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浅谈管道防腐技术的发展现状


浅谈管道防腐技术的发展现状
管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的输方 式,是一种专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品的运输方式,是统一运 输网中干线运输的特殊组成部分。有时候,气动管也可以做到类似工作,以压缩 气体输送固体舱,而内里装着货物。管道运输石油产品比水运费用高,但仍然比 铁路运输便宜。大部分管道都是被其所有者用来运输自有产品。 管道

运输在世界上已经具有了 140 多年的历史, 在这 140 多年中管道建设的 相关施工技术、 施工机具以及防腐技术等方面的改变都很大。我国的管道技术方 面也有了长足的发展,并且已经形成了一套适合我国现在国情的管道的防腐体 系。 现在越来越多的人认识并认可了管道运输的优越性,由于经常发生因腐蚀所 引起的相关管线的穿孔破坏方面的问题, 所以用哪种材料来作为运输的管道已经 成为一大热点。 尽管我国的防腐涂层生产已经达到标准,一些技术也已经达到了 国外的先进水平,但是与国外相比,还是存在一定差距。尤其是在防腐层而言, 其在材料品质、设计应用以及补口技术等相关方面。

1. 电化学防腐
电化学腐蚀的特点是有电流产生电化学腐蚀中的电流也正是由于金属在电 解质溶液中形成了结构与原电池相似的“腐蚀电池”而产生的。通常在电化学腐 蚀的金属中,腐蚀电池极小,但数量极多。金属接触到电解质溶液,发生原电池 效应,比较活泼的金属原子失去电子而被氧化,腐蚀过程中有电流产生,叫电化 学腐蚀或电化腐蚀。例如钢铁在潮湿空气中,表面吸附一层薄薄的水膜,纯水是 弱电解质,它能电离出少量的 H+和 OH-同时,由于空气里的 CO2 的溶解使水里 的 H+增多,结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液薄膜,它跟钢铁的铁和少量 的碳或其它杂质恰好构成了原电池, 因此钢铁制品的表面就形成了无数微小的原 电池,在这些原电池里铁是负极碳是正极这时作为负极的铁就失去电子而被氧 化:Fe-2e=Fe2+;在正极,溶液里的 H+得到电子而被还原,最后产生氢气在碳的 表面放出:2 H++2e=H2,这种腐蚀通常叫析氢腐蚀。如果钢铁表面的水膜酸性很 弱或呈中性,在负极上也是铁失去电子而被氧化成 Fe2+,而在正极上主要是溶 解于水膜里的氧气得到电子而被还原,这种腐蚀叫吸氧腐蚀。

金属的电化学腐蚀和腐蚀的电化学控制, 目前基本上还建立在唯象理论基础 上,腐蚀理论和技术上的突破将主要依赖金属等材料界面电化学分子水平的研 究。当前的研究主要包括:在复杂的宏观体系中基元腐蚀过程及其相 互作用的 理论模型;决定体系使用寿命的参数及寿命预测;对重要技术设备 腐蚀实施监 控的传感器技术;应用于腐蚀保护的新电极材料;耐腐蚀新材料的开发;金属钝 化膜的成分、晶体结构及电子性质,钝化膜局部破坏和金属 局部腐蚀的理论模 型、统计处理及原位微区测试技术;金属表面耐蚀处理的技术和理论;缓蚀剂电 化学行为的分子水平研究。 国外已成功地将水性硅酸锌涂料用于长输管道的防腐, 其中著名的应用实例 有澳大利亚 Morgan-Wyalla 油管长达 250km,采用水性硅酸锌为防锈涂料,效果 很好。以色列、韩国采用环氧富锌底漆代替热喷锌,用于地下管道防腐,亦取得 良好效果。 使用富锌类涂料应特别注意的是锌在常温下相对铁是阳极,但在一定 温度范围内(76。7~ 104。4) ,锌对铁来说就变成了阴极,腐蚀发生时,铁成为 阳极首先被腐蚀掉。

2. 涂料防腐
2.1.环氧煤沥青层
随着过河管道、江心取水头部与岸边连接井管道、污水深水排放管道、长距 离江底或海底输水管线的修建,水下钢管防腐涂料发展很快。如: 环氧煤沥青、 环氧粉末、聚乙烯胶粘带、黄绿夹克及氯化橡胶漆膜等。 环氧煤沥青防腐涂料, 是以厚膜、长效和适用于严酷腐蚀环境条件为主要特 征的一种专用系列涂料产品。 该防腐涂料在水下管道工程中具有良好而稳定的防 腐性能,尤其是耐海水、江水的腐蚀,在国内外作为钢结构的长效防腐涂料被广 泛应用于恶劣的腐蚀环境中,它在水下钢质管道防腐工程中也得到了广泛应用。 如: 1997 年镇江市污水截流工程敷设的 DN1200 和 DN1400 两根总长各为 800m 的污水过江管道的内外防腐 (以下简称污水工程) 及 1998 年南京市大厂区饮用 水源改造工程敷设的两根 DN1400,总长各为 620m 的过江输水管线的外防腐(以 下简称给水工程) 均采用了环氧煤沥青涂料,并取得了良好的效果。 环氧煤沥青涂料是由环氧树脂、煤焦沥青、颜料、溶剂、固化剂等组成, 为 双组分包装, 一组分中有底漆和面漆, 另一组分为固化剂。它具有以下特点:

(1)防锈性和耐化学介质腐蚀性良好。在污水工程中, 管道内输送的介质 为城市生活污水和工业废水, 其化学成分非常复杂。在施工中, 管道内防腐采 用一底五油, 涂层厚度不小于 420um, 按理论计算的防腐层的保护年限为 20 年。 (2)电绝缘性优良, 耐离散电流、耐热、耐温度剧变等。环氧树脂本身是 热塑性高分子化合物, 加入固化剂后能在几小时内交联固化, 形成不熔的高分 子涂层。在两个工程中, 钢管的外壁防腐均采用一底四布五油, 涂层厚度为 600~ 900Lm, 玻璃布固化后形成类似玻璃钢结构的致密涂层, 从而使钢管表面 与外界电解质有较好的绝缘性。 (3)物理机械性能良好, 附着力好, 漆膜坚韧耐磨。成膜后分子结构中的 苯环上羟基已被醚化,所以质量稳定, 涂膜刚柔结合, 耐磨性好。另外, 因 涂膜分子中含有的极性羟基与相临界面产生引力, 如与金属表面上的游离键起反 应, 而形成牢固的化学键, 因而大大地加强了涂膜的附着力。在两个工程的施 工中, 钢管的防腐作业现场与安装地点相距很远, 需进行 2~ 3 次的吊装和运 输。在吊装和运输过程中没有发现大的损伤和剥落现象。

2.2.环氧玻璃鳞片涂料
玻璃是一种优良的抗化学药品和抗老化性的无机材料。玻璃鳞片是玻璃经 1700 ℃高温熔化再经独特工艺吹制而成的极薄的玻璃碎片,厚度一般为 2~5μ m ,片晶长度为 100~300μ m。玻璃鳞片的片径纵横越大,涂层的抗渗透性能 越强。玻璃鳞片能把涂层分割成许多小空间,使涂层中的微裂纹、微气泡相互分 割, 同时抑制了毛细管作用的渗透。玻璃鳞片的硬化收缩率只有其它材料的几分 之一到几十分之一, 这大大地提高了涂层的附着力和抗冲击性能,抑制了涂层龟 裂、剥落等缺陷。 2.2.1. 环氧玻璃鳞片涂料的特点 由于玻璃鳞片的化学惰性,使它具有良好的配伍性,可与氯化橡胶、氯磺化 聚乙烯、环氧树脂、环氧煤沥青、酚醛环氧树脂、不饱和聚酯树脂和乙烯酯等多 种树脂组成防腐涂料。 环氧树脂涂料本身具有良好的附着力、抗化学品性和电绝 缘性等优良性能。加入玻璃鳞片进行优良组合后,具有极优良的抗介质渗透性、 优良的耐磨损性、硬化时收缩率小,热膨胀系数小、衬里下基体温表粘结性好,

耐温骤变性好、施工方便,可采用喷、滚刷和抹等工艺,修补容易。 2.2.2. 玻璃鳞片涂料的防腐机理 涂料作为防腐层最简单的方法,就是使介质与基体隔绝,而涂料通常存在孔 隙,而介质(水、酸、碱)等小分子的直径一般比涂层的孔隙要小,加上这些与 涂层接触的介质都是直线地通过,而涂层又不可能涂得很厚(否则要产生裂纹) , 一般的涂料即使可以较好地耐其所接触的介质腐蚀, 但它抵挡不住介质向基体的 扩散渗透。 所以, 普通的防腐涂料一般只能作为大气防腐而不能起到衬里的作用, 尤其在液相介质和温度较高的场合。玻璃鳞片的加入使涂料发生了二方面的变 化, 一是可以加工成很厚而不要担心会发生裂纹,这是因为玻璃鳞片把涂层分割 成许多小的空间而大大地降低了涂层的收缩应力和膨胀系数; 二是由于玻璃鳞片 的多层平行与基体排列, 使介质扩散渗透的路线变得弯弯曲曲,延长了介质渗透 扩散至基体的时间。 用于涂料中的玻璃鳞片具有鱼鳞效应:成千上万的鳞片交错 排列, 形成涂层内复杂曲折的渗透扩散途径,使得腐蚀介质的扩散路线变得相当 曲折变曲,很难达到基材。

