长输埋地管道聚脲防腐涂层的应用研究

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长输埋地管道聚脲防腐涂层的应用研究

王军

（大连怿文新材料科技发展有限公司，大连 116001）

摘 要：本文阐述了目前钢质埋地管道防腐涂层的种类和应用现状，分析了各自的优劣性。介绍了新型埋地管道防腐和补口材料用聚脲涂料，针对管道防腐涂层的技术要求，研究了聚脲涂层的力学性能、耐腐蚀性能以及耐老化性能。研究结果表明，聚脲具有优异的施工性能和防腐性能，适用于管道防腐和补口涂装。

关键词：喷涂聚脲弹性体；管道防腐；耐腐蚀性；阴极剥离

0  引言

随着我国经济的快速发展和城镇一体化建设的不断提搞，输油、输气、输水和热力等埋地管道在日常生活和经济建设中发挥着重要作用，埋地管道已经成为现代社会非常重要的基础设施之一。钢质埋地管道长期受到土壤、雨水、矿物质、微生物等因素腐蚀，加上管道输送介质越来越复杂，均会引起管壁腐蚀穿孔和开裂而造成破坏。另外，埋地管道的腐蚀情况不能直接观察到, 发生管壁穿孔、泄漏等情况时不容易及时发现且不便维修也是加速管道腐蚀的重要原因。由于腐蚀引起的管道穿孔或开裂不仅会造成资源泄露和环境污染等问题，更可能会引发火灾、爆炸等重大事故，造成了人员伤亡等严重后果。据相关资料统计，世界各国每年仅管道腐蚀造成的损失，美国约为20亿美元，英国约17亿美元，德国和日本各约33亿美元。美国国家输送安全局统计有74%是管道腐蚀造成的，其中45%是由外壁腐蚀引起。因此，腐蚀是导致埋地管道破坏和失效的主要原因之一。随着我国长输石油、天然气管道和市政管网的大规模建设, 实现埋地管线安全高效运行显得极为重要。最大程度地降低腐蚀造成的危害, 不仅是经济问题, 而且是社会安全、环境保护问题。 腐蚀防护技术是关系到埋地管道可靠性和使用寿命的关键因素, 腐蚀已成为管道工程中亟待解决的问题，因此加强管道防腐蚀技术的研究具有重大意义。本文主要针对管道防腐涂层的技术要求，研究了刚性聚脲材料的力学性能、耐水解性、耐腐蚀性能以及耐老化性能,并对喷涂聚脲技术在管道防腐领域的应用进行了阐述。

1  管道防腐涂层应用现状

目前各国对埋地输油、输气管线普遍采用的防腐技术是外涂防护涂层并辅加阴极保护。埋地管道常用防腐涂层主要有石油沥青（AE）、煤焦油瓷漆（CTE）、熔结环氧粉末（FBE）、二层/三层聚乙烯（2PE/3PE）、三层聚丙烯（3PP）等。其中FBE(包括单层FBE和双层FBE)、3PE是目前管道防腐的主流产品。

石油沥青作为传统管道防腐涂层具有较好的粘结性、不透水性和绝缘性。但存在吸水率高，在耐高温、耐植物根茎穿刺和耐土壤腐蚀性方面性能较差。煤焦油瓷漆虽然粘结力强、吸水率低，但在管道运行温度上升的情况下会发生氧化反应，挥发一部分馏分，导致脆变和剥离。因此这两种管道防腐材料市场用量近年来呈下降趋势，市场份额占6%～7%，其应用主要集中在中东和非洲一些地区。

FBE具有附着力强、耐磨蚀性好、抗阴极剥离等优异性能，在北美地区广泛应用，FBE在管道防腐的市场份额占20%～25%。由于FEB耐冲击性有限、耐湿热性差，不耐尖锐硬物的冲击碰撞,  很难保证施工运输过程中涂层不被破坏,而且现场修补操作困难， 因此不适合在碎石土、石方段、地下水位较高的地区使用。

3PE是 20 世纪 80年代在欧洲研制成功并开始使用的。它将 FBE良好的防腐蚀性能、粘结性、抗阴极剥离性和聚烯烃材料的抗渗透性、良好的力学性能和抗土壤应力等性能结合起来的防腐蚀结构, 在许多工程上得到了应用, 尤其是欧洲国家, 其应用呈不断上升的趋势。从发展趋势看，3PE在管道防腐市场中占据绝对优势，其市场份额从2004年61.5%上升至2009年66.03%。3PE的主要缺点是不适合用于弯头等异型管件和管道的补口，补口处防腐性能低于主体管件防腐层，焊缝位置防腐层较薄或与管体之间出现空隙，降低防腐效果，聚乙烯层粘结失效会对阴极保护电流造成屏蔽等问题。

