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双层熔结环氧粉末涂层防腐钢管的应用
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双层熔结环氧粉末涂层防腐钢管的应用

发布者:河北兴松实业 浏览:686 发布日期:2017-05-24【
1、防腐层的发展历史及当前防腐工艺存在的问题
        管道防腐工艺的发展史就是防腐材料的发展史,从***初使用的石油沥青防腐、改性石油沥青防腐、环氧煤沥青防腐、煤焦油瓷漆防腐、黄夹克防腐、三层聚乙烯防腐、单层环氧粉末防腐到有发展趋势的双层环氧粉末防腐,经历了一个从简单到复杂、防腐质量逐步提高的过程。不可否认,每一种防腐涂层在特定的年代都发挥了一定的作用,但随着科技的发展和人们对管道防腐的认识,许多防腐涂层都象其它事物一样,经历了发生、发展到衰退的经历。目前在许多经济不发达地区和市政管线上仍然使用石油沥青、环氧煤沥青或煤焦油磁漆等较落后的防腐工艺,主要目的是为了降低成本。另外许多单位对管道防腐工艺不甚了解、对管道防腐的重要性认识不足也是一个很重要的因素。
        随着我国管道行业的发展以及与国外同行的技术交流加深,管道防腐工艺紧跟国际先进水平。在1995年我国陕京线建设前,许多专家仍然提出要用煤焦油磁漆防腐或石油沥青等防腐工艺,但当他们到欧洲考察后,在没有认真研究、试验的基础上就毫不犹豫地选用了三层聚乙烯防腐工艺。三层结构聚乙烯防腐(简称3PE结构)于80年代首先在欧洲和加拿大使用,进而推广至全球。对三层聚乙烯防腐工艺近乎完美无缺的认识,到目前为止还影响着大多数的管道行业专家。但是从三层聚乙烯涂层引进时候起,就没有完全掌握其防腐工艺的本质,比如我们设计的底层环氧粉末层厚度,与欧洲目前的三层防腐结构相差甚远,并且在其它方面也有很多类似的问题存在。三层防腐由于底层厚度无法检测,亦即无法控制,因而在美国很少采用。
3PE防腐层具有良好的防腐性能和坚韧、耐久的使用性能,然而也存在一些值得研究和需要改进的问题。其不足之处表现为:
(1)不能与阴极保护协调工作,对保护电流构成屏蔽
        三层防腐层的外层聚乙烯用来阻止水汽渗透和保护底层环氧粉末不受机械损伤,聚乙烯是非极性物质,与水分子无亲和力,是良好的绝缘材料。但是高的绝缘强度和机械强度也有其不利的一面,一旦涂层破损,当水通过缺陷部位进入到未受损的涂层部位时,由于聚乙烯的内聚强度远大于其粘结强度,就会对保护电流产生屏蔽。而环氧类防腐层由于内聚力小于其粘结力,则可使阴极保护电流到达钢管表面,使钢管变成阴极。对于一种防腐层而言,内聚强度与粘结强度的比值越高,屏蔽的趋势就越高,屏蔽是一种风险,通常难于检测,因此在选择防腐层时应予考虑。
(2)三种不同族的材料组合存在分层危险
        3PE防腐层是由底层环氧粉末、中层粘胶剂和面层聚乙烯组成的,三种不同族的材料之间有明显界面,操作时工艺参数调整不当,包敷时有空气进入均存在分层危险,分层会造成剥离,且不易发现,但在管端则易发现端倪(如翘边)。
(3)使用温度受限制
        聚乙烯是一种对环境应力开裂极为敏感的材料,较高的温度、钢管内压及环境应力、外界腐蚀介质侵蚀,均会促进应力开裂,温度的影响尤为明显。在室温25℃时,聚乙烯的分子运动就已十分明显,当温度增加时,聚乙烯的机械性能会下降,环境应力开裂会上升。因此聚乙烯作为管道的包敷层,当温度超过55℃时,压气站出口段及裸露管段应考虑聚乙烯环境应力开裂的危险。
