第一情报 ---材料工业

管道防腐材料及发展

供稿人:柳贺  供稿时间:2011-7-18   关键字:管道  防腐  

随着科学技术的发展,大量新的防腐技术和防腐材料将不断涌现,管道防腐的选择范围将越来越广阔,性能将越来越优越。防腐材料的选择应从防腐性能、经济性、原料来源、使用环境、批量施工质量是否能得到保证等多方面考虑,根据不同需要选择适合的防腐方法。

一、常用外防腐材料/技术

目前应用于埋地钢质管道的常用的外防腐材料有:石油沥青、环氧煤沥青、熔结环氧粉末、三层PE、煤焦油瓷漆等。
 
石油沥青是使用历史最长的防腐方法,现已逐渐被淘汰。它的优点是来源广、造价低;缺点是不耐细菌腐蚀、物理性能差、施工污染环境。
 
环氧煤沥青是以环氧树脂和煤沥青为基料,加热混熔,添加适量溶剂、防锈颜料和填料,混合研磨制成。具有优良的耐水性、防腐性及良好的粘接力、机械强度和绝缘性优点,可以冷涂施工,灵活方便。环氧煤沥青涂料的缺点一是涂后需要较长的固化时间,在气温低时无法施工;二是由于成分中含有挥发性有机溶剂,易使涂层产生针孔而形成薄弱环节,而且有机溶剂对人体有害;另外,涂层较薄(0.4~0.6mm),在运输吊装中涂层极易受到破坏。
 
环氧粉末为热固性塑料涂层,上世纪60年代开始应用于管道防腐技术中。1971年用于阿拉斯加大口径输油管道工程,采用的是高压静电喷涂技术。后经多次改进配方和涂敷工艺,上世纪70年代后期在美国和加拿大得到广泛应用。与传统的手工涂敷环氧煤沥青涂层相比。环氧粉末喷涂是以粉末形态喷涂熔融成膜,其生产线全部自动化,无污染,固化速度快,而且具有40年以上的寿命,性能价格比远远高于传统技术。环氧粉末的突出优点是对钢管的附着力强。因此它具有很强的耐土壤应力、耐阴极剥离,并能与阴极保护良好配合,而且温度适应性强、耐腐蚀。不足之处:一是涂层太薄,机械强度低;二是耐紫外线差,易粉化;三是对耐水性较差;四是施工要求极严格,补口补伤也很麻烦;五是费用较高。
 
三层聚乙烯(三层PE)在20世纪80年代由德国曼内斯曼公司发明,被称为“完美涂层”,结构由以下三层组成:底层为熔结环氧(60~80μm),中间层为胶粘剂(170~250μm);面层为挤塑聚乙烯(约2mm)。防腐层总厚度大于2.2~2.9mm。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,其最大优势是机械强度好,因而成品管在远距离运输时可减少损伤,防腐层在山地岩石地段抗冲击和抗挤压能力强,并适于管道穿越段,因此作为埋地管道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。但是,它也有不足之处,如与管体配套的现场焊缝处的补口、补伤及异型管件的防腐很难做成三层PE结构,施工要求高,费用高等。它已成为今后管道外防腐层的发展方向。
 
煤焦油瓷漆是在煤沥青基料中加入煤粉、煤焦油馏分、填料等经高温反应改性而成,改性后的煤沥青具有象搪瓷一样的光亮和耐蚀性,它是世界上使用历史悠久、应用普遍的防腐材料。通过在沙漠,戈壁、盐湖、海洋、沼泽等各种土壤环境长期应用实践,证明其防腐效果好、使用寿命长、施工简单、现场补口补伤容易、由于涂层厚而在长距离运输中不易受到损伤、价格低廉、在施工和质量检验等方面也积累了成熟的经验,并有完善的规范和标准,至今仍是国外主要的管道防腐材料之一。优点:粘结性好;吸水率低,一般在0.3%~0.5%;抗微生物侵蚀;抗植物根茎穿透;抗烃类侵蚀、溶解,耐盐碱强;日常维修量小,寿命长,可达60年以上的使用寿命。其不足之处一是涂敷施工时有烟气溢出,污染环境,如无烟气净化设施会对环境和作业人员造成危害,在人口稠密的地区不宜采用;二是温度适应范围比环氧粉末小,在-30~80℃之间。
 
阴极保护分外加电流法和牺牲阳极法,它们的基本原理和保护效果是相同的,即将被保护的金属管道进行阴极极化,使电位负移到金属表面阳极的平衡电位,消除其电化学不均匀性所引起的腐蚀电池,使金属免遭腐蚀。阴极保护的费用约占管道工程总费用的1%~2%,管理简单,可有效延长管道寿命一倍以上。然而,阴极保护毕竟只是一种保护措施,其保护作用也是极其有限的。采用外防腐结合阴极保护是国内外一项成熟的应用技术。美国腐蚀工程学会(NACE)认为,管道防腐层的保护作用占99%,而阴极保护的作用仅占1%。

二、防腐材料的新发展

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。
 
双层环氧(双层FBE)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蔓层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。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。
 
环氧/改性聚乙烯粉末防腐层为美国报道的一种新型双层粉末结构,该结构是在FBE防腐层(0.30~0.64μm)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。
 
液态聚氨酯防腐涂料(PU)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1.2mm。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。
 
无机非金属防腐层目前主要有陶瓷涂层、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,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。
 
纳米改性材料涂层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。
 
参考文献:
[1]        呼建刚. 埋地钢质输水管道的内外防腐选择[J]. 内蒙古环境保护. 2004, 17(3): 47-48
[2]        李远利, 雍歧卫, 刘志. 管道防腐涂层新发展[J]. 涂料工业. 2007, 37(2): 55-57

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