2  管道防腐聚脲弹性体

喷涂聚脲弹性体技术（SPUA）在我国已有近20年发展历程，是近年来发展较快的一种无污染、高性能、快速固化的新型涂料和涂装技术。聚脲是由异氰酸酯组分（简称 A 组分）与氨基化合物组分（简称 R 组分）反应生成的一种弹性体材料。聚脲具有100%固含，不含任何挥发性有机物（VOC），对环境无污染。聚脲涂层与管道基材具有较高的粘结强度，优异的理化性能和耐腐蚀性，涂层连续、致密，可在任意曲面上喷涂成型而不产生流挂。聚脲涂层优异的柔韧性，完全能够抵御昼夜、四季环境温度变化带来的热胀冷缩，不会产生开裂和脱落现象。聚脲涂层一次喷涂厚度可达1～3mm，大大简化涂装工艺。聚脲涂层既可以作为单独管道防腐材料，也可以作为管道补口材料或损伤部位的修补材料。国外很多管道防腐工程中使用了聚脲作为防腐材料，例如美国阿拉斯加石油管道、印尼海湾石油公司天然气管道、俄罗斯西伯利亚管道等。国内也有许多将聚脲用于石油天然气管线及市政管线的燃气、热力、排水埋地管道防腐工程，其中包括山东管道煤气公司的煤气管道、山东成山公司的原油管道、大庆油田的原油管道、新兴铸管公司的供水管道、江苏大学热网工程、杭州热集团热网工程等，实践证明聚脲在埋地管道的防腐涂装中，具有良好的应用效果。

3  管道防腐用聚脲涂层性能研究

3.1 管道聚脲配方及性能

刚性管道聚脲设计配方见表1，并采用固瑞克E10HP聚脲喷涂设备进行喷涂，物料温度为65～70℃，喷涂压力为2000～2500psi，涂层厚度为3mm。将聚脲样片置于温度为23±2℃，湿度为50%条件下养护7天后，进行涂层性能测试，测试结果见表2。

表1刚性管道聚脲设计配方

表2刚性聚脲性能测试结果

3.2 聚脲涂层耐水解性能

埋地管道直接与土壤接触，土壤中的各种酸性、碱性物质以及不同含盐成分物质均会对埋地管道造成腐蚀，因此，考察聚脲防腐涂层在不同条件下的耐水解性，是评价聚脲涂层耐化学腐蚀性的重要指标。参照ISO EN 15189:2006—《球墨铸铁管、管件及附件 管子聚氨酯外涂层的要求和试验方法》标准中关于埋地管道防腐涂层耐化学腐蚀性的测试方法，将聚脲样片浸泡于50℃去离子水、海水、10%H₂SO₄和10%NaOH溶液中，定期检测涂层增重情况和力学性能变化，根据涂层重量和力学性能变化对涂层耐水解性进行评价，结果见表3。

表3聚脲防腐涂层耐水解性能

从表3测试结果可以看出，聚脲样片在不同介质的浸泡试验中，随浸泡时间的增加，样片重量均有一定程度的增长。在去离子水和海水中涂层增重趋势是先增后降，在10%H2SO4和10%NaOH溶液中呈现逐步增长的趋势，随着浸泡时间的延长，涂层增重逐渐平缓。在力学性能方面，聚脲样片的拉伸强度和撕裂强度有一定程度降低，后期变化很小。涂层经不同介质浸泡后，断裂伸长率均随着浸泡时间的延长，出现轻微增长趋势。原因是由于水分子进入聚脲涂层中起到了增塑作用。实验结果表明，刚性聚脲防腐涂层在长期水溶液浸泡中，其力学性能降低幅度很小，涂层吸水率保持相对稳定，证明涂层具有良好的耐水解性。

3.3 聚脲涂层耐阴极剥离性能

耐阴极剥离性能是埋地管道防腐涂层耐腐蚀性的重要指标。在阴极保护下, 涂层的剥离是一个复杂的电化学过程，而涂层的阴极剥离测试是热、水、氧气和电的合力作用。热的作用主要使高分子的链段活动能力增加 ,为水分子的渗透和传播提供通道。水分子在高分子链段能够提供传播通道的情况下 ,渗透到高分子/金属界面,产生去粘合作用，并在电场的作用下参与阴极反应导致涂层剥离。在对比实验中，分别针对聚脲不同前处理工艺、涂层厚度、涂层关联密度三个影响因素，考察聚脲涂层的耐阴极剥离性，测试结果见表4。

