钢管涂装技术动向

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钢管涂装技术动向
概    况
    钢管由于介质腐蚀造成间接和直接的损失是十分严重的，有的甚至是重大工程危及安全的最主要问题。本文概要地介绍了近十五年得到迅速发展的以防腐、提高使用性能为目的有机涂层钢管的发展和研究动向。美国是最早使用有机涂层钢管的国家，目前美国铺设管线中有机涂层钢管用量增至50％左右，年均增长10％左右。日本引进与开发并进，目前有机涂层钢管已商品化、标准化，并已占全部配管的用量的25％以上。有机涂层钢管性能优良，它的涂膜具有优良的耐化学稳定性、电绝缘性、耐磨性、良好的冲击性和柔韧性、耐高低温性、耐压性、耐阴极剥离性等。本文还介绍了有机涂层钢管分类，并呼吁大力开发我国的有机涂层钢管以达到钢材的高效利用。
一、钢管的腐蚀
    作为钢材的主要品种钢管，它分布于国民经济的各个部门，人们生产和生活均离不开钢
管，但是由于钢管内、外壁不可避免地要与各种介质接触。生活中天天碰上的水管，其“白
锈”、“红锈”天天在威胁着。日本能源综合管理技术协会曾调查了一百三十座按装有水管设施的建筑物80％的水管在十年内生了锈和由于锈而发生漏水的事故。一般的镀锌钢管使用后一年左右开始白锈，三年左右多数发生孔蚀。镀锌管在短期内由于锌的溶出而发生锈是非常多的，耐久性不良已成为镀锌管的严重不足之处。
    在工业方面由于管道腐蚀而造成的损失是极大的，据我国石油部门资料，某油田的埋地
管线中，集油管线腐蚀速度为2.4mm/年；热水保温线为4.0mm/年；供水管线为1.8mm/年。
又如在造船工业方面，船用钢管的数量相当可观，一艘万吨级船舶的全船管系长度可达30公里。修船时，管道的维修工作量约占整个修船工作量的四分之一。其主要原因是管道受海水腐蚀和海水中固体颗粒磨损所致。又据报导，英国每年化在更换被腐蚀管道上的费用超过
500万英磅。有些管道上腐蚀问题已成为重大工程的障碍，在北海油田开发中，热油上升管
道的腐蚀问题被认为是当前北海油田中危及安全的最主要问题、提高钢管的耐蚀性和使用性
能正在成为钢材深加工的重要课题。
二、有机涂层钢管的发展动向
    为了解决钢管的腐蚀问题，除早已采用镀锌法外还采用沥青煤焦油等沥青系列的防腐材
料涂复于钢管内、外壁，以提高其使用性能外。为满足用户日益严格的使用要求，各先进国
家竞相发展各种涂层、衬层输送管和结排管，用于管线和近海建筑物。随着高分子化合物的
发展，有机涂层钢管自五十年代问世以来，在近十五年来得到了迅速的发展。
    美国是最早使用有机涂层钢管的国家。1953年已使用环氧树脂涂敷于天然气管道内壁，1960年又试验成功了石油钻杆内涂层。并经数年对比试验证明了10种树脂(乙烯类、醇酸、聚乙烯、呋喃、环氧沥青、环氧、苯酚氯丁橡胶等)25种涂层系中环氧树脂涂层是最优秀的。1968年美国石油学会发表了《美国石油学会输送管线的内涂层推荐准则》，近年来美国管线涂层工业迅速发展，管道涂层工厂不断增加。仅AMF公司20年间就发展了八个涂层工厂，目前又在法国、新加坡建立管道涂层工厂。在休斯顿正在增建一个新的管道涂层工厂。AMF公司设有庞大的研究中心，其研究人员包括化学、物理工程师和技术人员的人数超过其他公司的总和，并拥有复杂、精良的理化检验设备。他们研制了TK系列性能优良的涂料，其中TK-34钻杆内涂层涂料已为日本、西德所引进。
    日本自昭和30～40年代用合成树脂代替了沥青，煤焦油类作为管道涂层以来，引进技术
和研究开发并进，十几年来迅速建立起现代化的管道涂层工业，研制聚乙烯和环氧为主的涂
层系列。