(4)环氧粉末底涂层的厚度难于检测
        环氧粉末的作用是阻止氧气渗透,提供与钢材的良好粘结并起腐蚀保护的作用。但是,环氧粉末层的厚度***佳比例是多少?国内外的看法各异,不同的工程差异也很大,从80~250μm不等,***小厚度应该达到多少?目前既无定论,也无有效的检测方法,成为业主与涂敷商争论的焦点之一。
(5)焊缝处防腐层减薄无法消除
        3PE防腐层挤出的粘胶剂和聚乙烯侧向缠绕时,由于压辊的作用,使防腐层在焊缝突起处不可避免地会减薄,减薄量可达到防腐层的20%~30%,一根管子的防腐层出现厚薄不均的问题难以解决。为保证焊缝处防腐层的厚度,往往要增加管体防腐层的厚度,从而造成材料浪费,成本上升。
(6)环向焊缝补口是一个隐患
        采用3PE防腐层的管道现场环向焊缝补口只能采用热收缩套,其结构为粘胶剂+聚乙烯,可视为二层结构,其粘结力(特别是搭接处)低于3PE。国外已经发现热收缩套在土壤应力下易起皱,早于干管涂层而失效,特别是采用定向钻穿越河流时,土壤摩擦力增加,更易使接头损伤,有的公司已开发出F-W新型接头方法,以防止接头涂层早于管体涂层失效。
(7)管件与干管防腐层无法一致
        一条管线有众多的弯头,其数量与管路沿线的地形地势有关。采用3PE作防腐层的管线,由于弯头形状和尺寸所限,只能采用诸如热收缩套(带)、冷缠胶带包敷、液态环氧、双层环氧等,这些防腐层与主干管的3PE有很大的差异。弯头是管线的薄弱环节,在内压和温度作用下,易产生位移,受土壤应力损伤,其防腐等级应不低于主干管,尽管主干管采用了“牢不可破”的3PE防腐层,但弯头(管件)的防腐层能否经受考验,尚待考察。
        综上所述,可以认为:在管线的使用期间,其寿命的长短和安全与保持防腐层的整体性有关,应当要求包括干线管、环焊缝、管件在内的整条管线采用相同的防腐层及质量评判标准,管线的薄弱环节和重要地段的管线要增加涂层厚度。采用3PE防腐层的管线不能满足上述要求。干管涂层与环焊缝和管件涂层不同,厚度不同,质量控制依据也不同。因此,尽管干管采用了牢固的3PE防腐层,但却不能保证环焊缝和管件的防腐层与干线管道有相同的寿命,而且阴极保护亦不能充分发挥作用,这些都是管线采用3PE防腐层的硬伤。目前,尚无更好的措施来解决上述问题。
        一项科学技术总是在不断发展更新的,就管道防腐层而言,从早期沥青类防腐层,到环氧类涂层,以及3PE防腐层,都是在追求更完美的防腐性能,但有时却忽视了管线防腐的整体一致性,造成一些薄弱环节。毋庸置疑,三层聚乙烯防腐工艺的引进,使我国的管道防腐工艺上了一个大的台阶,但也阻碍了其它防腐工艺的发展。时至今日,少数人认识到了三层聚乙烯防腐层所存在的问题和质量隐患,想从环氧粉末涂层入手,取代三层防腐工艺。在北美广泛采用的熔结环氧粉末,既有良好的防腐性能和与阴极保护相容性,还可实现管线的整体性,但其抗机械损伤性能较差,吸水率较高,特别是在高温条件下,管道涂装时容易形成较多的漏点,环氧粉末防腐对施工工艺要求高,点点施工纰漏都会暴露出来。由于管道防腐层在吊装、运输或穿越过程中处理不当或以一些不可避免的因素造成防腐层的划伤、冲击点和磨损,而后两者也往往伴随有划伤。给许多习惯于粗放型的施工队伍带来难度。
