3结语
    在可以预见的相当长一段时间内,三层PE和双层FBE等多层复合防腐层将占据管道防腐涂层的主流地位。改进三层PE和双层FBE的结构和工艺,提高性能、降低成本,也将是今后研究的一个重要方向。而在管道防腐涂层的补伤、补口及旧防腐层的修复上,液态聚氨酯防腐涂料将大有作为。同时,无机防腐技术和纳米改性技术也会有极大的发展和应用前景。

1608liuweijie

学习了，挺好起码对现状有所了解