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涂塑钢管涂塑工艺大百科全书

钢管在传输介质或置于大气、土壤等自然环境中,管壁都会经受不同程度的腐蚀,直接影响到管道的使用寿命。食品、医药、饮水、石油化工等行业使用的管道不允许管壁腐蚀使传输介质受到污染,钢管壁防腐成为关键技术,涂塑钢管应运而生。钢管涂塑技术采用特殊的工艺及专用设备将粉末涂料均匀地涂覆于钢管管壁,经固化(或塑化)后,在管壁形成一层平整、光滑、坚固的保护层,使管道成为复合制品。它既保持了钢管原有的强度和刚度,又具有塑料涂层防腐性能优良、光滑耐磨等特点,从而大大延长了钢管的使用寿命。钢管涂塑技术是一项管道防腐、保护管道输送介质的综合技术,是集涂塑工艺、专用工艺装备、涂层检测技术、系列涂层材料开发及施工应用技术为一体的综合研究开发成果[1]。钢管涂塑技术于二十世纪五十年代已开始研制和应用。美国是最早使用涂塑钢管的国家,早在1953年已研制成功内壁涂有环氧树脂的天然气管道,防腐效果显著,因而涂塑钢管迅速发展。六十年代末七十年代初,日本、德国(原西德)、前苏联等国家也相继开发和应用了涂塑钢管。现在,国外的涂塑钢管已形成系列化产品,进行规模化生产。日本的涂塑钢管已占全部管道用量的25%以上,美国则为50%左右。由于建造出口船舶的需要,中国船舶工业总公司船舶工艺研究所与江南造船厂、沪东造船厂联合研制了钢管内壁涂塑技术,经涂塑的钢管最先用于船舶海水管道,其耐蚀性、耐磨性大大超过热镀锌钢管。经过近二十年的发展,涂塑钢管的优良性能已逐渐被人们所认识,使用范围也逐步拓展,已运用于船舶、电力、石油、化工、城建等诸多行业。

涂塑钢管的特点一是涂层安全无毒。许多工业部门,如自来水、医药卫生等应用的环氧、聚乙烯等粉末涂层经测试和应用证明,与涂层接触的介质各项性能指标都在国标范围内,说明涂层无毒性,这是许多粉末涂层的一大优点;二是涂层附着力强。粉末涂料涂敷于管壁经加热固化后,涂料与钢管表面经高温反应后形成牢固的化学键,使涂层具有良好的附着力。在常温下长时间不会出现分离、脱落现象,特别是在抗热胀冷缩方面具有更佳的表现,耐候性更好;三是耐腐蚀能力强。对于多种介质中的酸、碱、盐及有机溶剂,粉末涂料都有较强的耐蚀力,有的粉末涂料使用温度达200℃ ,且能在强腐蚀性介质中长期使用;四是涂层质量容易控制。粉末涂料成形范围广,它对任何形状的工件表面都可以涂敷成形,而且涂层厚度可以控制,涂层的致密性也能保证。若一旦因意外因素造成漏点、针孔等,完全可以用涂层检漏仪探测出来,再加以补涂,以达到产品质量要求;五是涂层使用寿命长。船用热镀锌管改用涂塑管后,在船上使用20年内,毋需更换,采用镀锌管至少要更换两次。其他部门使用的涂塑管也比原先的管道使用寿命提高了2- 4倍;六是改善水力学效率,减少动力消耗。用于流体输送所消耗的相当部分动力都被用来克服流体和管子表面之间的摩擦阻力。因为涂塑管表面与裸露钢管表面相比是非常光滑的,这就使得这一阻力降至很小。研究表明,在输送流体的管道里,塑料涂层可使摩擦力减少50%;在气体管线内,涂层改善传递系数达25%,即增加25%的流量。试验还表明,管线中水力学效率的改善和动力需求量的降低一般在15~ 25%的范围内。换言之,在容许流量保持不变的条件下,可将管径降低到较小的尺寸。通常,人们认为塑料涂层对流体流动状况的改善和动力需求的降低仅仅是腐蚀防护的附加作用。而这种看法应当被二者所带来的巨大效益所纠正;七是大大减少了管道阻塞的机率。光滑的涂层表面不粘附任何物质,流体中的沉淀物或污垢由于缺乏滞留的“土壤”,从而降低了阻力和动力需求,也大大减少了管道的堵塞。