        鉴于三层聚乙烯防腐层和环氧粉末防腐层都有不能解决的难题,其它防腐工艺也同时存在着更多的问题,国内急需一种既象三层聚乙烯防腐层那样抗机械损伤,又有环氧粉末涂层那样好的防腐特性的防腐层。
2、环氧树脂、固化剂的结构和特点
环氧树脂的分子结构中存在大量的苯环、醚键、羟基结构,对钢质基材具有优异的附着性,同时具有很好的耐热性、耐化学品腐蚀性,形成的涂层具有优异的机械强度,如硬度、耐冲击性等性能。
 
双酚A型环氧树脂的分子结构
        尽管环氧树脂的品种很多,但受管道防腐粉末涂料生产工艺要求的限制,在品种选择上不如液体涂料广泛,除了上述化学性能要求外,还应考虑熔结环氧粉末涂料制造的工艺性,不仅要求固化物的机械性能和化学性能要好,还要求环氧树脂在室温下是稳定的固体,以利于粉末涂料的稳定储存和不容易结块。目前管道防腐熔结环氧粉末涂料所采用的环氧树脂主要为酚醛环氧树脂和中分子量双酚A环氧树脂,中分子量双酚A环氧树脂的典型产品为E-12,具有价格低、韧性好的特点,但该类环氧树脂只是在分子结构的两端才有环氧基,为了得到较好的韧性,必须提高环氧树脂的分子量,也就是需要较高软化点的环氧树脂,但这样的环氧树脂环氧值也比较低,因此固化产物的交联密度低,带来的后果是涂膜耐化学品性能与耐热性能不够好,涂层硬度、耐磨性及附着力也不理想。酚醛环氧树脂分子结构中可有多个环氧基,固化产物的交联密度比较高,涂膜的硬度、耐热性、耐磨性、耐化学腐蚀性及对基材的附着力都比较好,但全部采用酚醛环氧树脂特别是当酚醛环氧树脂的环氧值较高时,会导致固化物的脆性大,低温弯曲与抗冲击性差。
        在延长环氧树脂分子链生成高分子化合物以及使高分子链交联得到性能优良的涂层过程中,固化剂起着重要的作用。固化剂的种类不仅决定了固化工艺,而且对固化后涂层的性能有很大的影响。在环氧树脂粉末涂料中,环氧树脂的交联反应是通过环氧基和羟基等活性基团进行的。一般来讲,这类反应是加成反应,没有副产物形成。反应属于放热反应,随着温度增加,反应速度加快。
应用于粉末涂料的固化剂,应符合下列要求:
— 与树脂有良好的均混性;
— 在温室时应是潜伏性的,性能稳定;
— 室温下是固体,并可粉碎成细粉,以便很均匀地预混;
— 不应有使人中毒的危险;
— 在固化过程中,不应有挥发性的副产物生成。
        一种理想的固化剂在配料时应保持潜伏性。对于非低温固化的涂料来说,希望到150℃时固化剂才开始发生固化反应,这对于粉末涂层的流平性是至关重要的。如在固化反应开始前,涂膜层已经流平,并湿润被涂工件,由此得到的涂层外观好。如果流平过程中,固化反应已经开始进行,涂层平滑性就会降低。然而,通常在环氧树脂粉末涂料中所采用的固化剂,如双氰胺、酰肼、羧酸、酸酐等,在管道防腐蚀领域均难以满足要求。为了提高环氧树脂粉末涂料的耐腐蚀性、耐冲击性与韧性,一般采用酚类固化剂。采用这种固化剂,使环氧树脂粉末涂料的防腐性与物理机械性能有很大的提高,非常适用于管道防腐领域。
        酚类加成物固化环氧粉末涂料是通过酚羟基、仲羟基和环氧基之间的交联反应。众所周知,环氧基和酚(仲)羟基之间的反应很缓慢,只有加入催化剂或在高温下,反应速度才会大大提高。目前,生产上使用的固化促进剂大部分是2-甲基咪唑。2-甲基咪唑本身就可以作为环氧树脂的固化剂,同时叔胺还可以促进环氧树脂的自聚反应。酚类化合物固化环氧粉末涂料,同时以2-甲基咪唑作为促进剂的体系,其固化机理如下所示。
