凌志成;代孟元;周正发;徐卫兵
【摘 要】分析了三层聚乙烯防腐涂层(3PE)和双层熔结环氧粉末涂层(DPS)的结构,对比了2种涂层的耐划伤性能、弹性模量、喷涂与质量控制、补口补伤安全性、阴极保护相容性与经济性以及其他性能,指出了3PE的缺陷和DPS的优势.并对DPS和3PE涂层进行了综合评价,指出DPS完全可以替代现有的3PE防护体系,满足实际应用的需要.
折80【期刊名称】《涂料工业》
无焰泄爆装置氧化锆全瓷【年(卷),期】水带2017(047)001
【总页数】5页(P68-72)
【关键词】防腐涂层;三层聚乙烯;双层熔结环氧粉末
【作 者】凌志成;代孟元;周正发;徐卫兵
牌坊制作
【作者单位】合肥工业大学化学与化工学院,合肥230009;艾仕得华佳涂料(黄山)有限公司,安徽黄山245900;艾仕得华佳涂料(黄山)有限公司,安徽黄山245900;合肥工业大学化学与化工学院,合肥230009;合肥工业大学化学与化工学院,合肥230009
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ635.2
随着我国能源需求量的不断增大，管道建设量也越来越大，目前我国油气干线管道已超过1×105 km。但若管道防护不当，就会造成因管道金属腐蚀而引起泄漏事故，除浪费资源、污染环，还极易引起爆炸和火灾，造成人员伤亡和财产损失[1]。因此最大限度地降低腐蚀造成的危害，实现管线安全高效运行，显得尤为重要[2]。 三层聚乙烯防腐涂层(3PE)自20世纪90年代被引入中国，已有上万公里管线采用该防腐层，如今已成为新建大型管道工程防腐层的首选。但是，3PE在管道防护上存在许多问题。近年来，国内外均有3PE在投产后短期内就防护失效的案例，例如大连某管道在改线过程中发现3PE出现剥离的现象[3-5]。
双层熔结环氧粉末涂层(DPS)作为新一代管道防护涂层自1992年由杜邦公司研究开发以来，已分别在美国、沙特、南美等国家管道工程中广泛使用。其中代表性的是休斯顿海峡穿越、维克多管道工程以及CORPOVEN/LAGOVEN委内瑞拉工程等，涂敷总长度已达到数千公里。在国内，宁波市城市燃气管道、金山-扬子管道和嘉兴天然气管网工程等也采用了DPS防腐体系，取得了突出效果，但总体应用还较少[6-7]。实际应用表明，该防腐层可以满足工程标准需要。
3PE起源于20世纪80年代初期，由德国曼内斯曼公司与巴斯夫化学工业公司共同研制[8]，该防腐层是在熔结环氧粉末(FBE)的基础上增加了胶粘剂层和聚乙烯层。其目的是为了结合FBE的防腐性能和PE的机械性能。3PE的厚度通常在2 000～4 000 μm。结构如图1所示。
双层熔结环氧粉末涂层(DPS)由美国杜邦公司率先推出。底层是用作腐蚀保护的常规熔结环氧粉末涂层(FBE)，面层为改性的环氧粉末体系，用于机械保护或其他性能改进。DPS总厚度在1 000 μm以下。涂层结构如图2所示。
3PE和DPS的底层都是FBE，但DPS是以含增塑剂的环氧粉末涂层取代3PE的塑料层。由
于2层环氧涂层具有类似的化学组成或基于相同的化学交联，因此交联后两者的结合浑然一体，不会像3PE那样产生层间分离，因此在涂层结构上更加科学合理。厚度也较3PE低得多。
涂层划伤是管道建设过程中最常见的损伤，所以涂层的耐划伤性能好坏将直接影响涂层的防护性能和完整性。DPS是在单层熔结环氧粉末(FBE)的基础上发展起来的，主要目的就是提高单层FBE覆盖层在施工过程中的抗机械损伤和抗岩石挤压划伤的能力。目前，业内公认3PE机械强度高、耐划伤性能好。按照SY/T 4113—2007标准，将DPS和3PE在50 kg压力下进行耐划伤性能对比测试，结果见表1。DPS选用杜邦公司的Nap-Gard7-2500(底层)/Nap-Gard 7-2610(面层)体系。3PE选用华佳自制常规的纯环氧防腐粉末涂料作为底粉+胶粘剂+PE粉末作为外层的结构。
由表1可知，DPS层划痕深度为635 μm，3PE层划痕深度为2 362 μm。3PE的损伤量约是DPS涂层的4倍，相比3PE，DPS具有更加优异的耐划伤性能。划伤后的表面见图3。
选择4组样品：样品1(杜邦DPS面层改性环氧Nap-Gard 7-2504)、样品2(杜邦DPS面层改性环氧Nap-Gard 7-2610)、PP粉末涂料(华佳)、PE粉末涂料(华佳)，制作的涂膜样品尺寸一
致，考察4组样品的弹性模量。结果如图4所示。
从图4可以看出，样品1、样品2在-40～100 ℃范围内，模量显示很小的变化，且在23～100 ℃范围内，明显高于聚烯烃，从23 ℃开始，聚烯烃的模量显著减少，但PP比PE要好。
