钢管外表面防腐涂层的研究现状

钢管外表面防腐涂层的研究现状

现在，城市地下管网中使用的管道数量正在增加。作为用于输送燃气、石油、水等的管道,其外表面防腐覆盖材料,从早期的沥青材料正逐渐发展到聚乙烯树脂、环氧树脂材料。钢管表面使用聚乙烯涂衬从上世纪80年代就开始了,根据用途的不同,聚乙烯树脂的成分和涂衬工艺也在逐步改进。1涂防腐层的性能要求由于输送管道使用时间长,要求具有耐水性、耐药性等长期耐腐蚀性能。用于土壤中埋设的管道,其外涂防腐层在成品出厂、运输、储存以及埋设的过程中,应满足图1所示的各种性能。这些性能的重要性由其使用环境、施工方法的不同而有所差别。同时,必须注意材料性能上的差异,保持其在持久性能上的均衡。最近在国外,对超低温、超高温性能的要求逐渐增加,展开了对防腐层材料性能的广泛探讨。2管道材料的类型钢管外涂防腐层材料及方法的发展过程如表1所示。3环境污染问题石油沥青涂层是一种传统的防腐层,具有悠久的历史,它由石油沥青层和加强玻璃布以及外保护的聚氯乙烯膜组成,具有优良的防水性能,再加上价格便宜,耐候性及对多种物体的粘结性较好,施工简单,技术成熟,所以至今仍大量用于金属防腐。沥青涂层的缺点是温度依耐性极大,高温软化,易熔融,低温下变脆,冲击时易产生龟裂,易老化,埋在有岩石的土壤里,管线要增加机械保护层或在沟内填充砂土,增加了费用。易受细菌侵蚀,劳动条件差,损耗大,特别是生产和埋设时的环境污染问题,使之在城市人口密集地区的使用受到限制。值得一提的是,美国普雷斯公司五十年来一直在生产挤出石油沥青玛蹄脂涂层,将石油沥青拌以填料后,类似挤出黄夹克一样,在钢管上直接挤出连续的石油沥青玛蹄脂涂层,涂层厚度约13~19mm。使用温度49~100℃。该涂层防腐,防渗性能好,不易产生针孔,阴极保护电流低,耐阴极剥离性能好,容易修补。比石油沥青玻璃布涂层性能要好得多,使用温度也高得多。缺点是涂层厚,运输费增加,涂层较软,在吊装下管时需要特别保护,不宜用于地面,负温下柔性小,不耐有机化合物腐蚀,从经济上讲,用于大口径管子较便宜,对小口径管子成本相对高。4环氧煤沥青的施工应用环氧煤沥青是以环氧树脂和煤焦油沥青为基料,加热混溶,添加适量溶剂、防锈颜料、填料和固化剂混合研磨制成。具有优良的耐水性、耐药性、防腐性及良好的粘接力,机械强度和绝缘性优点,可以带温冷涂,因而较石油沥青、煤焦油沥青便于生产。环氧煤沥青涂料的缺点是涂后需要较长的固化时间,才能达到可供运输的起码强度要求,即使在夏季,也要1~2天。在固化期间,风沙、雨水、霜雪都对防腐层表面有不良影响,在气温低时无法施工。另外所使用的底漆、面漆、固化剂、稀释剂要分类存放,防晒放火的成本较高。因此,环氧煤沥青主要用于下列场合:(1)管径较小或工程规模较小,运输条件较好的管道施工;(2)管道防腐层大修;(3)保温管道的底层防腐层;(4)原油储罐防腐。5pe广大厚度环氧粉末防腐层是上世纪60年代出现的防腐层,它是通过静电喷涂的方法,将粉末喷涂到经预处理并已预热的管体表面,在管体表面发生固化反应,形成一层致密的防腐层。该防腐层耐腐蚀性好,对环境污染小,具有如下优点:(1)使用温度范围为100℃至-60℃,比PE广;(2)与管体粘着力大,耐阴极剥落性好;(3)抗冲击性、韧性、耐温性好,焊接损伤小;(4)防水性、电绝缘性好;(5)损伤易发现,易修补。