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611研究所环氧粉末涂层钢管肖善红

    钢管在传输介质或置于大气、土壤等自然环境中,管壁会受到不同程度的侵蚀,最后导致管道使用寿命的终止。例如:船舶海水管道,由于海水的侵蚀以及海水中固体颗粒的冲刷,管壁的腐蚀速度为1.2mm/年;石油管道,由于输送介质含有氧、二氧化碳、硫化氢以及各种盐、碱等,腐蚀速度高达1.8 mm/年。有的油田污水回注管线,在二至三年内,由于腐蚀出现多次穿孔,被迫更换管线。因此,必须对钢管的管壁采取防护措施,钢管涂塑技术就是一种较为有效的防护手段。

    所谓钢管涂塑技术,即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,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性,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,防腐蚀效果显著,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产品系列化、生产规模化。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。

    我国钢管涂塑技术的研究起步较晚。1985年,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。天津石油部施工技术研究所、华北油田设计院、河北廊坊管道设计所等也是国内研制了钢管内壁涂塑技术较早的单位。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、城建等行业,但与国外相比普及度还远远不够。·“钢管涂塑技术”已被原国家科委列为国家科技成果重点推广项目,相信随着该技术的进一步发展与应用,必将为我国国民经济和各企业带来可观的经济效益和社会效益。

1、钢管涂塑技术
钢管涂塑工艺
    钢管涂塑工艺流程见图。

    其中预处理、涂装方法、加热方式、检验以及粉末涂料是涂塑技术五个关健环节。
    预处理
    涂塑钢管是塑料涂层和钢管的复合制品,为了使塑料涂层很好地粘附于钢管表面,钢管表面必须无油、无锈、干燥、清洁和有合适的粗糙度,因此,在喷涂前,必须对钢管表面进行预处理。
    !除油
    首先必须去除钢管表面的油污。一般有以下几种方法:
    a)火焰除油法:将钢管通过火焰去除油污;
    b)高温除油法:将钢管放人高温炉内烘烤( 4000C , 2一4小时)去除油污;
    c)汽化脱脂法:采用三氯乙烯蒸气清洗钢管表面的油污;
    d)碱性溶化法:将钢管浸渍在碱性溶液中去除油污。
    通常采用高温除油法及火焰除油法。

    除锈
    钢管除锈可以用化学除锈法或机械除锈法进行。
    化学除锈法:酸洗磷化,这种处理方法是通过酸液去除钢管表面的锈斑和氧化皮,同时在钢管表面形成一层致密的铁系磷酸膜,此膜具有短期的防蚀性能,在涂塑钢管中是介于钢基体和塑料涂层中间的一层薄膜(2一6m ),它和塑料涂层的粘结力,一般仅达I N/mm,远小于经机械除锈法预处理后钢基体表面和塑料涂层的粘结力。
    机械除锈法:如喷丸及抛丸,这类处理方法是通过磨料撞击在钢管表面去除锈斑和氧化皮而得到锯齿状的凹凸活化面,增大塑料涂层与钢管表面之间的机械结合力。经预处理后的钢管表面清洁度应达到Sa2.5级,粗糙度应达到30一100m。机械除锈法除锈效果好,糙化质量高,且无化学溶液的污染,是钢管预处理的常用方法(,喷丸除锈对钢管内外壁都适用,只是效率太低;抛丸除锈效率很高,对钢管外壁较适用,但劝堑径小于600.钢管内壁就无能为力了。希望从事金属表面处理专家对此加以研究。

    涂塑方法
    几种较为常用的涂装工艺如下:
    热喷涂法
    热喷涂法,是将粉末涂料通过专用喷枪均匀地喷涂在预热钢管内(外)壁,使粉末熔化后粘附其上。该方法涂层均匀,钢管内外壁可同时涂塑,也可分别涂塑,但对小口径钢管的内壁涂塑难度较大。
    真空吸涂法
    真空吸涂法,是通过抽风机在预热钢管的一端抽风,使钢管内形成负压,然后通过专用供粉装置将粉末涂料引人管内,则可在钢管内壁形成一层均匀的涂层。该方法适用于小口径钢管的内壁涂塑。
    流化床法
    流化床法,是将预热钢管浸人已“流化”的粉末涂料中,依靠钢管本身的热量使粉末涂料熔化后粘附在钢管的内外壁。该方法涂层光滑,一般是钢管内外壁同时涂塑,对不需要涂塑的部位可以屏蔽起来。