表4刚性聚脲涂层耐阴极剥离性能

聚脲涂层的耐阴极剥离性与聚脲/金属界面的湿态粘结力有直接的关系。有机涂层对金属基体的附着力有三种基本类型 ,即化学键力、分子间力和机械键力。化学键的键能大,但成键密度小;次价键键能小, 但成键密度大。这两者共同作用, 决定了涂层的附着力。从表4测试结果可以得出以下结论：

⑴当金属喷砂后（RZ=40μm～80μm)立即进行喷涂 ,可以获得高化学键密度、高氢键密度的聚脲/金属界面。因为刚喷完砂后的金属表面粗糙度明显提高，增加了聚脲与金属表面的接触面积，有利于提高聚脲与金属基材粘结强度。另外喷砂后的金属表面有大量的活性金属离子 ,这些金属离子尚未与空气中的氧气等发生反应，具有很高的反应活性。如果能在喷砂后及时进行喷涂,聚脲涂层中强极性基团(氨基、醚键等)，可以与金属离子发生反应,生成键能很高的化学键 ,提高化学键的成键密度 ,从而显著增加涂层的附着力,提高涂层的耐阴极剥离能力。与喷砂工艺相比，经角磨机打磨后的试件，表面相对光滑，粗糙度较小，因而与聚脲涂层的粘结强度与耐阴极剥离性相对较低。

⑵聚脲具有快速固化的特点，因此喷涂过程中雾化后的漆雾，在涂层表面瞬间固化，漆雾中的空气不能立即脱离漆膜，而是被封闭在涂层内部。因此，带来的负面结果是聚脲涂层微观存在许多微孔。采用激光共聚焦显微镜观察，可以清楚看到聚脲涂层内部有许多气孔。这些气孔的存在，在一定程度上为水分的渗透与传播提供了通道。从表4测试结果可以看出，当涂层厚度为0.5mm时，聚脲涂层虽具有较强的粘结强度，但耐阴极剥离性较差。通过增加聚脲涂层的厚度，可以降低水分和氧气的透过率，涂层的耐阴极剥离性有明显的提高。

⑶增加聚脲涂层的交联密度，可以有效提高聚脲涂层的玻璃化转变温度（Tg温度），防止聚脲高分子链段在加热条件下涂层软化，从而阻止水分子和氧气的传播。从分子结构水平提高分子链的刚性、增加交联密度可以提高聚脲涂层的致密度并降低涂层的吸水率。聚脲涂层的刚性主要由 R 组分中的各类低分子量氨基扩链剂和 A 组分多异氰酸酯基团决定。因此，通过合理控制A、R两组分混合后的当量比（异氰酸根指数），可以有效改善聚脲涂层的交联密度。测试结果表明，异氰酸根指数过低或过高，均对涂层的粘结强度和耐阴极剥离性产生影响，异氰酸根指数为1.08效果最好。

3.4 聚脲涂层耐老化性能

管道防腐涂装后，通常会在户外放置一段时间后，再进行施工安装作业。防腐涂层要经受长时间户外曝晒，夏季高温时，管壁温度可达到60～80℃。因此，要求涂层的性能保持相对稳定，不能发生明显变化。本研究中，将刚性管道聚脲试件放在户外曝晒一定时间后，定期对试件性能进行力学性能和粘结强度测试，考察聚脲涂层耐老化性能，对比结果见表5。

表5刚性聚脲涂层耐户外日晒性能

表5测试结果显示，经过1年户外曝晒后，聚脲涂层的光泽和色差变化明显，表明聚脲涂层的表层分子键结构发生了变化，导致聚脲表层性能破坏，出现老化现象。由于聚脲材料所选用的异氰酸酯和胺类扩链剂带有苯环结构，属于芳香族聚脲，芳香族聚脲涂层在紫外线的照射下，易氧化生成醌亚胺结构，因此会出现变色和失光现象。随着曝晒时间的延长，聚脲涂层的力学性能和粘结强度均发生微弱变化，但变化幅度很小，这是因为聚脲硬段的氢键化程度高、结构对称性，表面致密且封闭，紫外线仅使聚脲表面部分化学键发生断裂，并未破坏内部分子结构。

4  结语

喷涂聚脲弹性体作为一种管道防腐和补口涂装新技术，以其优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐老化性能以及快速固化等特点，将大大提高涂装效率和防腐性能,降低维修费用，更加有利于管线的安全运行。聚脲在长输管道的应用, 国外已有许多成功案例, 取得了非常好的防腐效果和经济、社会效益， 而在我国管道防腐领域中应用才刚刚起步。我们应当加快管道聚脲防腐涂层标准制定、加强产品质量控制、规范涂装工艺以及深入开展聚脲涂层性能方面的研究工作，共同促进我国长输管道聚脲防护涂层技术水平的提高。