    日本在发展管道涂层方面新日铁是其他公司的先驱，1974年就拥有了大口径的聚乙烯涂敷设备并建立管道涂覆工艺技术研究体制。现已形成系列品种，主要的涂层管有两大类。第一类：耐蚀输送管，耐热聚丙烯涂层管、耐热环氧树脂内涂层钢管、高耐蚀熔融环氧树脂粉末涂层钢管等。第二类：防蚀钢板桩与联锁钢管桩NS＿PAC。1976年开发了耐温范围为     -60℃～+80℃的适合于寒冷地区的聚乙烯涂层钢管，这种产品在苏联、意大利的地中海横断管线、沙特阿拉伯SWCC管线等地使用。80年代该公司着手开发环氧粉末涂层钢管技术，1982年设置了生产能力为3万吨的生产线。1981年日本钢管公司在福山建成第一条熔接环氧生产线涂覆VOE管、螺纹管、电焊管，管径400mm～1600mm，管长9.5M～18.5M，壁厚6.4mm～44.0mm。涂层的剪切附着力(ASTMD100)达到400kg/cm2以上，比沥青煤焦油涂层附着力增加40多倍。耐冲击性(ASTMG-14)达到1600kgM，涂层几乎不发生阴极剥离。
    近年来欧州和中东至少有六个正规的管道涂层工厂，他们是英国苏格兰利恩的不列颠涂
层管公司，德国的安东布鲁姆工厂，M，K香德公司是欧州第一个用环氧粉末涂敷管子外壁的
工厂，沙特阿拉伯的达曼属阿卡坦尼父子公司，荷兰的基一克雷涂敷厂、法国色当的艾索管
工厂等。有机涂层管得到了欧州和中东石油天然气工业的认可。因为他们经受了陆上和海上
严格的考验。涂层钢管的加工量和使用量明显增加，自60年代至80年代在欧州涂层管线的使用超过一万公里。
    随着涂层管使用量的飞速增加，涂料和涂装技术也有很大的提高。目前除溶剂型涂料外，具有高性能粉末涂料正在不断开发和推广应用。涂装技术上已采用了计算机控制加热和表面处理，自动膜厚测定，自动针孔检验等先进设备来保证产品质量。应用较广泛的检查管道内壁的方法是移动式的电视照相术。全息探测器已在北美，欧州得到了使用，效果良好。英国天然气石油公司，采用示差扫描量热计测定粉末涂层在受热或冷却时伴随材料的化学物理变化的能量来分析涂层性能，可以用此法进行定量分析，测定热固化程度，评价涂层柔韧性以及涂敷过程控制等。国外还有采用新技术——声发射技术来测定涂层性能的，涂层的机械脱附起因于超声波的发射，测定这些超声波的能量波数和频率等，可以获得涂层附着力质量的衡量。声发射波类型取决于基料，烘烤条件，底料的预处理和气候暴露，通过声发射检测在很短的时间内就可以分析涂层防腐性能的优劣。
三、有机涂层钢管的优良性能和分类
    有机涂层钢管根据使用环境，工作条件，经济等要求，可选择不同的涂料和工艺以达到优良的使用性能。主要的基本性能有(1)优良的耐化学稳定性，(2)优良的物理和机械性能，(3)涂膜损坏时易于检修等。
    1.涂膜的优良化学稳定性
    涂层钢管的涂膜在化学介质中有优良的耐药品性，能抗碱、抗酸的范围＝2～13.5之间，这个基本特性大大提高了钢管的使用寿命。如石油工业，钻采用的钻杆在十分恶劣的工作条件下运转(有H2S，盐层，高温，高压等)钻杆的涂层需有极好的耐蚀性，其使用寿命比未涂层要提高2～3倍。对于输送管线有涂层的比无涂层的寿命提高3～4倍。此外涂层钢管还能耐土壤腐蚀和海洋生物腐蚀。
    2.具有优良的电绝缘性
    这个性能对于埋设管线等的杂散电流腐蚀改善是十分明显的。
    3.优良的耐磨性
    涂层的涂膜耐磨性可以达1300～2000立方砂/米。涂膜光洁如镜，不滋生细菌，霉菌，有效的防腊，防结垢，增大输送能力。一般末涂层的钢管等效砂粗糙度K＝0.07mm，而涂层钢管的K＝0.012mm。钢管表面光洁度的改善可提高输送量6～12％，降低管线动力消耗15％。
    4.良好的耐冲击性和柔韧性
    涂层的附着力达到了基体金属材料的屈服极限伸长度。石油钻杆内壁在钻杆进尺过程中能同时承受拉、压、扭等交变应力作用及卡钻情况下承受瞬间张力的冲击作用。有机涂层涂膜有的剪切附着力达到400kg/cm2以上，耐冲击性达到1600kgM。
    5.耐高温高压性
    如石油钻杆可经受120～204℃高温能适应数千米地层下作业条件并抗CO2，H2S等应力腐蚀性。
    6.耐温度变化性
    目前日本已开发出在极区抗高寒地带使用的涂层管已能经受-60℃～-120℃范围的温度变化。   