    静电喷涂法,是使雾化的粉末涂料粒子带上静电,在静电场和喷涂气流的双重作用下,带电粒子流直接飞向接地的钢管,并被钢管所吸附。涂料粒子一接触到钢管,所带电荷即刻消失,于是涂料粒子聚集在一起。随着涂层的增厚,由于涂料粒子是非导体,电荷开始积累,当达到一定厚度,涂膜上所带的电荷与涂料粒子所带的电荷相同,由于同种电荷的排斥作用,涂料粒子的进一步堆积受到阻碍,因此涂层的增加自动终止。由于没有涂到的或涂层较薄的部位对带电涂料粒子的排斥作用小,而涂层较厚的部位对带电涂料粒子的排斥作用大,因此能获得厚度均匀的涂层。该方法一般用于涂层要求较薄的钢管。
    在涂塑钢管的生产过程中,往往根据钢管形状、尺寸,涂层要求等的不同选择不同的涂装工艺,也可几种涂装工艺并用。如小口径自来水管涂塑多采用真空吸涂法;内涂塑多采用热喷涂法;外壁涂塑多采用静电喷涂法;内外壁同时涂塑多采用流化床法,也可内涂用热喷涂法,外涂采用静电喷涂法。

    加热方式
    钢管涂塑工艺主要特点是高温烧结,因此加热是十分重要工艺环节。目前主要有两种加热方.式:炉式加热及中频加热。
    炉式加热
    炉式加热分为间歇炉和连续炉。从能源角度分,又可分为电炉、燃油炉及燃气炉。
    间歇炉:适应面广,缺点是能源利用率低。
    连续炉:适应面窄,优点是能源利用率高。
    从成本角度看,燃气炉最低,其次是燃油炉,电炉成本最高。
    小口径自来水管涂塑目前多采用连续炉加热;船用钢管涂塑则只能采用间歇炉加热。
    中频加热
    中频加热是一种利用电磁感应的原理使钢管瞬间升温至设定温度的加热方式。这种方式的优点是升温快,粉末上粉温度均匀,特别适合大批量、不带发兰的钢管外壁涂塑。目前,长距离输油、输气管道的外壁涂塑多采用中频加热。

    检验
    钢管涂塑后必须对涂层进行检验,主要质量指标为:外观、厚度和漏点(微孔))o
    涂层外观
    涂层外观检验通常采用目测法,即用肉眼观察,钢管内壁检验时,可借助手电筒等光源。涂层外观应平整,无气泡、无裂纹,无缩孔,允许有轻微桔皮。
    涂层厚度
    涂层厚度检验可选用磁力型杠杆式测厚仪、指针式涂层测厚仪和数字式测厚仪等。由于钢管涂塑所选用的粉末涂料的不同,对涂层厚度的要求也不同。例如:

    a)环氧涂层推荐厚度:300 - SOO}m;b)聚乙烯涂层推荐厚度:800 -1200mm
    涂层漏点(微孔)
    涂层漏点(微孔)检验,也称为涂层的无气孔检验,涂塑钢管的涂层必须无漏点、无针孔。通常可采用以下两种方法:
    a)高压电火花检漏仪
    对于涂层厚度在SOO}m以上的涂层,通常采用高压电火花检漏仪检验涂层的无气孔性,检测电压为SV/gym。如果整个涂层检测时未出现报警,则涂层无气孔。
    b)低压涂层针孔检漏仪
    对于涂层厚度小于SOO}m的涂层,在采用高压电火花检测时,有可能损伤完好的涂层(较薄的涂层被击穿破坏),因而通常采用低压涂层针孔检漏仪。该检漏仪用浸湿的海绵探头沿涂层移动,如果整个涂层检测时未出现报警,则涂层无气孔。

