摘要: 天然氣管道涂敷內(nèi)減阻涂層可以減小渦流區(qū)、降低湍流程度、提高輸送效率、降低壓氣站能耗及運(yùn)行費(fèi)用。目前國(guó)內(nèi)的涂層以溶劑型涂料為主，溶劑型涂料含有大量揮發(fā)的有機(jī)溶劑（VOC），不但會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，而且還有可能對(duì)自然環(huán)境造成污染；而無溶劑涂料不含VOC，各項(xiàng)機(jī)械性能和耐化學(xué)介質(zhì)性能都明顯優(yōu)于前者。為了克服無溶劑環(huán)氧脆性大、抗彎曲性能差、涂料黏度過高及施工難度大等缺點(diǎn)，從涂料改性和改進(jìn)噴涂工藝參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了研究，并在中俄東線天然氣管道工程試驗(yàn)段開展了驗(yàn)證試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：①固化劑對(duì)涂層的抗彎曲性能影響較大，較之于改性酚醛胺和脂肪族多元胺固化劑，聚酰胺類對(duì)增強(qiáng)涂層的抗彎曲性能效果顯著；②環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)的支鏈越短、分子量越小，黏度越低；③涂層生產(chǎn)宜采用常溫下黏度小于10 Pa·s 的樹脂原料，并添加適量的稀釋劑；④涂層生產(chǎn)過程中鋼管內(nèi)壁粗糙度宜控制在30 ～ 50 μm，噴涂溫度控制在50 ～ 70 ℃，噴涂壓力需大于5 MPa，涂層厚度控制在65 ～160 μm，可更好的保證涂層滿足工程需求；⑤在中俄東線天然氣管道工程中，應(yīng)用無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的節(jié)能效果顯著。結(jié)論認(rèn)為，該研究成果解決了無溶劑環(huán)氧涂料的施工以及涂層性能較差的問題，可以為無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的應(yīng)用提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞:節(jié)能；環(huán)保；無溶劑環(huán)氧減阻；內(nèi)涂層；固化劑；稀釋劑；黏度；中俄東線天然氣管道工程
0 引言
中俄東線天然氣管道（以下簡(jiǎn)稱中俄東線）工程試驗(yàn)段屬于黑河—長(zhǎng)嶺管道的一部分，管線長(zhǎng)度約為78 km，管外徑為1 422 mm，設(shè)計(jì)輸送壓力為12MPa。由于中俄東線的黑河—長(zhǎng)嶺段是中國(guó)首次大規(guī)模采用外徑1 422 mm 的X80 鋼管道，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)焊接、防腐、檢測(cè)、施工規(guī)劃等內(nèi)容還需通過工程試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證，以期為外徑1 422 mm 管道后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[1]。借此機(jī)會(huì)在試驗(yàn)段開展了無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)應(yīng)用工作。
環(huán)氧涂料是天然氣管道減阻內(nèi)涂層的主要原料[2]，被美國(guó)石油學(xué)會(huì)API RP 5L2[3] 標(biāo)準(zhǔn)推薦使用[4]。目前國(guó)內(nèi)外減阻內(nèi)涂層基本上都采用以有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的溶劑型環(huán)氧涂料，在涂膜過程中揮發(fā)的有機(jī)溶劑（VOC）占涂料總重量的30% ～ 50%，VOC不但會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，而且還有可能對(duì)自然環(huán)境造成污染[5]。無溶劑型環(huán)氧涂料固化成膜時(shí)活性溶劑也參與反應(yīng)并成為涂膜的組成部分，但在施工過程中沒有溶劑揮發(fā)，減少了大氣中VOC 的排放量，可以更好地滿足環(huán)保要求。此外，無溶劑環(huán)氧涂料的各項(xiàng)機(jī)械性能和耐化學(xué)介質(zhì)性能都明顯優(yōu)于溶劑型環(huán)氧涂料，耐磨性、附著力、抗剪切強(qiáng)度等機(jī)械性能尤為突出。無溶劑涂料的缺點(diǎn)主要是涂層過厚、脆性大且抗彎曲性能差、涂料黏度過高及施工不便等。目前國(guó)內(nèi)外都在開發(fā)無溶劑減阻內(nèi)涂層，但均未在工程中大規(guī)模應(yīng)用[6]。為此，筆者從涂料改性和改進(jìn)噴涂工藝參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了研究，并在中俄東線工程試驗(yàn)段開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，以期克服無溶劑涂料的上述缺點(diǎn)。
1 無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層特點(diǎn)
1.1 無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的減阻原理
由于管道內(nèi)壁具有一定的粗糙度[7]，導(dǎo)致天然氣在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)主要以湍流為主，天然氣流經(jīng)管道內(nèi)壁凸起物就會(huì)形成渦流區(qū)。管道涂敷內(nèi)涂層使得渦流區(qū)減小、湍流程度降低[8]，可以提高輸送效率、降低壓氣站能耗運(yùn)行費(fèi)用（圖1）。