涂层品种根据钢管的功能和输送介质的类型及工况条件,可以选用相应涂层的涂塑钢管。常用的涂层有两种:聚乙烯涂层和环氧粉末涂层。聚乙烯涂层一般用于食品行业。卫生型的聚乙烯涂层无毒,能耐自来水、污水中矿物质的侵蚀,物理、化学性能稳定。聚氯乙烯涂层具有很强的耐酸稳定性,耐无水氢氟酸、饱和盐水的侵蚀,耐紫外线,具有良好的化学稳定性。环氧粉末涂层适用于海水管道、原油管道以及钠离子交换器等,能有效地抵抗氯离子、氧分子的侵蚀,对磷酸、草酸、硼酸以及稀盐酸的侵蚀,化学性能稳定。

涂塑工艺过程钢管涂塑工艺包括管子去内毛刺、喷砂处理、预热、涂敷、固化、检验等几个工艺步骤,图1为涂塑工艺流程图。

去内毛刺为了保证涂层具有良好的附着力,所有生产涂塑钢管用镀锌管的内毛刺均需要去除。去内毛刺的锌管用手电筒逆光检查,其内无明显的锌渣、焊缝等遗留物,焊缝高度应小于0.5 mm。此工艺中,强大的挤压辊装置能保证焊缝具有足够的挤压量。去外毛刺系统由两块刮刀组成,具有自动卷曲外毛刺及自动切断功能。去内毛刺系统采用圆弧形硬质合金刀片,刮除后的内毛刺经刀头打断随钢管带出。

喷砂处理喷砂是采用压缩空气为动力,以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海砂)高速喷射到需处理工件的表面,使工件表面的外表或形状发生变化。经喷砂后的锌管内壁应无积尘,无明显毛刺及锌渣、锌瘤等,并具有一定的粗糙度。

预热由于温度过高会影响锌管表面锌层的质量,并使涂塑层容易出现烧焦、不平整等现象,而温度过低又会使涂塑层表面粗糙,结合力下降,涂层薄甚至涂不上,因此,必须严格按照规定温度来设定。预热烘道温控范围:100℃ - 300℃可调。

涂敷粉末涂敷是一种干燥的施工工艺。带静电的颜料与树脂的微粒喷涂到接地部件上,带电粉末就附着在部件的表面直至在固化箱中熔融并形成平滑的涂层。粉末涂敷工艺,概括起来有喷涂、吸涂、浸涂、滚涂和散布法等几种。目前采用较多的有静电流化床吸涂和静电浸涂两种。

静电流化床吸涂流化床吸涂工艺是一种简单的浸涂工艺,有常规法和静电法。在常规流化床涂装工艺中,流化床就是一个带有多孔底板的槽罐,在多孔板下面不断充气使得低压气流均匀地通过多孔板,不断上升的空气将粉末微粒围住并使其悬浮在气流,形成粉末空气混合物,这种粉末空气混合物就象正在沸腾的液体一样,如图2所示。将预先加热到粉末熔融温度以上的制品浸渍到流化床中,粉末熔化并形成连续涂层。采用高的传送效率,涂装过程中就不存在滴落现象,拖带现象也几乎没有。

流化床粉末涂装技术应用于复杂成型制品的涂装,一次浸涂就可获得均匀、较厚的涂层,涂层的厚度为3- 10密耳(75- 250μm)。采用更高的制品预热温度,通过多次浸涂,可以获得100密耳(2500μm)厚的涂层。浸涂次数及浸涂温度对涂层厚度的影响如图3所示。在静电流化床中,安装在多孔板上的高压直流栅格可使得微粒带电。一旦带电,高压直流栅格将排斥粒子,粒子之间也相互排斥,这样就在栅格上形成了一团粉末。这些带静电的粉末就会被只有接地电压的待涂产品所吸引而涂饰在产品上。其粉末涂层厚度控制与静电喷涂类似。