    粉末涂料
    用于钢管涂塑的粉末涂料主要有两大类,即热固性粉末涂料和热塑性粉末涂料。
    热固性粉末涂料是以热固性合成树脂作为成膜物质。它的特点是用某些较低聚合度的预聚体树脂加人适量的固化剂,经一定温度的烘烤固化,而成为不能溶化或熔融的质地坚硬的最终产物。当温度再度升高时,它只能分解而不能重新软化,属于化学交联变化。这类合成树脂分子量一般较低,但当它固化时能交联成网状的高分子量化合物,因此有较好的流平性、润滑性,能牢固地粘附于钢管表面,并且有较好的防腐性和装饰性。用于钢管涂塑的主要为环氧粉末涂料,也称为熔融粘结环氧(FBE )。
    热塑性粉末涂料以热塑性树脂作为成膜物质。它的特点是该树脂可随着温度的升高而变软,冷却后变硬,且这个过程可反复进行多次。通常热塑性树脂具有较高的分子量,所以具有优良的抗化学性、韧性和抗弯曲性。目前国内用于钢管涂塑的热塑性粉末涂料主要是聚乙烯粉末涂料,也称为熔融粘结聚乙烯(FBP )o
    两种粉末涂料涂层的性能对比见表20

    从表2可见,环氧粉末涂料相比而言具有优势。这也是近年来,长距离输油、输气管道多采用环氧粉末涂料的原因所在。
  这里顺便介绍一下三层PE和双层环氧粉末防腐,三种涂覆形式的比较见表30
    三层PE包括环氧粉末底层、胶粘剂中间层和聚乙烯面层。其中环氧粉末底层的作用是形成连续的涂膜,与钢管表面粘接、固化而提供良好的附着力,并具有耐化学性和抗阴极剥离能力,胶粘剂的作用是将底层与外面的聚乙烯层粘接,使三层成为一个整体。三层PE防腐结构兼有环氧粉末涂料的附着力、防腐性和聚乙烯层的韧性、抗破坏性,弥补了各自的缺点,从而大大提高了涂层的使用寿命。这种防腐形式的缺点是聚乙烯虽有良好的绝缘性,但它会阻碍阴极保护电流的通过,使阴极保护失去了作用。保护层一旦破损,将会引起破损处快速腐蚀。
    双层环氧粉末涂层系统是由两种不同的环氧粉末涂料在喷涂过程中一次喷涂成膜。底层为普通单层环氧粉末涂层,提供防腐性和附着力;外层为增韧层,提供耐机械损伤性能。因为两层的基料具有相同的结构,所以具有较好的相容性,可形成一个有机的整体,不会产生层间分离现象,整体涂层厚度为625一1000 m(底层250一350 m,外层350一600 m)。


3、环氧粉末涂层钢管的特点
    环氧粉末涂层钢管是一种复合钢管,钢管本身的性能(如刚性好、强度高),在此就不展开论述了。本文重点讨论环氧涂层的性能以及涂层与钢管的附着性。
    极佳的附着力
    环氧粉末涂层钢管的粘结强度一般为40一I OOMpa,是聚乙烯粉末涂层的4一10倍。
    环氧粉末涂层对钢管的粘结强度是十分重要的一个指标。两者之间良好的附着力是形成复合管道的必备条件。另外,两者之间良好的附着力还可以大大克服渗析和电渗析等物理作用产生的涂层起泡和开裂现象。
    良好的抗变形损伤能力
    提到环氧涂层,一般人们容易联想到“脆”。但环氧粉末涂层却具有良好的韧性,其伸长率可达3一5%。扁平试验结果更能说明这个问题。将一段涂层钢管平放在压力机下压,钢管外径压缩20%,亦即扁平率为8/10,涂层不会开裂。对此,JWWA K133及CJ120都有规定。
    优良的耐冲刷和气蚀性
    由于环氧粉末涂层为极性的高温烧结涂层,内聚强度高,坚固耐磨,因此其具有优良的耐冲刷性和耐气蚀性。例如,冲刷实验中,用含有10%120目沙粒的1 %NaCI溶液冲刷涂层样板,临界流速仍可达7m/s。这充分证明环氧涂层具有优良的耐冲刷性和气蚀性。
    良好的减阻效果
    环氧粉末涂层钢管表面平整光滑,摩阻系数小,长距离输送介质时,输送效率可提高5一10%a我国“西气东输”管道内壁的减阻层即为环氧粉末涂层。