环氧树脂粉末涂层主要缺点是膜较薄,易受外伤,易出现砂眼,生产技术要求高,设备也较复杂,野外施工管理难度大。不同生产厂家,甚至不同批次的产品性能差异较大,选择时应着眼于其机械性能和密合性等。除了耐热性外,无论是作为防腐材料还是防腐系统都劣于聚乙烯。国外对它的研究主要集中在低温下的耐冲击性、耐弯曲性和电气绝缘性;高温下耐水性、密合性和耐阴极剥落性;以及其保护材料的成本高、施工难度大等问题也被列为课题在研究。6在其他方面的应用聚乙烯具有良好的耐冲击、硬度高等物理和机械性能,从图2中也可以看出它的化学稳定性也是比较好的。并且它的温度适用范围也比较广(粘合型:60℃~-40℃;密合型:80℃~-45℃)。特别是在低温条件下比其他材料有更优良的弯曲性和耐冲击性,所以在俄罗斯、西欧等寒冷地区的管道上应用广泛。包覆聚乙烯涂层是挤塑机将热融聚乙烯挤涂到钢管表面上,形成一个塑料外壳,以防止腐蚀,也称聚乙烯热塑涂层或夹克。这是国外上世纪50年代开发的新产品,发展很快,在各种防腐层使用中曾独占鳌头,目前德国几乎所有的油气管道都使用这样的防腐涂层。我国从上世纪80年代开始使用,在小管径管道上取得了成功的经验,但在大口径管道上存在夹克层应力开裂问题,当夹克进水后,夹克层下的钢管发生腐蚀。所以,聚乙烯的材料和涂敷工艺还有待于研究和改进。6.1沥青型热熔胶在挤出聚乙烯包覆层前,应先在管子表面涂一层密封性胶层。底胶的性能指标是根据目前所用的沥青型热熔胶而定的。国标中对底胶的软化点、加热损失、针入度、热分解温度、自修复性、剪切强度、剥离强度等都有规定。但从生产实践中证实该胶还存在着不少缺点,如耐温等级低,粘结性能差。国外大部分采用丁基胶和最新的树脂胶,而国内底胶还是重点研究的课题之一。6.2聚乙烯的结构聚乙烯的密度可以从0.91到0.96g/cc,由于密度不同,所以性能就不同。由于高密度聚乙烯中的短分歧几乎没有,它的结晶度、拉伸强度、断裂伸长率、抗撕强度、耐药性比低密度聚乙烯好的多,可以根据用户的需要来生产不同性能和不同价格的防腐层。高密度聚乙烯包覆管(黄甲克)的适用温度在80℃以下,底密度聚乙烯包覆管(绿甲克)的适用温度在60℃以下。6.3压力法聚乙烯防腐涂层曾经使用过流动浸沤法和粉末散布熔合法等,目前的生产方法基本用挤压法,一般小口径(15~800mm)主要是粘合型圆型模法(带有保护层),大口径(400~1600mm)的管道主要采用密合型T型模法(无保护层、单层)。最近密合型方法在中小口径管道上使用逐步增加,今后这种方法可能会广泛使用。7原油管线的防腐聚乙烯胶带是主要的几种常用管道防腐材料之一,适用温度范围为-30~70℃,它在油气管道上已有30多年的使用历史,到1980年,世界上已有20万公里管道采用胶带防腐。胶带在使用中已发展至多种结构,有良好的防腐综合性能(如抗冲击性能、耐静压力、防水密封性等)。1983年美国建成一条全长465公里的原油管线,该管线起始于犹太州东部,终止于怀俄明州,管径305mm和410mm,管子外包扎两层聚乙烯胶带。英国、法国、意大利、日本等国的管道也大量采用聚乙烯胶带防腐,这与聚乙烯胶带防腐的特点分不开。用聚乙烯胶带防腐施工简单方便,价格与聚乙烯夹克、环氧煤沥青相当,容易被用户接受。聚乙烯胶带分内带和外带,内带起防腐绝缘作用,外带起保护内带作用,使其不受损伤。使用聚乙烯胶带作为防腐层时,其防腐层的等级结构按规范要求分为普通级、加强级和特加强级(新修订的规范已经取消了特加强级)。