(1)酚羟基与环氧基的醚化反应
 
(2)仲羟基与环氧基的醚化反应
 
(3)叔胺催化环氧的自聚反应
 
2-甲基咪唑的活泼氢使环氧开环,咪唑的用量以0.5%~1%为***好。咪唑用量太少,达不到要求的固化程度。咪唑用量太多,其酚羟基和咪唑会形成一种盐,产生低熔点混合物,从而导致贮存过程中的结块问题。
3、熔结环氧粉末涂料固化产物的结构与性能
        从树脂型酚类固化剂的分子结构可以看出,其实它是两端以酚羟基封端的线型长链状树脂,与环氧树脂具有相似的结构。因此,用作环氧粉末涂料的固化剂时,与树脂具有更好的混溶性。这就使制得的涂料具有极高的光泽度。合理的配方及生产工艺对韧性、抗冲击性、附着力、流平性都有一个很好的均衡。采用合适分子量的酚醛环氧树脂进行扩链,使固化剂与环氧树脂相溶性好,交联密度适中,韧性极佳(尤其是低温韧性)。双酚类物质提供了反应活性点,赋予固化剂高反应性,同时增加了体系的酚羟基含量,使附着力、耐热性大幅度提高。
4、熔结环氧粉末涂料的设计思路和瓶颈
        熔结环氧粉末涂料是一种固体的,多成分树脂体系,以单组分形式出现,它由改性环氧树脂、固化剂、颜料、固化促进剂、流动调节剂等组成。熔结环氧粉末涂料都是由专业的熔融共混工艺生产的,该工艺所使用的设备都是专门为生产熔结环氧粉末涂料而制造的,所有这些都为能提供优质的产品创造了条件。首先,将各种原料精确计量,在具有极好混合效果的混合机里进行混合。然后,把这些混合的物料用熔融挤出机充分熔融混合搅拌。这种专门的挤出机能够提供***好的混炼效果,同时可以避免胶化现象的发生。挤出的料片经过研磨机粉碎成合格的产品,这种专门的磨粉机能够提供一个极好的粒度分布和颗粒形状,同时,通过激光粒度分布仪对产品进行监控,以制造出具有非常好施工性能的产品。前面我们已经提及,熔结环氧粉末涂料以其极高的附着力、良好的耐阴极剥离性能、卓越的防腐蚀性能而在管道防腐行业占有非常重要的地位。然而,为了得到好的附着力,势必会使抗冲击性能有所降低;为了得到低温条件下好的柔韧性,势必会降低涂层的耐划伤性能;太好的流平性势必会影响熔结环氧粉末涂料的触变性,凡此种种,一个好的粉末涂料工程师要调制一个好的管道防腐熔结环氧粉末涂料配方,就是要在这种种的技术要求中寻找一个合理的平衡点。事实证明,多数工程师都成功地找到了这些平衡点,都能很好地满足管道防腐的要求,其质量均符合SY/T 0315-97等标准的要求。尽管是符合标准的要求,但在熔结环氧粉末涂敷的管道施工时也暴露了抗划伤、抗冲击性等抗机械损伤性能较差的缺陷,也就是说,抗冲击性、耐划伤性、耐磨性现在是影响熔结环氧粉末涂料大面积应用的瓶颈。从3M公司退休的Tom Fauntleroy 先生一语道破天机:既是歌手,又是舞女是很困难的(It is difficult to be a singer and a dancer)。
5、双层熔结环氧粉末涂层的概念
        既然单层熔结环氧粉末涂料不能十全十美地满足管道防腐及施工的需要,就要求我们另辟蹊径。国内外的专家和学者为我们提出了双层熔结环氧粉末涂层的概念(见图1)。
环氧粉末防腐钢管
图1 双层熔结环氧粉末涂层的结构