    优良的抗阴极剥离性和阴极屏蔽性
    环氧粉末涂层钢管在运输、安装、使用过程中不可避免会出现小的损伤,导致该处形成小阳极大阴极的局部腐蚀,故工程上往往采用阴极防护的方法来弥补。在阴极保护电流的作用下,管道作为阴极。当水、氧、离子等渗人涂层中,作为阴极的管壁处于高碱性环境,碱性物质沿管壁渗透,易导致涂层与管壁剥离。这就称为阴极剥离。所以,要求涂层具有良好的抗阴极剥离性。环氧粉末涂层的抗阴极剥离在1.5一4mm之间,远小于国外用于重腐蚀防护上的6mm的标准。
    另外,环氧粉末涂层有一定的微渗水性,又保证了在阴极保护时有微电流通过,而不会象聚乙烯一样产生阴极屏蔽现象。
    优良的抗水渗透性
    涂层长期与水接触,一般会发生软化、溶胀、起泡及附着力下降等现象,这与涂层的抗渗透能力不佳直接相关。有机涂层是一种半透膜,水分子绝对不渗透是做不到的,优良的涂层应长期浸泡在溶液中不发生明显的吸水和溶出。

    在无机物水溶液中,水分子是体积最小的液体介质,渗透性比一般的水合的离子强。有机涂层的一般规律是在海水中抗渗水性最好,自来水次之,在蒸馏水中最差。所以涂层在蒸馏水中的渗透能力直接反映了涂层的致密性。
    环氧粉末涂层在60 C蒸馏水中的增重率在3%以下,说明环氧粉末涂层具有优良的抗水渗透能力。
    良好的耐化学腐蚀性
    环氧粉末涂层具有良好的耐碱、耐酸及耐盐腐蚀性能。常温下可抵抗下列介质的侵蚀(举例):25%盐酸’、40%硫酸、30%硝酸、20%的氢氧化钠水溶液、乙醇、甲醛、汽油、柴油、水、原油等。
    良好的可修补性
    涂层钢管在安装运输过程中,一旦发生损坏,必须及时修补。环氧粉末涂层,是强极性物质,与修补材料粘结强度高,修补方便。修补材料可选用北京北科双元的EP-025100或3M的ScofchRofe323无溶剂环氧涂料,而聚乙烯则难以修补,即便修补了,层间附着力及耐腐蚀性也都大大降低。

    卫生性环氧粉末涂层组成较为复杂,对其毒性问题,人们总是心怀疑虑。其实,只要正确选择材料,完全可以制成无毒的环氧粉末涂层。2001年中国船舶工业总公司船舶工艺研究所已率先研制成无毒的环氧粉末涂料,且获我国卫生部第一份粉末涂料类涉水产品卫生许可批件《卫水字(2001 )第0064号乳
    较长的使用寿命
    环氧粉末涂层附着力高,耐老化性能及耐环境开裂性好,因此,其使用寿命较长。据资料介绍,环氧粉末涂层的使用寿命可超过SO年。中国船舶工业总公司船舶工艺研究所生产的环氧粉末涂层钢管使用最长的已达20年。

    通过20年的发展,环氧粉末涂层技术在我国已相当成熟。目前,巨大的市场也已经打开。展现在我们面前的是一个十分诱人的前景。关键是要抓住机遇。但是,机遇只会光临有准备的头脑。努力吧,同行们!