这样对设计就比较方便,可根据使用环境的不同采用不同的防腐等级,并且可以和石油沥青防腐层、环氧煤沥青防腐层对应(近似对应),便于比较选择。根据不同的防腐要求、不同的施工方法选择不同厚度、不同宽度的内带和外带(尤其是对管件的防腐)。需要注意的是要使用相容性较好的橡胶合成树脂底胶,搭接的宽度应符合规定,低温(0℃以下)、相对湿度大(75℅以上)或风沙大的情况下不宜施工。8中间层和聚乙烯涂层聚乙烯三层结构防护层又称三层PE,是近几年从国外引进的先进的防腐技术。它的全称为熔结环氧/挤塑聚乙烯结构防护层,结构由以下三层组成:A.底层为熔结环氧(60~80μm);B.中间层为胶粘剂(170~250μm);C.面层为挤塑聚乙烯(约2mm)。防腐层总厚度大于2.2~2.9mm。在三层结构中,环氧底漆的主要作用是:形成连续的涂膜,与钢管表面直接粘结,具有很好的耐化学腐蚀性和抗阴极剥离性能;与中间层胶粘剂的活性基团反应形成化学粘结,保证整体防腐层在较高温度下具有良好的粘结性。中间层通常为共聚物粘结剂,其主要成分是聚烯烃,目前广泛采用的是乙烯基共聚物胶粘剂。共聚物胶粘剂的极性部分官能团与环氧底漆的环氧基团可以反应生成氢键或化学键,使中间层与底层形成良好的粘结;而非极性的乙烯部分与面层聚乙烯具有很好的亲合作用,所以中间层与面层也具有很好的粘结性能。聚乙烯面层的主要作用是起机械保护与防腐作用,与传统的二层结构聚乙烯防腐层具有同样的作用。三层结构聚乙烯防腐层综合了环氧涂层和挤压聚乙烯两种防腐层的优良性质,将环氧涂层的界面特性和耐化学特性,与挤压聚乙烯防腐层的机械保护特性等优点结合起来,从而显著改善了各自的性能。因此作为埋地管线的外防护层是非常优越的。据有关资料介绍,三层PE可使埋地管道的寿命达到50年,目前,在国际上被认为是最先进的管道外防腐技术。在我国,三层PE已率先在石油天然气系统得到应用。我国已建成的陕京天然气管道、库鄯输油管道及最近国家重点工程西气东输近4000公里管道均采用了三层PE外防腐涂层。在天津市,陕气进津67公里高压管道、外环线30公里高压天然气管道、陕京线地下储气库122公里钢管的防腐也是采用的三层PE。它已成为今后管道外防腐层的发展方向。9其他防腐涂层9.1尿烷焦油的防腐性能国外的部分管道由于对耐热、耐切应力的要求较高,有使用1.8~2.5mm尿烷焦油作防腐涂层的例子。尿烷焦油的最高耐热温度可达80℃,但对施工条件的要求较高。目前取代煤焦油漆的尿烷粘胶正在开发之中,尿烷树脂从涂料状态到橡胶状态的各种性能也在研究之中。9.2大厚度400米尼龙11(聚酰胺)作为水管的外涂防腐层已经在使用,膜厚400微米左右,具有可塑性,耐水性也比环氧树脂粉末好,耐热性比聚乙烯高,耐摩擦性也比较好,其致命的缺点是耐冲击性太差,用静电粉末涂装到300到400微米厚时费用太高。9.3小口径管道聚氯乙烯用热收缩及粘合胶使管体密封的方法主要用于小口径管道,耐水性、耐药性、绝缘性都很优越,硬度高、机械性能好、切断性也很好。现在对它的研究主要集中在挤压法的探讨上。9.4聚乙烯管道外防腐聚丙稀的耐热性比聚乙烯好,耐低温性比聚乙烯差,可以通过添加聚乙烯来提高它的耐低温性,但目前缺乏长期的性能数据。防腐层对于埋地管道的寿命来说是至关重要的,同样材质的管道,有的埋在地下几十年而不腐蚀,有的几年就发生泄漏,就是因为它们采用了不同的外防腐层。从