    7.耐阴极剥离性
    熔接环氧涂层几乎不发生阴极剥离。
    有机涂层钢管正由于上述的综合优良性能，明显的经济效益，世界各国竞相发展，近十年来已商品化，标准化。表1表示了最近涂层钢管的种类。涂层钢管大致可以分为二大类，
表1                        目前生产的涂层钢管
涂层钢管种类        规    格        主要用途
壁面涂层        聚乙烯挤压涂层钢管        JISG-3469        一般埋设管(气、水、其它)
        聚乙烯粉末涂层钢管        DIN30670        ″  (     ″     )
        环氧粉末涂层钢管        DIN30671        ″  (     ″     )
        硬质聚氯乙烯涂层管        —        一般配管(  ″    ″  )
内壁涂层        硬质聚氯乙烯内衬管        JWWA K116        水道    化学配管
        聚乙烯粉末涂层管        JWWA K132        水道
        环氧粉末涂层管        JWWA K133        水道
        环氧涂层管        —        天然气
        酚醛环氧涂层管        —        石油、天然气、采掘有关
外壁涂层钢管和内壁涂层钢管；按涂料分有聚乙烯、环氧、聚氯乙烯、聚脂、酚醛环氧等涂
层管；按涂料形态分又可分溶态涂料涂层管和粉末涂料涂层管以及薄膜和颗粒状塑料形态来
涂装的涂层管等；按加工工艺讲有十字型双层挤压法、T型双层挤压法、流动浸渍法、分散
溶融法、静电喷涂法、喷淋法、层压法、卷带卷法、热收缩法等的涂层管。最近日本研究出
一种“麻面”(涂层表面凸凹不平)涂层管，对于海底铺设的涂层管线是十分有效的，海底铺设管线外面需要敷一层水泥，为防止水泥脱落，必须提高水泥与涂层的粘结力，涂了一层凸凹不平的麻面涂层后，使水泥附着强度提高到12kg/cm2以上，为原来的30倍，根据不同要求今后具有高性能的涂层管将不断涌现。
四、大力开发我国有机涂层钢管
    国内有机涂层钢管的开发应用与先进国家相比差距较大，还没有具有规模的管道涂层工厂和研究体制，更没有管道涂层系列和标准化产品。但据了解国内已有不少单位在涂层钢管方面做了大量的工作。
    大庆施工技术研究所于1973年对小管径注水管内壁防腐涂层进行了选择试验，最后认为
环氧涂料的综合性能较好。
    1974年化工部涂料工业研究所与胜利油田协作研究了聚氨酯酚醛作为注水井下油管防蚀涂料，其性能优于环氧酚醛，云母氧化铁环氧沥青。
    1978～1979年四川石油设计院进行了管道内壁涂层研究工作，管道内壁抗H2S涂料评选，认为6101环氧用已二胺固化涂层为最稳定。
1981～1984年安徽省化工研究院与华北油田石油管理局设计院合作研制了H65型环氧涂料，适用作内涂层涂料及静电喷涂工艺要求，该涂层钢管对高温泵油、泵油污水和海水等介质具有优良的耐蚀性能。
    1985年中国船舶总公司船舶工艺研究所和江南造船厂、沪东造船厂联合研究了钢管内壁涂塑工艺。涂塑工艺处理过的钢管耐磨耐大气腐蚀性能大大超过热镀锌管，成本比镀锌工艺降低70％左右，而且无“三废”公害，很受用户欢迎。
    1985年上海材料研究所，上海石化总厂研究院和浙江临安玻璃钢厂联合开发的PVC/FRPP(硬聚氯乙烯/玻璃钢)耐腐蚀管道已通过鉴定。其主要技术指标已接近国际同类产品的水平，正在逐步形成生产能力。
    据悉首钢焊管厂即将引进一内外涂层钢管的流水线，不久即将投产。   
    冶金部七五规划已将此有机涂层钢管作为高效钢材开发的内容之一，组织有关部门攻关。可以预见，不久的将来我国有机涂层钢管也将商品化、标准化，为国民经济发挥更多的作用。