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防腐材料和补口技术的现状及应用发展分析

随着我国管道技术的发展,已逐步形成一套适合国情的管道防腐体系(煤焦油瓷漆、石油沥青、环氧粉末、聚烯烃三层复合结构防腐涂层)。防腐涂层在不同时期的应用状况、结构性质、涂敷工艺、防腐效果各不相同,只有合理使用才能达到质量、寿命与经济的最佳配合。虽然防腐涂层实现了标准化,某些技术已达到国外先进标准,但与国外相比,防腐层在设计应用、材料品质和补口技术等方面还存在一定差距。

1 我国管道防腐技术的特点与应用现状

(1)采用涂层隔离防护与阴极保护相结合的工艺进行防腐

(2)防腐涂层一般在防腐厂集中预制和现场补口补伤,施工机械化程度高,效率高,质量稳定;

(3)从防腐涂层的应用现状看,长输管道和油田内部集输管道防腐材料多为熔接环氧粉末、三层聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆,非主要管道防腐涂层仍为石油沥青类,城市供水、供气管道防腐材料则一般多采用环氧煤沥青和胶带、煤焦油沥青(瓷漆)、石蜡、石油沥青、胶带、夹克、沥青玻璃布涂层,国家重点工程采用聚烯烃三层复合结构涂层;

(4)补口补伤材料及结构应与主体防腐层相一致,补口补伤后应达到主体防腐层的各项性能指标,其施工及验收实行监理制。

2 管道防腐材料的发展趋势和展望

2.1 防腐材料的发展趋势

九十年代后期,熔接环氧粉末(FBE)和三层聚乙烯(PE)两种防腐层逐渐成为主流,而新型防腐材料三层环氧也少量使用。由熔接环氧粉末和聚乙烯发展而来的三层聚乙烯逐步代替煤焦油瓷漆(九十年代),目前国外防腐层发展趋势是改进三层结构,在双层熔接环氧粉末结构上下功夫,例如,在熔接环氧粉末表面采用液态聚氨脂或改性环氧树脂,改性的目的是防止在吊装、敷设,穿越道路及河流等各工序中发生损坏。最近有一种被称为󰀁粗糙防腐层󰀁的新材料,用在熔接环氧粉末和聚烯烃防腐层的外部(防止管道运输中的滑移),或用于混凝土加强层前的管道防腐。据美国1997年统计,各种防腐层按面积计算所占比例为:熔接环氧粉末39.12%,挤塑聚乙烯49.27%,煤焦油瓷漆为6.94%,沥青瓷漆为0.33%,煤焦油环氧0.8%,其它3.54%。

2.2 防腐材料的技术展望

业内专家认为,高性能合成树脂、颜料、填料防腐材料应着重发展。(1)树脂、氟树脂,尤其是溶剂型氟烯烃共聚树脂的开发,是今后解决氯碱、农药、硫酸行业苛刻环境中腐蚀的有效途径之一,对氟涂料的研究,要注重配套问题;聚苯硫醚(PPS)、改性酚醛树脂等能有效防护较高温度的强腐蚀,值得进一步开发与应用;互穿聚合物网络(IPN)共混技术是大分子层次上的设计,能获得综合性能优良的合成树脂,可带锈涂装,在酸碱盐等苛刻环境中应用,并取得很好的防护效果;(2)颜料,低毒或无毒长效防锈颜料是当前开发的一大热点,如改性磷酸锌防锈性能可和铬酸锌相比,而三聚磷酸铝,铁酸盐,偏硼酸盐,钼酸盐也有很好的防护性能;(3)填料,鳞片状填料(玻璃鳞片,不锈钢鳞片)是重腐蚀涂料在苛刻环境成功应用的重要保证,同时注重对功能性涂层填料的开发,使吸收渗入涂层中的腐蚀介质后膨胀,增加涂层的紧密性。现在已研究出有机聚合物改性的聚硅氧烷涂料(环氧聚硅氧烷涂料和丙烯酸聚硅氧烷涂料)。日本生产出了一种新型防腐蚀涂料,将该涂料涂在生锈的金属物体表面后,涂料中的特殊树脂就与铁镁产生反应,形成一层薄薄的膜,从而使铁锈稳定;此外,薄膜还能隔绝空气,防止金属被氧化,使用该涂料不必先清除金属物体表面铁锈,可省工省时,又降低成本。俄罗斯研制出一种适合金属结构材料防腐用的环氧棉籽酚防腐油漆,该油漆内含氯离子和硫酸根离子不超过30g/L,其成分包括环氧树脂和棉籽酚胺固化剂,漆中加入各种颜料,该漆可耐温40󰀁,可涂刷,喷刷或辊刷,涂层在20󰀁下干燥需时不超过一昼夜,同时,该漆还可提高金属的硬度及抗弯强度。