1.2 無溶劑與溶劑型環(huán)氧減阻內(nèi)涂層對(duì)比
無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層相對(duì)于溶劑型環(huán)氧減阻內(nèi)涂層主要差別在于：無溶劑涂料在生產(chǎn)和涂敷過程中不需要采用揮發(fā)性的有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)，而采用低黏度胺類固化劑和環(huán)氧樹脂經(jīng)過交聯(lián)反應(yīng)合成的涂層，該涂層具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐化學(xué)性能以及良好的防腐性能。無溶劑型和溶劑型環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的主要差異如表1 所示。
表1 無溶劑型和溶劑型環(huán)氧內(nèi)涂層性能對(duì)比表
2 無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層技術(shù)研究
2.1 減阻內(nèi)涂層性能試驗(yàn)及材料比選
針對(duì)無溶劑減阻內(nèi)涂層的缺點(diǎn)，在中俄東線設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)單位聯(lián)合研究院與涂料生產(chǎn)廠商開展了相關(guān)研究和試驗(yàn)工作，致力于解決其脆性大、抗彎曲性差、黏度大以及噴涂施工困難等問題。
2.1.1 固化劑對(duì)涂層性能的影響
抗彎曲性能是無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的一個(gè)重要指標(biāo)，而對(duì)抗彎曲性能影響較大的是固化劑。常用的固化劑有聚酰胺、改性酚醛胺、脂肪族多元胺等幾種。固化劑的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)速度對(duì)涂層影響較為明顯。酚醛胺、脂肪族多元胺由于其自身分子鏈較短、分子量小、活化期短、反應(yīng)迅速，所以造成內(nèi)涂層硬脆性大[10]。聚酰胺類與環(huán)氧樹脂反應(yīng)慢，而且分子量較大、反應(yīng)活性基團(tuán)較少，反應(yīng)產(chǎn)物交聯(lián)密度低、固化產(chǎn)物柔性好，從而可以增強(qiáng)涂層的抗彎曲性[11]。故推薦聚酰胺類固化劑作為涂層原材料使用。
2.1.2 黏度對(duì)涂層性能的影響
樹脂基料、稀釋劑以及固化劑都會(huì)影響涂料黏度。以上已基于抗彎曲性能選定了固化劑類型，故這里只考慮樹脂基料和稀釋劑對(duì)涂層性能的影響。
環(huán)氧樹脂的黏度與其分子結(jié)構(gòu)和分子量有直接關(guān)系，支鏈越短、分子量越小，黏度越低，因此應(yīng)選擇支鏈較短、分子量較小的樹脂原料。根據(jù)中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)研究，推薦使用常溫下黏度小于10 Pa·s 的樹脂原料。稀釋劑是一種與樹脂混溶性良好的液體物質(zhì)，添加稀釋劑可以改善樹脂的工藝性能，并降低樹脂黏度。但稀釋劑的添加要適量，過量稀釋劑會(huì)造成涂層性能下降，不添加稀釋劑則會(huì)造成樹脂黏度過大而無法施工。
2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)上述固化劑和樹脂黏度的推薦結(jié)果，選擇5個(gè)生產(chǎn)廠家（A、B、C、D、E）的無溶劑環(huán)氧涂料進(jìn)行外觀、黏結(jié)力、抗彎曲和剝離性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均滿足要求（表2）。
表2 減阻內(nèi)涂層測(cè)試結(jié)果表
2.1.4 涂料與涂層的技術(shù)指標(biāo)要求
鑒于5 個(gè)廠家的涂料都可滿足黏結(jié)力、抗彎曲和剝離性能的測(cè)試要求，解決了其脆性大、抗彎曲性差的缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上并結(jié)合SY/T 6530—2010[14] 的相關(guān)要求，制訂了無溶劑環(huán)氧涂料以及涂層綜合性能指標(biāo)（表3、4）。按照該指標(biāo)要求完成了無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層鋼管的工廠試制，并通過了中國(guó)石油管道研究院第三方實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)。這些試制的鋼管已用于中俄東線天然氣管道工程試驗(yàn)段。在管道施工現(xiàn)場(chǎng)，除個(gè)別鋼管因內(nèi)涂層過厚導(dǎo)致鋼管冷彎過程中涂層開裂的情況外，其他試制的鋼管在試驗(yàn)段應(yīng)用良好，為后續(xù)在中俄東線黑河—長(zhǎng)嶺段中大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
表3 稀釋后涂料的物理性能要求表
表4 鋼管減阻內(nèi)涂層的性能指標(biāo)要求表
2.2 無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層噴涂要求
溶劑型環(huán)氧涂料由于其含有機(jī)溶劑、黏度低、流動(dòng)性好，一般噴涂壓力約3.2 ～ 4.0 MPa。無溶劑環(huán)氧涂料的流動(dòng)性差，加熱后一般噴涂壓力約5MPa。一般防腐廠配備的國(guó)產(chǎn)噴涂機(jī)最大噴涂壓力可達(dá)6 MPa，配備的國(guó)外噴涂機(jī)最大噴涂壓力可達(dá)到7MPa，完全可以實(shí)現(xiàn)無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的噴涂。無溶劑型環(huán)氧減阻內(nèi)涂層鋼管噴涂的工藝流程如圖2所示。