        双层熔结环氧粉末涂层是由两种不同的环氧粉末在喷涂过程中两次同时喷涂成膜完成的,内层熔结环氧防腐层是现在我们使用的单层熔结环氧粉末涂料,外层熔结环氧粉末涂层为改性熔结环氧粉末涂层,它能够大大提高涂层抗机械损伤的能力,弥补当今使用的熔结环氧粉末涂料的不足,突破熔结环氧粉末涂料在配方设计时的瓶颈。通过对熔结环氧粉末涂料配方进行改进,可生产出有针对性的双层熔结环氧粉末涂层,其应用领域在于:
— 抗机械损伤,增加熔结环氧粉末涂层防腐的可操作性,可应用于原先单层熔结环氧粉末涂层的场合;
— 河流穿越、定向钻等的施工场合(见图2);
— 高温高湿地段;
— 水泥配重防滑
— 聚氨酯保温管防滑。
图2 双层熔结环氧粉末涂装管线定向穿越示意图
双层熔结环氧粉末涂层的涂敷工艺要比3PE防腐工艺简单很多,而且设备投资也比3PE小很多,仅在单层熔结环氧粉末涂层生产线、3PE生产线上稍加改造就可以实现对管道的双层熔结环氧粉末涂层的涂敷。即将单层熔结环氧粉末涂层生产线、3PE生产线上的一个熔结环氧粉末涂料喷涂室改为两个,并增加高压静电喷枪的数量就可以了。涂敷工艺如下:
— 钢管外表面涂敷之前,必须采用适当的方法将钢管外表面的油、油脂及任何其它污物、杂质清除干净。
— 通过海洋运输的钢管,应对其外表面进行盐分含量检查。如果外表面盐分含量超过50mg/m2 ,应用磷酸或去离子水处理。在磷酸或去离子水处理后应测量外表面的剩余盐分含量,每班至少要测量两次,盐分含量不应超过50mg/m2 。
— 喷(抛)射除锈前,应预热钢管,驱除潮气,预热温度为40~60℃。
— 钢管外表面喷(抛)射除锈应达到GB/T 8923-1988《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中规定的Sa 2 1/2级,钢管表面的锚纹深度应在40~100μm范围内。
— 喷(抛)射除锈后,应将钢管外表面残留的锈尘清除干净,钢管外表面不允许有灰尘等污物存在。钢管表面预处理后4h内应进行喷涂,当钢管表面出现返锈或表面污染时,必须重新进行表面处理。
— 钢管预热温度控制在180~250℃之间,但温度不得超过260℃。预热温度应用红外线测温仪进行连续测量,并使用测温笔或接触式高温计进行温度控制。钢管加热用的热源不能对钢管表面产生污染。
— 涂敷外涂层时,固化温度、固化时间和延迟时间应符合工艺要求或粉末产品的技术规定。
— 涂层总厚度和各层***小厚度应符合如下要求:(1)普通级涂层厚度要求:涂层总厚度大于或等于620μm,适用于一般敷设环境条件,其中底涂层***小厚度为250μm,面涂层***小厚度为370μm;(2)加强级涂层厚度要求:涂层总厚度大于或等于800μm,适用于一般敷设环境条件,其中底涂层***小厚度为300μm,面涂层***小厚度为500μm;(3)如业主对涂层厚度有特殊要求,则底涂层与面涂层的厚度比例宜控制在1:2~1:1.5之间
— 钢管两端预留段的长度宜在85±5mm,预留段不得有涂层。若业主有要求时,应符合业主的有关规定。
— 预热后的钢管先用******组静电喷枪喷涂底层粉末,然后用第二组静电喷枪直接喷涂面层粉末。面层粉末应在底层粉末胶化前喷涂至底层上。涂层充分固化后,用水使钢管及时冷却。
这里规定的涂敷厚度为河流定向钻穿越管道防腐层需要的工艺厚度, 双层熔结环氧粉末涂层的生产工艺见图3。
 
图3 双层熔结环氧粉末涂层的生产工艺示意图
6、双层熔结环氧粉末涂层的质量检验与控制
