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管道防腐涂層的研究！
一、 前言
腐蝕是造成材料失效的主要原因，金屬腐蝕是一個重大的經濟問題，據相關數據統計，我國每年因金屬腐蝕造成的損失約占國民經濟總值的 5%，其中管道腐蝕占了不小的比例。隨著我國經濟的持續快速發展，能源需求量不斷增大，管道建設量也越來越大，各個城市規劃中將要建設的各種供氣、供水、供熱管道更是數不勝數，這使管道腐蝕的防護變的越來越重要，這直接關系到管道的防腐性能和運行壽命。所以，加強對管道防腐涂層的研究對整個管道的腐蝕控制具有重大意義。
二、管道防腐涂層研究現狀
2.1、管道腐蝕產生的原因
腐蝕是指金屬材料表面和環境介質發生化學和電化學作用，引起材料的退化與破壞。油管常見的腐蝕主要是原油中溶解的CO2、H2S、C1﹣、少量溶解氧和細菌等腐蝕性物質引起的，這些物質直接和金屬作用，引起化學腐蝕。
化學腐蝕的危害性不大，而造成鋼管表面出現凸穴，以至穿孔的主要原因來自電化學腐蝕。金屬發生電化學反應時，電極電位較低的部位容易失去電子，成為陽極；電極電位較高的部位得到電子，成為陰極。在O2和H20存在的情況下，Fe(OH)2生成水合氧化鐵，即產生腐蝕。
2.2、防腐涂層的作用及性能要求
1、防腐涂層的作用
防腐層的防腐蝕原理主要是防止環境中的 H2O、Cl-、SO2等腐蝕性介質滲透到金屬表面，使得腐蝕介質與金屬表面隔離，從而防止金屬的腐蝕。管道防腐涂層的主要作用如下：
1）屏蔽作用。2）緩蝕性能。3）犧牲陽極保護作用。4）性能提升作用。
2、管道防腐蝕涂層性能要求
為了達到提升涂層的防腐性能，使涂層的防腐效果大化，結合管道防腐的實際情況，對防腐蝕涂層性能的要求如下：1）對腐蝕介質的良好穩定性。2）良好的抗滲性能，保證低吸水率。3）具有良好的機械強度。4）具有優良的電絕緣性。
2.3道防腐涂層發展與應用現狀
1865年，埋地鋼質管道剛投人使用時，沒有解決管道防腐問題，管道泄漏頻繁發生。出于防漏考慮，采用煤焦油瀝青及改性的煤焦油瓷漆作為防腐層材料。這種材料在管道溫度上升時發生氧化反應，揮發部分餾分，導致脆變和剝離，使陰極保護電流增大。
20世紀中期是各種防腐層材料競爭發展的時期。石蠟、石油瀝青、膠帶陸續被開發出來，其中膠帶防腐層曾一度占據優勢地位。但這種材料在腐蝕性土壤中經常發生剝離，對陰極保護電流產生屏蔽，導致應力腐蝕開裂。
20世紀60年代出現的雙層聚乙烯結構防腐層，逐漸改變了煤焦油瀝青的主導地位。但隨著管道運行條件的不斷變化，這種防腐層逐漸暴露出易損壞、剝離、屏蔽陰極保護電流等缺陷。
20世紀70年代投產的阿拉斯加管道，標志著熔結環氧粉末防腐層應用時代的開始。通過不斷改進組分和施工程序，熔結環氧粉末成為20世紀80年代應用成功的防腐涂層，但是其機械強度不理想。
到了20世紀90年代后期，熔結環氧粉末(FBE)和三層聚乙烯(三層PE)兩種防腐層逐漸成為主流，近幾年雙層環氧(雙層FBE)也逐步開始規模應用。目前在國外，防腐涂層的選用有著兩種明顯不同的觀點：北美地區一般偏向于FBE，歐洲則偏向于PE。美國的有關統計表明,當前的防腐層是FBE、PE和煤焦油三足鼎立的局面，其他早期的一些防腐層應用的數量與范圍在逐步縮減。
三、三層PE和雙層FBE技術介紹
3.1三層聚乙烯(三層PE)
20世紀80年代德國曼內斯曼公司發明了被稱為“完美涂層”的三層聚乙烯。其制作工藝是首先在鋼管表面噴涂一層環氧底漆，再將鋼管按一定的旋轉速度送入涂敷區，臺擠出機按一定厚度和密度擠出膠粘劑薄膜并纏繞在鋼管表面，在膠粘劑還處在熔化狀態時，第二臺擠出機擠出聚乙烯薄膜并纏繞在膠粘劑外而形成涂層。
三層PE防腐層的結構是：底層為FBE，約50～127µm，中間層為共聚物膠，約200µm，外層為聚乙烯，約3 mm。這一結構將FBE的高粘結性、抗氧性、耐化學腐蝕及耐陰極剝離性能和高密度聚乙烯的抗潮氣、電絕緣及抗機械損傷的性能結合成一個完美的有機整體，具有與管道表面粘結力強、電絕緣性能好、耐沖擊、壽命長等突出優點，而且陰極保護電流密度小，只有1～3µA／m2。