圖2 無溶劑型環(huán)氧減阻內(nèi)涂層噴涂工藝流程圖
由于無溶劑型涂料比溶劑型涂料黏度大，噴涂成膜較厚，正常噴涂成膜厚度約100 μm，很難像溶劑型環(huán)氧涂料那樣均勻噴涂65 μm 而不產(chǎn)生漏點(diǎn)。因此，需要對(duì)原溶劑型環(huán)氧噴涂生產(chǎn)工藝的工序參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面內(nèi)容。
2.2.1 表面處理
鋼管表面除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到GB/T 8923.1—2011[21]規(guī)定的Sa2.5 級(jí)，表面粗糙度應(yīng)為30 ～ 50 μm。將平滑的鋼管表面除銹會(huì)增大表面粗糙度，從而增加涂料與管內(nèi)壁接觸面積，達(dá)到提高涂層與管內(nèi)壁間黏結(jié)力的目的。因涂層最小厚度為65 μm，故表面粗糙度必須小于65 μm。按內(nèi)涂層噴涂作業(yè)的設(shè)計(jì)要求，除銹后鋼管內(nèi)壁粗糙度應(yīng)控制在30 ～ 50 μm范圍內(nèi)。
除銹后鋼管內(nèi)表面的灰塵度不應(yīng)低于GB/T18570.3—2005[22] 規(guī)定的2 級(jí)。按金相學(xué)理論，經(jīng)過處理的鋼管表面能量不穩(wěn)定[23]，有向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，而且可以通過吸引涂料粒子來趨向穩(wěn)定，從而提高涂料和鋼管表面的黏結(jié)力。但鋼管內(nèi)表面夾雜灰塵會(huì)降低涂層黏結(jié)力，所以合理控制鋼管表面的灰塵度非常重要。為了提高灰塵度等級(jí)，應(yīng)該加大表面清潔度的檢測(cè)頻次。對(duì)中俄東線試驗(yàn)段，要求每50 根管抽檢1 根，不足50 根按50 根計(jì)。
2.2.2 溫度
控制適當(dāng)?shù)耐苛橡ざ葘?duì)噴涂作業(yè)至關(guān)重要。涂料黏度太大會(huì)造成噴涂困難或者在涂層中產(chǎn)生氣泡或針孔；涂料黏度太低會(huì)造成噴涂過快，涂層成型差，流掛嚴(yán)重。溫度對(duì)黏度影響較大，所以噴涂時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制溫度，通常噴涂時(shí)需對(duì)涂料加熱，溫度控制在50 ～ 70 ℃為宜[24]，也可通過工藝評(píng)定確定噴涂溫度。
2.2.3 厚度
厚度是控制涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，在過程檢驗(yàn)和成品檢驗(yàn)中都需檢驗(yàn)厚度。厚度缺陷主要表現(xiàn)為厚度不足。由于生產(chǎn)工藝的限制，控制涂層厚度完全一致是不現(xiàn)實(shí)的，通常標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范只要求沿圓周方向均勻測(cè)試若干點(diǎn)，其平均厚度達(dá)標(biāo)即可，但這往往會(huì)造成局部涂層過厚導(dǎo)致彎曲開裂現(xiàn)象，試驗(yàn)段就曾發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)鋼管冷彎造成涂層開裂的情況。為此，應(yīng)規(guī)定涂層的厚度上限。本試驗(yàn)段涂層厚度的設(shè)計(jì)要求為65 ～ 160 μm。
2.3 節(jié)能效果
由于中俄東線黑河—長(zhǎng)嶺段工程全線采用內(nèi)涂層，管道內(nèi)壁粗糙度降低，管道摩阻減小，使得壓氣站壓縮機(jī)的功率減小，壓氣站的投資降低[25-27]，考慮內(nèi)涂層投資后，建設(shè)投資仍然低于無內(nèi)涂層方案，并且每年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省15 271 萬元，具體如表5 所示。
表5 兩種方案投資及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比表
3 中俄東線大規(guī)模應(yīng)用情況
經(jīng)過中俄東線試驗(yàn)段的試制和現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層在后續(xù)的中俄東線黑河—長(zhǎng)嶺段成功應(yīng)用637 km，目前項(xiàng)目已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行；在中俄東線長(zhǎng)嶺—永清段成功應(yīng)用1 110 km，目前項(xiàng)目正在施工；在中俄東線永清—上海段成功應(yīng)用1 237 km，目前已完成初步設(shè)計(jì)。
4 結(jié)論
1）無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層在中俄東線天然氣管道工程試驗(yàn)段獲得成功應(yīng)用，開創(chuàng)了無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層在輸氣管道工程中大規(guī)模應(yīng)用的先河。
2）無溶劑型環(huán)氧涂料的安全環(huán)保性及各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于溶劑型環(huán)氧涂料。
3）無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層已推廣應(yīng)用至中俄東線天然氣管道工程全線，也可推廣應(yīng)用于其他新建輸氣管道。
4）鑒于目前國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格，溶劑型涂料會(huì)被逐步淘汰，無溶劑涂料在管道內(nèi)涂層領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