随着能源政策调整,长输管线建设在我国将很快形成高潮,防腐技术必呈现出新需求:第一、财政和认识水平等多方面因素,价格昂贵的防腐涂料的应用必受局限,综合性能好、成本低廉、使用方便、易于推广的新材料和新工艺则受欢迎,急需加强在这方面的研究工作;第二、国内管道常以涂层防腐为主,阴极保护为辅,甚至有些未采取阴极保护技术,随着对阴极保护作用认识的深入和该技术的逐步完善,势必出现两者并重的新局面,从而大大提高管道运行寿命;第三、工程建设监理制引入管道防腐设计、

原材料供应及施工招标、施工过程等阶段,将有助于优化方案设计,减少甚至避免设计失误,确保防腐工程质量。因而我们应抓好防腐材料的研发和应用。

3 防腐层补口技术的新发展

3.1 熔接环氧粉末补口技术

国外该补口技术已向多样化方向发展,如液态环氧、聚氨酯、冷缠带和收缩套用于熔接环氧粉末防腐层补口,对于三层(熔接环氧粉末)防腐层补口,关键技术在与管体聚烯烃的粘结上。经试验研究,目前已开发出熔接聚丙烯聚合物,挤塑聚丙烯片,火焰喷射聚丙烯共聚物,注模聚丙烯和合成挤压聚丙烯带5种补口技术,它们在结构上都以熔接环氧粉末作为第一层,并在该粉末胶化期间喷射絮状的聚丙烯共聚物与其粘结,最后涂外保护层,尤以火焰喷射聚丙烯共聚物最常用。

3.2 熔接接头技术

对于二层或三层聚乙烯防腐层补口,国外研究了一种新方法(称熔接接头保护结构),它将夹克层紧贴管表面,用加热元件加热夹克,使补口夹克和管体上的夹克熔融在一起,该结构具有机械强度好,密封性能好,耐磨等特点,可用于定向钻和沙漠土壤应力大的环境里。

3.3 液态材料补口技术

当采用传统的热收缩套和三层材料补口时,阴极屏蔽很重要,有调查资料指出,热收缩施工合格率只有50%,对全部采用热收缩套补口的一条长370km的煤焦油瓷漆防腐管道和长110km的三层聚乙烯防腐管道进行了调查,结果表明,有漏点的补口高达80%,由于补口失败,导致管道严重腐蚀。而液体材料补口可避免此类问题,液体补口是国外一种较新技术,发展很快,主要有液态环氧和聚氨酯两种补口。3.4󰀁三层聚烯烃补口

采用该种补口时,主要考虑材料与管体防腐层的相融,故需用专用补口技术,据报道英国PIH公司已开发了三层聚丙烯补口,先在管道表面涂一层250󰀁m厚熔接环氧粉末后,再涂一层200󰀁m厚化学改性聚丙烯粉末,最后把预先制备的300mm宽的聚丙烯复合带贴到接口处并用挤压钳夹紧。