三層PE使用壽命預計達40年以上，但價格較昂貴，目前在歐洲應用較多，而美國應用較少。我國自1995年引進以來，主要鋼管廠都建立了三層PE防腐生產線。陜京輸氣管道、庫鄯管道共計約有2 000 km使用了三層PE，西氣東輸管道工程也使用了該防腐層。
3.2雙層環氧(雙層FBE)
雙層環氧由美國OBRIEN公司發明，它將單層FBE的防腐性能與表層塑性FBE的抗機械損傷性能結合在一起，表現出粘結性能強、使用溫度高、耐土壤應力、耐沖擊能力和抗陰極剝離性能好的特點。
雙層FBE由兩種不同性能的環氧粉末在噴涂過程中一次噴涂成膜完成，底層環氧防腐層與單層FBE相同，用以提供防蝕功能，外層FBE為增塑性環氧粉末層，主要用于抗機械損傷。兩層厚度一般為525～l 000µm，可適用于各種口徑的管子，并適用于補口、彎頭、異型構件的防腐需要。可根據不同使用環境、不同需要，選擇不同的雙層FBE結構類型。它的耐沖擊性能和陰極保護電流密度與三層PE相當，是能用于陰極保護系統并完全兼容而無屏蔽的防腐系統，具有失效安全性，所以更加優越。
雙層FBE的價格因其結構與厚度不同而不同，但一般比三層PE便宜，隨著工藝技術的發展成熟其成本還在降低。
在我國，金山一揚子管道、寧波城市燃氣管網、中石化物資裝備部管道等工程都已采用了雙層FBE。由于雙層FBE優良的綜合性能和不斷提高的經濟性，它必將得到更廣泛的應用。
四、管道防腐涂層新技術
4.1液態聚氨酯防腐涂料（PU)
聚氨酯瀝青是 20 世紀 90 年代以來出現的性能優異的管道防腐層，該涂料是由多元醇化合物和異氰酸酯溶液所構成的雙組分熱噴涂無溶劑體系。該防腐涂料性能優越，施工簡單，防腐層質量好，耐沖擊性和柔韌性強，耐微生物腐蝕，耐劃傷、耐磨、耐拖拉性能好，有一定韌性，抗陰極剝離性能強，化學穩定性好，抗紫外線，壽命長，成本低，性價比高并且有利環保，具有明顯的技術經濟優勢，尤其適用于補傷、補口及舊防腐層的修復，目前已經成為國際管道防腐層修復的主要材料，有著廣泛的應用前景和發展空間。
4.2無機非金屬防腐層
無機非金屬涂層較有機涂層具有更優良的耐腐蝕、抗老化、耐溫抗寒性能，使用壽命大大提高，主要有陶瓷涂層、搪瓷涂層和玻璃涂層。
陶瓷涂層具有高化學穩定性，耐腐蝕、耐氧化、耐高溫，目前已發展了自蔓延高溫合成、熱噴涂、化學反應等多種制備陶瓷涂層方法。搪瓷涂層具有優良的耐蝕性能，可以耐各種濃度的有機酸和無機酸，各種堿和鹽，綜合防腐性能優異。玻璃涂層致密性、耐蝕性、耐磨性優異，表面光滑，可起到減阻作用，其突出特點是：生成工藝先進，永不老化、使用安全、耐蝕性能優越、耐磨、流動性好、耐候性強、無毒無害無污染、造價低廉，施工規范，用途廣泛等。
由于無機防腐技術有巨大的發展前景，世界各國均已將無機非金屬復合防腐管道作為重點攻關的課題，該技術有望取得更大的突破。
4.3納米改性材料涂層
研究表明：利用納米技術對有機涂層進行改性，可提高其綜合性能，特別是增加材料的機械強度、硬度、附著力，提高耐光性、耐老化性、耐候性等。通過向材料中加人一些顆粒很小的納米粒子，能增加材料的密封性，達到更好的防水、防腐效果。
例如納米TiO2粒子對紫外線有散射作用，加入這樣的納米材料可有效增強材料的抗紫外線能力，使耐老化性顯著提高；納米SiO2粒子具有表面嚴重的配位不足，龐大的比表面積及表面欠氧等特點，使其表現出極強的活性，加入到涂料中可使涂層的強度、韌性、延展性大幅度提高。對于無機涂層材料，如對其結構進行納米化，也能達到明顯改善其塑性、韌性的作用。
當前已有一些通過納米技術對防腐材料進行改性的技術獲得了，市場上也有這樣的防腐材料出現。不過總的來看，該技術還處于起步階段，具有極大的發展前景。
五、結束語
在相當長一段時間內，三層PE和雙層FBE等多層復合防腐層將占據管道防腐涂層的主流地位。改進三層PE和雙層FBE的結構和工藝，提高性能、降低成本，也將是今后研究的一個重要方向。而在管道防腐涂層的補傷、補口及舊防腐層的修復上，液態聚氨酯防腐涂料將大有作為。但隨著新材料、新工藝、新技術的不斷應用與發展，無機非金屬防腐技術和納米改性技術將有極大的發展和應用前景，管道防腐技術會日臻完善，管道建設也將取得更大的成就
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