管道防腐涂层技术的研究与发展

2016-12-01 16:29:55 作者：本网整理来源：防腐涂料与涂装分享至：

    一、前言

    腐蚀是造成材料失效的主要原因，金属腐蚀是一个重大的经济问题，据相关数据统计，我国每年因金属腐蚀造成的损失约占国民经济总值的 5%，其中管道腐蚀占了不小的比例。随着我国经济的持续快速发展，能源需求量不断增大，管道建设量也越来越大，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，这使管道腐蚀的防护变的越来越重要，这直接关系到管道的防腐性能和运行寿命。所以，加强对管道防腐涂层的研究对整个管道的腐蚀控制具有重大意义。

    二、管道防腐涂层研究现状

    2.1、管道腐蚀产生的原因

    腐蚀是指金属材料表面和环境介质发生化学和电化学作用，引起材料的退化与破坏。油管常见的腐蚀主要是原油中溶解的CO2、H2S、C1﹣、少量溶解氧和细菌等腐蚀性物质引起的，这些物质直接和金属作用，引起化学腐蚀。

    化学腐蚀的危害性不大，而造成钢管表面出现凸穴，以至穿孔的主要原因来自电化学腐蚀。金属发生电化学反应时，电极电位较低的部位容易失去电子，成为阳极；电极电位较高的部位得到电子，成为阴极。在O2和H20存在的情况下，Fe（OH）2生成水合氧化铁，即产生腐蚀。

    2.2、防腐涂层的作用及性能要求

    1、防腐涂层的作用

    防腐层的防腐蚀原理主要是防止环境中的 H2O、Cl-、SO2等腐蚀性介质渗透到金属表面，使得腐蚀介质与金属表面隔离，从而防止金属的腐蚀。管道防腐涂层的主要作用如下：

    1）屏蔽作用。2）缓蚀性能。3）牺牲阳极保护作用。4）性能提升作用。

    2、管道防腐蚀涂层性能要求

    为了达到提升涂层的防腐性能，使涂层的防腐效果最大化，结合管道防腐的实际情况，对防腐蚀涂层性能的要求如下：1）对腐蚀介质的良好稳定性。2）良好的抗渗性能，保证低吸水率。3）具有良好的机械强度。4）具有优良的电绝缘性。

    2.3道防腐涂层发展与应用现状

    1865年，埋地钢质管道刚投人使用时，没有解决管道防腐问题，管道泄漏频繁发生。出于防漏考虑，采用煤焦油沥青及改性的煤焦油瓷漆作为防腐层材料。这种材料在管道温度上升时发生氧化反应，挥发部分馏分，导致脆变和剥离，使阴极保护电流增大。

    20世纪中期是各种防腐层材料竞争发展的时期。石蜡、石油沥青、胶带陆续被开发出来，其中胶带防腐层曾一度占据优势地位。但这种材料在腐蚀性土壤中经常发生剥离，对阴极保护电流产生屏蔽，导致应力腐蚀开裂。

    20世纪60年代出现的双层聚乙烯结构防腐层，逐渐改变了煤焦油沥青的主导地位。但随着管道运行条件的不断变化，这种防腐层逐渐暴露出易损坏、剥离、屏蔽阴极保护电流等缺陷。

    20世纪70年代投产的阿拉斯加管道，标志着熔结环氧粉末防腐层应用时代的开始。通过不断改进组分和施工程序，熔结环氧粉末成为20世纪80年代应用最成功的防腐涂层，但是其机械强度不理想。

    到了20世纪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。目前在国外，防腐涂层的选用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。

    三、三层PE和双层FBE技术介绍

    3.1三层聚乙烯（三层PE）

    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50～127?m，中间层为共聚物胶，约200?m，外层为聚乙烯，约3 mm。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1～3?A／m2。

    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2 000 km使用了三层PE，西气东输管道工程也使用了该防腐层。

    3.2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、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～l 000?m，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。它的耐冲击性能和阴极保护电流密度与三层PE相当，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，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，金山一扬子管道、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。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。

    四、管道防腐涂层新技术

    4.1液态聚氨酯防腐涂料（PU）

    聚氨酯沥青是 20 世纪 90 年代以来出现的性能优异的管道防腐层，该涂料是由多元醇化合物和异氰酸酯溶液所构成的双组分热喷涂无溶剂体系。该防腐涂料性能优越，施工简单，防腐层质量好，耐冲击性和柔韧性强，耐微生物腐蚀，耐划伤、耐磨、耐拖拉性能好，有一定韧性，抗阴极剥离性能强，化学稳定性好，抗紫外线，寿命长，成本低，性价比高并且有利环保，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，目前已经成为国际管道防腐层修复的主要材料，有着广泛的应用前景和发展空间。

    4.2无机非金属防腐层

    无机非金属涂层较有机涂层具有更优良的耐腐蚀、抗老化、耐温抗寒性能，使用寿命大大提高，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，目前已发展了自蔓延高温合成、热喷涂、化学反应等多种制备陶瓷涂层方法。搪瓷涂层具有优良的耐蚀性能，可以耐各种浓度的有机酸和无机酸，各种碱和盐，综合防腐性能优异。玻璃涂层致密性、耐蚀性、耐磨性优异，表面光滑，可起到减阻作用，其突出特点是：生成工艺先进，永不老化、使用安全、耐蚀性能优越、耐磨、流动性好、耐候性强、无毒无害无污染、造价低廉，施工规范，用途广泛等。

    由于无机防腐技术有巨大的发展前景，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。

    4.3纳米改性材料涂层

    研究表明：利用纳米技术对有机涂层进行改性，可提高其综合性能，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。通过向材料中加人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。

    例如纳米TiO2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；纳米SiO2粒子具有表面严重的配位不足，庞大的比表面积及表面欠氧等特点，使其表现出极强的活性，加入到涂料中可使涂层的强度、韧性、延展性大幅度提高。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，市场上也有这样的防腐材料出现。不过总的来看，该技术还处于起步阶段，具有极大的发展前景。

    五、结束语

    在相当长一段时间内，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。但随着新材料、新工艺、新技术的不断应用与发展，无机非金属防腐技术和纳米改性技术将有极大的发展和应用前景，管道防腐技术会日臻完善，管道建设也将取得更大的成就