静电喷涂粉末涂料静电喷涂技术采用的是粉末―空气混合物,在粉末进料斗中设置有一个小型的流化床以形成粉末―空气混合物。在某些情况下,进料斗的振动有助于防止粉末在进入输送线前发生堵塞或聚集。粉末通过一根软管被输送至喷枪中,喷枪的喷嘴由于高压直流电的输入而形成带电电极。静电喷涂枪决定着粉末的喷涂方向,控制着沉积速度、生成图案的尺寸、形状和喷涂密度,同时,喷枪也给正在喷出的粉末充电。喷枪可手工操纵,也可固定在连续喷涂室的一侧或两侧而自动喷涂,或手工、自动来回交替进行喷涂。粉末涂料静电喷涂施工中使用收集器来回收过量喷涂的粉末。这些回收粉末的重新使用可大大提高粉末涂料的传输效率。喷枪的设计有多种,不同之处在于如何使粉末带上静电。在某些情况下,粉末是由于摩擦而带上静电的。这种方式的优点在于粉末可以自由地在零件全部表面上形成平滑的涂层。而且,对产品表面的凹处沉积也有改进。涂层厚度依赖于粉末的化学性质、预加热温度和停留时间。对冷产品,厚度一般为1.5- 5.0密耳(37.5- 125μm)。如果产品能稍稍加热,一次性喷涂厚度可达到20- 25密耳(500- 625μm)。

固化加热,对热塑性粉末而言,仅仅是为了使其形成连续的薄膜,而对热固性粉末而言,它们需要进一步加热来使涂膜固化。常规粉末涂装的固化方法有四种:对流、红外辐射,对流与红外联用及紫外辐射固化。对流烘箱可采用气或电加热。在烘箱中,热空气环绕在涂装部件的周围并使其达到设定温度。紫外辐射固化一般作用于热敏性基材。特定配方的紫外光固化粉末涂料可在很低的温度(121℃)熔融并流动,经紫外线辐射,几秒钟即可固化。红外箱亦可以气或电作能源而产生红外线辐射。辐射的能量被粉末所吸收,而在粉末下面的基材又直接与粉末相接触,这样整个部件就不需要加热到其所需的标准固化温度。当红外辐射一定时间后,粉末就会以相对较快的速度流动并固化。对流与红外联用一般分为两个区(或两个阶段),第一区是红外辐射,用以迅速使粉末熔融(这种工艺被称之为近红外固化。另外,该类特殊配方的粉末涂料具有迅速吸收红外线的优势);第二区是对流烘箱区,在这里来自第一区的部件涂层固化完全。表1为热固性粉末涂料及紫外线光固化粉末涂料在不同加热方式下固化的比较。

钝化内涂钢管的外表面必须经过钝化处理,以阻止内部的物质与外界环境继续反应,起到保护作用。对于钝化层的基本要求是:能长期阻止有害杂质对器件表面的沾污;热膨胀系数与硅衬底匹配;膜的生长温度低;钝化膜的组份和厚度均匀性好;针孔密度较低以及光刻后易于得到缓变的台阶。在实际的器件表面钝化工艺中,为充分利用各种介质膜的特性,通常选用多层结构的钝化膜,如二氧化硅-磷硅玻璃-二氧化硅或二氧化硅-氮化硅-三氧化二铝结构等。

检验除去中间层的质量控制外,最后完成的塑料涂层都要进行严格的检验,其控制指标分为外观检查、厚度测量和针孔探测,这三项指标必须在许可的范围内。

涂塑钢管已广泛应用于食品、医药、饮水、船舶、电力、石油化工等行业,但与国外工业发达国家相比,钢管涂塑在国内的发展历史还较短,还有很多工作要做,展望未来,前景广阔。随着新的粉末涂料不断问世,耐候性、耐温性、耐磨性、耐强腐蚀性、节能性以及施工性能好的粉末涂料不断开发成功。发展节能型涂料、航空涂料,使其品种配套化、系列化及专用化。现已出现聚氨酯类涂料,可以实现钢管的常温涂塑,新技术不断涌现。