4  选择防腐涂层时应考虑的因素及工程应用

埋地管道腐蚀主要是土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀,以土壤腐蚀为最主要,引起该腐蚀的主要因素有土壤的电阻率和酸碱度及湿度、土壤中的氧、微生物等,针对这些因素,要求外防腐层必须具备良好电绝缘性和一定的耐阴极剥离能力,良好的机械性能(抗冲击强度、粘结性等)和稳定性(耐酸性、耐水性、耐热性等),同时考虑涂层破损时易于修补。进行外涂层选择时,应充分考虑钢管外表面预处理,防腐层的粘结性、涂层厚度、抗剥离性能、抗冲击性能、水渗透性、工作温度、涂敷工艺、微生物侵蚀及阴极保护的相容性等的影响,因此应先对管线的腐蚀环境进行调查分析,选择适宜的防腐材料及结构,进行必要的实验。在充分考虑技术可行性、经济合理性及施工的可操作性后提出防腐方案

以下列出一些防腐层的特性。

4.1 熔接环氧粉末防腐层

有极好的附着力,低阴极剥离值,较高的抗冲击性和低吸水性,当温度升高时单层熔接环氧粉末对附着力和阴极剥离的增加较敏感,而双层熔接环氧粉末防腐层在高温条件下表现出较好性能,其吸水率虽随温度升高而增加,但仍处于可接受的范围。因防腐层的吸水率较高,故对阴极保护电流不会产生屏蔽作用。熔接环氧粉末为热固性塑料涂层,六十年代开始被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工艺技术。后经多次改进配方和涂敷工艺,七十年代后期在美国和加拿大得到广泛应用。

4.2 胶带防腐层

有较高的抗冲击性,低吸水率,中高阴极剥离和适中的附着力值,在温度达到60󰀁时会出现阴极剥离超标,不能使用;在现场的土壤应力试验中,胶带防腐层的土壤应力性能较低,在有土壤应力的环境中不宜使用,高温沙漠地区不宜使用。在东北输油管道防腐层大修中广泛应用。

4.3 多层结构防腐层

具有较高的附着力和抗冲击性,低阴极剥离值和低吸水率,热水浸泡下有良好的性能,浸泡后仍能保持较好的附着力。

4.4环氧煤沥青

附着力好,抗冲击性能低,抗阴极剥离能力较强,吸水率低,在热水浸泡下性能相对较好,但在试验时(如固化时间长,针孔多,面积电阻低等)体现不出来;󰀁大港油田󰀁529mm输气管线,从千米桥到压气站共20km,原采用石油沥青防腐层,因不耐海滩地的盐碱腐蚀,仅三年就失去了防腐作用。1986年,由东化防腐公司现场施工将石油沥青层清除掉,涂敷环氧煤沥青特强级防腐层,至今完好;󰀁秦皇岛东方石油有限公司1994年建油库,填海区的地下管道、压仓污水管道和栈桥管线,均选用环氧煤沥青涂层内外防腐,至今完好;山东大家洼碱厂(潍坊碱厂)1996年建厂初期,地下管线及油罐罐底采用环氧煤沥青冷缠带。

4.5聚氨酯

有较高的抗冲击性,低附着力,高阴极剥离值,低吸水率,热水浸泡性能较差;聚氨酯防腐涂料在大港油田的港沧输气管线大修工程、天津宾西立交桥穿越管线防腐工程中成功应用,其施工涂层外观平整光滑,涂层连续完整,附着力好,取得了很好的经济效益和社会效益。

4.6挤塑聚乙烯

有较好的附着力,较好的抗冲击性,较低吸水率,热水浸泡下性能较差,在可接受的阴极剥离值内。

5 结语

应用防腐层的目的决定了对其性能的要求,其基本性能(粘结力、抗微生物侵蚀、机械性能、吸水性、阴极剥离等)的检测多数是在防腐层制作过程中进行的,因短期的试验不能预测出管道在各种环境下长期使用可能出现的各种问题,且不同类防腐层厚度相差较大,涂层的防护效果受诸多因素动态作用,对它们的试验方法和结果也存在差异,因此工程实践经验是非常宝贵的佐证材料,应非常重视;另外,还应加快对防腐技术的研究投入,促进防腐材料和补口技术的发展,提高我国的防腐技术水准!

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