DPS面层改性环氧在较大的温度范围内表现出很高的强度和很少的形变。因此，DPS可以保证管道在地下长期高温运行的条件下有较少的机械破坏和较高的涂层附着力。
3PE虽然在国内有10多年的应用，但喷涂工艺和控制相对复杂，容易出现各种质量缺陷。主要表现为附着力差、厚度不足、孔隙与气泡等，其中涂层附着力和整个管道的防护措施密切相关。钢管表面的微尘、浮锈、沾污都会导致附着力缺陷，涂装温度更是关键的影响因素。若温度过高，作为底层的FBE环氧粉末固化反应太快、粉末熔化不充分造成成膜流平不良，从而对钢管的附着力下降。此外，由于在胶粘剂包覆前环氧树脂官能团的过度消耗，其部分甚至完全失去和胶粘剂间形成化学键结合的能力，这样将出现层与层间的分离。若温度偏低，环氧粉末来不及固化，容易被托辊和压辊粘起来，形成底层漏涂。严重时粉末层甚至没有或基本没有固化，在堆放期间就可能出现翘边，整根管子的涂层的一段
或全部丧失附着力。还有在螺旋焊缝上，压辊不能有效挤压，易造成沿焊缝处的连续空鼓。如果控制不严，就会出现附着力损伤的缺陷。有的缺陷能够马上被检查出来，立刻修复。但另一些缺陷要经过一段或相当长的时间才表现出来，给整个管道的防护带来隐患[9]。
DPS的喷涂工艺简单，质量容易控制，与FBE的基本一样。略有不同的是，DPS喷涂将喷分成2组。第1组喷涂底层粉末，第2组喷涂外层粉末，喷涂粉末可以一起回收，也可以单独回收，视粉末产品和喷涂工艺而定。对钢管喷涂厂而言，不需要增加特殊的设备和很多成本，只需对原有单层FBE涂敷设备的喷涂装置进行适当改造即可[10]。由于DPS覆盖层整体为一层环氧，且面层与底层通常是在一个喷房内连续喷涂，因此可以按照单层环氧粉末覆盖层的质量控制要求对DPS进行质量控制。双层环氧粉末覆盖层在生产过程中不会像3PE那样产生层与层之间的气泡、夹杂等问题，且可适用于各种管径的钢管、弯头、异型件及补口的喷涂[10-11]。两层的厚度也容易测量和控制。由于DPS的整体性能优良，可以在检漏电压、附着力、抗阴极剥离等性能上提高质量要求，检验方便，有利于管道整体的防腐性能提高。
无论是现场施工还是工厂预制，选择主覆盖层时都应考虑补口补伤用材料，应该用易与之相融的覆盖层进行修补，补口覆盖层的性能应该达到或超过管道原有防腐覆盖层。很多情况下，修补覆盖层施工不当、修补材料选择不当等都会给该覆盖层带来隐患。
3PE防护体系当前主要采用热缩套/带补口技术，在补口的过程中，焊缝底线处易出现气泡，胶层很容易软化，聚乙烯层常常中间翘起而形成隔离层。且手工作业难度大，质量控制很困难，尤其是大口径管线的补口。补口材料与主体防腐层不一致，不能达到管体防腐层的质量水平，运行一段时间后造成管道补口处出现过早腐蚀。国内一研究单位曾调查过一条管线，结果表明热收缩套补口处80%出现锈蚀[12]。因此，补口对3PE来说是一个重要隐患。
DPS采用热涂覆双层环氧粉末或环氧类液体涂料刷涂补口工艺，补口防腐层与主体管道防腐层性能可以达到一致。在运输、贮存和施工过程中的损伤，可以采用环氧类热融棒或环氧类液体涂料进行补伤，补伤处与主体覆盖层可以融为一体，这样就保证了补伤后覆盖层的完整性[11]。在国外，由于DPS应用较早，补口补伤技术已发展的相当成熟，非常便于现场喷涂施工，质量也容易控制，有效地保证了整条管道覆盖层的一致性和防腐层的完整性。
防腐涂层和阴极保护的联合应用，可以使管道获得最经济和有效的保护。涂层是管道重要的防护屏障，但由于施工过程中的运输、安装及补口、热应力及土壤应力、涂层的老化及微小针孔的存在，涂层总会存在一些不可避免的缺陷。如果没有阴极保护协同作用，这些缺陷最终将导致整个管道防护体系的失效[4，13]。所以，涂层与阴极保护相容性的好坏，直接关系到防护的效果和质量。
熔结环氧涂层与阴极保护有很好的相容性，它不会屏蔽阴极保护电流。即使涂层存在缺陷而发生剥离，也还允许阴极保护电流通过。不会因涂层有缺陷而致使整个防护失效，对管道来说腐蚀依然能被有效控制，这一点也得到了很多国外实际应用的证实[14-15]。而3PE防护体系一旦涂层发生剥离，剥离的聚乙烯层对阴极保护电流会有强烈的屏蔽作用，并可能产生屏蔽层下的加速腐蚀，进而导致整个防护体系的失效[4，9，16-20]。3PE与阴极保护相容性差是其先天致命缺陷。即使通过提高标准和质量控制，不断提高涂层的附着力、喷涂工艺和阴极保护水平，但随着使用年限的增加，涂层终究还是会发生剥离。所以Norsworthy提出在设计管道防护涂层时一个主要原则就是要考虑到“如果涂层发生剥离时，如何确保阴极保护电流不被屏蔽”[14]。而DPS是目前唯一符合这一原则的多层防腐系统。
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