2.3.高固体分环氧铝粉漆
大部分环氧树脂涂料都是以高相对分子质量环氧树脂为成膜基料的, 而高固 体分改性环氧铝粉漆采用的是以低相对分子质量碳氢树脂改性的成膜物, 不含沥 青致癌物,不用异氰酸酯固化,具有优异的表面润湿性和渗透性,涂层附着力优 异,漆膜坚韧耐磨,与阴极保护系统相容性好,可以在冬季低温时固化。涂膜中 加入铝粉,增强了防水耐蚀性能。 埋地钢质管道由于处于埋地环境,不可能进行重涂,因此要求采用重防腐涂 装系统,同时要与阴极保护系统相容。漆膜要坚韧耐磨,不因搬运、安装和回填 等产生漆膜损伤。由于受施工场地的条件限制,涂料要易于施工,最好喷涂 2 道即可达到规定膜厚, 缩短施工周期。 而玻璃布增强的沥青或环氧煤沥青防锈漆, 涂层系统最高达 11 道工序。高固体分改性环氧铝粉漆体积固体含量高达 87%、 溶剂含量仅为 13%,为环保型高性能涂料。喷涂一道干膜厚度即可以达到 150~350um。碳氢树脂改性使涂膜具有良好的低表面处理性能,即使在打磨到 St2~3 级的钢材表面, 仍然有优异仍然有优异的附着力和长效耐久的防腐蚀性能, 这对于埋地管道的焊缝补口和漆膜损伤部位的修补显得特别有利。然而,由于埋

地管道要求超长期防腐 20~30 年,并且由于施工现场工期紧,工作任务大,因此 推荐全面喷砂到 Sa2.5,仅对补口处等部位做机械打磨处理。

3. 熔结环氧粉末外涂层技术在海底管线中的应用
在海洋石油工程中, 防止材料腐蚀是一项重要的课题,目前主要以涂层作为 防护手段。 环氧粉末是一种由环氧树脂、固化剂填料和颜料等组成的单组分、 热固性粉末涂料。 熔结环氧粉末涂层具有热固性交联分子结构特点以及与钢的某 种程度的化学键结合特性, 作为防腐层具有优良的性能,因此被越来越多地应用 于长距离输送油气管道的防腐。 国外 20 世纪 80 年代就用熔结环氧粉末外涂层取 代其他防腐涂层,90 年代以来,在新制定的海洋工程项目中,管道的防腐基本 都采用熔结环氧粉末外涂层技术。1981 年,英国 Marather 石油公司首先成功地 在北海安装了一条熔结环氧粉末和水泥配重涂层管线(直径为 762mm)近年来, 随着国内对管道防腐重要性认识的提高及管道防腐技术的发展, 也开始采用熔结 环氧粉末外涂层技术。2005 年,我国杭州湾和镇海海底管线项目的海底管线全 部采用熔结环氧粉末外涂层和混凝土配重涂层管线,目前已铺设完成并投入运。 大量的应用表明,熔结环氧粉末涂层是海底管道防腐的理想手段。 双层环氧粉末外涂层的特点: 双层环氧粉末外涂层是采用静电喷涂技术,将 环氧粉末喷射到预热钢管的表面, 利用环氧粉末的热固性交联分子结构特点以及 与钢的某种程度的化学键结合特性, 使环氧粉末熔结固化反应后形成坚硬而致密 的立体结构防腐层。 静电喷涂技术的基本原理是,环氧粉末由压缩空气输送到 喷枪前端, 粉末在喷枪出口处通过高压静电而产生空气电离层,此时粉末粒子带 有电荷, 而钢管外表面带有相反的电荷,飞向钢管表面的粉末粒子在静电力和黏 结力的作用下,吸附在钢管表面,形成一层厚度均匀的涂层。 双层环氧粉末外 涂层两种不同性能的涂层在喷涂过程中一次成膜熔结完成, 其底涂层由普通环氧 粉末熔结而成,主要起防腐作用;面涂层由改性环氧粉末熔结而成,主要起提高 机械性能的作用因此, 双层环氧粉末外涂层既具有优越的防腐性能,又具有良好 的抗冲击和耐磨的机械性能; 同时易于施工, 经济性也比较好。 铺设海底管线时, 管线管的防腐层和混凝土层会受到较大剪切力的作用, 如果配重层与防腐层的剪 切强度不够,则会出现配重层滑脱的现象。因此,需对防腐层进行增阻。不同类 型的防腐层所采取的增阻措施是不同的。根据国外的施工经验可知,石油沥青和

煤焦油瓷漆防腐层与混凝土有较好的相容性,配重时不需要采取增阻措施;熔结 环氧粉末外涂层和三层聚乙烯涂层与混凝土之间的摩擦阻力较小, 配重时需要采 取相应的增阻措施。

4. 结语
本文以管道防腐为例,通过对防腐材料的发展、管道防腐技术的特点、常用 的防腐层, 以及防腐材料新技术的发展加以分析和介绍,简要的减少了防腐材料 技术的新发展。虽然我国的防腐技术还不是很成熟,但是正在被改进和完善。例 如对于外防腐层而言, 其质量的好坏将会对管线运营的使用寿命以及安全起着直 接性的影响, 这就要求我们要对高压管线的检测技术以及防腐技术进行不断的提 高和改进, 以此来对安全等方面加以确保。相信在不远的将来我们的管道建设方 面也会取得比较辉煌的成就。

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