中国石油天然气集团公司于2002年1月30日发布并于2002年6月1日实施了《埋地钢质管道双层熔结环氧粉末外涂层技术规范》,为管道双层熔结环氧粉末涂层防腐工艺的普及和推广奠定了基础,然而,该标准涂装的管道似乎更适合于河流等的穿越管道。
在SY/T 0315-97《钢质管道熔结环氧粉末外涂层技术标准》中对熔结环氧粉末涂层的厚度作了规定,见表1。
 
在Q/CNPC 38-2002《埋地钢质管道双层熔结环氧粉末外涂层技术规范》中对熔结环氧粉末涂层的厚度也作了规定,涂层总厚度和各层***小厚度应符合如下要求:
— 普通级涂层厚度要求:涂层总厚度大于或等于620μm,适用于一般敷设环境条件,其中底涂层***小厚度为250μm,面涂层***小厚度为370μm。
— 加强级涂层厚度要求:涂层总厚度大于或等于800μm,适用于一般敷设环境条件,其中底涂层***小厚度为300μm,面涂层***小厚度为500μm
— 如业主对涂层厚度有特殊要求,则底涂层与面涂层的厚度比例宜控制在1:2~1:1.5之间
显而易见,如果只是为了弥补单层熔结环氧粉末涂层的不足,提高熔结环氧粉末涂层抗机械损伤的能力,而把涂层厚度提高到620μm或800μm是完全没有必要的。我们认为如果不是用于河流等穿越管道,熔结环氧粉末涂层的厚度能够满足表2技术规定就够了。而应用于河流定向钻穿越工程的双层熔结环氧粉末涂料则应当满足表3和表4的技术要求。
 
7、双层熔结环氧粉末涂层的优势
我们对双层熔结环氧粉末涂层与现在较多采用的3PE/PP防腐层、单层熔结环氧粉末防腐层在不同的层面进行了比较,结果表明双层熔结环氧粉末涂层存在下列优势:
— 与3PE防腐层相比,双层熔结环氧粉末涂层的生产成本低,涂敷管道的一次合格率可达到99%以上。
— 设备投资大大低于3PE结构,双层熔结环氧粉末涂层的面涂层熔结环氧粉末已实现国产化,新立公司的产品质量已达到国外产品的较高水平,优于某些国外公司产品,价格大大低于国外同类产品,其售价略高于目前使用的单层熔结环氧粉末涂料。也就是说,双层熔结环氧粉末涂层防腐的成本会略高于单层熔结环氧粉末涂层,但低于3PE结构防腐的成本,见表5。
— 双层环氧粉末涂层为环氧类防腐涂层,是由两种不同类型的环氧粉末在喷涂过程中分两次同时喷涂成膜完成的,其底涂层环氧粉末与现在通用的单层熔结环氧粉末涂层相同,作用是提供涂层防腐性能和与钢管的粘结强度,而外涂层熔结环氧粉末经过改性,除具有防腐性能外,对抗机械损伤、抗水渗透等都起到非常重要的作用。这种双层结构不会存在2PE结构的附着力问题,也不会存在3PE结构潜在的分层、夹带空气等缺陷。
— 双层熔结环氧粉末涂层是针对单层熔结环氧粉末涂层的抗机械损伤特别是抗划伤性能差和对水的渗透性强等缺点以及3PE防腐层所暴露出的上述一系列问题而开发的,是一种既具有优良防腐性又具有抗机械损伤性的防腐结构
— 双层熔结环氧粉末涂层具有与钢管粘结强度大、抗阴极剥离性能好、使用温度范围宽、抗机械损伤强度高、不会产生阴极保护屏蔽、补口补伤操作方便和质量容易控制等优点。更适合应用于山区多石地段、沙漠沼泽地段以及河流定向穿越、公路铁路顶套管穿越等。
— 双层熔结环氧粉末涂层可明显增加铺设安全系数,保证埋地后涂层的完整性和一致性。因此,从管体建设的可操作性、使用寿命、管线的维修和维护等方面来考虑,整体性能价格比其它防腐层具有较多优势。
8、结语
中国的管道防腐业在紧跟国外先进工艺的同时,也要敢于创新,走出自己的路子,只有这样才能在世界管道防腐业的竞争中立于不败之地。希望业内的专家多加考察、多加支持。