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行費用。目前國內(nèi)的涂層以溶劑型涂料為主，溶劑型涂料含有大量揮發(fā)的有機溶劑（VOC），不但會對人體健康產(chǎn)生危害，而且還有可能對自然環(huán)境造成污染；而無溶劑涂料不含VOC，各項機械性能和耐化學(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，從涂料改性和改進噴涂工藝參數(shù)兩個方面進行了研究，并在中俄東線天然氣管道工程試驗段開展了驗證試驗。研究結(jié)果表明：①固化劑對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，聚酰胺類對增強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（以下簡稱中俄東線）工程試驗段屬于黑河—長嶺管道的一部分，管線長度約為78 km，管外徑為1 422 mm，設(shè)計輸送壓力為12MPa。由于中俄東線的黑河—長嶺段是中國首次大規(guī)模采用外徑1 422 mm 的X80 鋼管道，對于現(xiàn)場焊接、防腐、檢測、施工規(guī)劃等內(nèi)容還需通過工程試驗和應(yīng)用驗證，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]。借此機會在試驗段開展了無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層的設(shè)計和試驗應(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]，被美國石油學(xué)會API RP 5L2[3] 標準推薦使用[4]。目前國內(nèi)外減阻內(nèi)涂層基本上都采用以有機溶劑作為分散介質(zhì)的溶劑型環(huán)氧涂料，在涂膜過程中揮發(fā)的有機溶劑（VOC）占涂料總重量的30% ～ 50%，VOC不但會對人體健康產(chǎn)生危害，而且還有可能對自然環(huán)境造成污染[5]。無溶劑型環(huán)氧涂料固化成膜時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)氧涂料的各項機械性能和耐化學(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、抗剪切強度等機械性能尤為突出。無溶劑涂料的缺點主要是涂層過厚、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噴涂工藝參數(shù)兩個方面進行了研究，并在中俄東線工程試驗段開展了驗證試驗，以期克服無溶劑涂料的上述缺點。
1 無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層特點
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、降低壓氣站能耗運行費用（圖1）。
1.2 無溶劑與溶劑型環(huán)氧減阻內(nèi)涂層對比
無溶劑環(huán)氧減阻內(nèi)涂層相對于溶劑型環(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)涂層性能試驗及材料比選
針對無溶劑減阻內(nèi)涂層的缺點，在中俄東線設(shè)計之前，設(shè)計單位聯(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)涂層的一個重要指標，而對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 黏度對涂層性能的影響
樹脂基料、稀釋劑以及固化劑都會影響涂料黏度。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)中國石油天然氣管道科學(xué)研究院實驗研究，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，過量稀釋劑會造成涂層性能下降，不添加稀釋劑則會造成樹脂黏度過大而無法施工。
2.1.3 試驗結(jié)果
根據(jù)上述固化劑和樹脂黏度的推薦結(jié)果，選擇5個生產(chǎn)廠家（A、B、C、D、E）的無溶劑環(huán)氧涂料進行外觀、黏結(jié)力、抗彎曲和剝離性能實驗室測試，測試結(jié)果均滿足要求（表2）。
表2 減阻內(nèi)涂層測試結(jié)果表
2.1.4 涂料與涂層的技術(shù)指標要求
鑒于5 個廠家的涂料都可滿足黏結(jié)力、抗彎曲和剝離性能的測試要求，解決了其脆性大、抗彎曲性差的缺點。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（表3、4）。按照該指標要求完成了無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層鋼管的工廠試制，并通過了中國石油管道研究院第三方實驗室檢驗。這些試制的鋼管已用于中俄東線天然氣管道工程試驗段。在管道施工現(xiàn)場，除個別鋼管因內(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段應(yīng)用良好，為后續(xù)在中俄東線黑河—長嶺段中大規(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溶劑、黏度低、流動性好，一般噴涂壓力約3.2 ～ 4.0 MPa。無溶劑環(huán)氧涂料的流動性差，加熱后一般噴涂壓力約5MPa。一般防腐廠配備的國產(chǎn)噴涂機最大噴涂壓力可達6 MPa，配備的國外噴涂機最大噴涂壓力可達到7MPa，完全可以實現(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。因此，需要對原溶劑型環(huán)氧噴涂生產(chǎn)工藝的工序參數(shù)進行調(diào)整，重點關(guān)注以下幾方面內(nèi)容。
2.2.1 表面處理
鋼管表面除銹等級應(yīng)達到GB/T 8923.1—2011[21]規(guī)定的Sa2.5 級，表面粗糙度應(yīng)為30 ～ 50 μm。將平滑的鋼管表面除銹會增大表面粗糙度，從而增加涂料與管內(nèi)壁接觸面積，達到提高涂層與管內(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。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，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，應(yīng)該加大表面清潔度的檢測頻次。對中俄東線試驗段，要求每50 根管抽檢1 根，不足50 根按50 根計。
2.2.2 溫度
控制適當?shù)耐苛橡ざ葘娡孔鳂I(yè)至關(guān)重要。涂料黏度太大會造成噴涂困難或者在涂層中產(chǎn)生氣泡或針孔；涂料黏度太低會造成噴涂過快，涂層成型差，流掛嚴重。溫度對黏度影響較大，所以噴涂時應(yīng)嚴格控制溫度，通常噴涂時需對涂料加熱，溫度控制在50 ～ 70 ℃為宜[24]，也可通過工藝評定確定噴涂溫度。
2.2.3 厚度
厚度是控制涂層質(zhì)量的重要指標之一，在過程檢驗和成品檢驗中都需檢驗厚度。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)實的，通常標準規(guī)范只要求沿圓周方向均勻測試若干點，其平均厚度達標即可，但這往往會造成局部涂層過厚導(dǎo)致彎曲開裂現(xiàn)象，試驗段就曾發(fā)生現(xiàn)場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。本試驗段涂層厚度的設(shè)計要求為65 ～ 160 μm。
2.3 節(jié)能效果
由于中俄東線黑河—長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，并且每年運行費用節(jié)省15 271 萬元，具體如表5 所示。
表5 兩種方案投資及運行費用對比表
3 中俄東線大規(guī)模應(yīng)用情況
經(jīng)過中俄東線試驗段的試制和現(xiàn)場成功應(yīng)用，無溶劑環(huán)氧內(nèi)涂層在后續(xù)的中俄東線黑河—長嶺段成功應(yīng)用637 km，目前項目已經(jīng)投產(chǎn)運行；在中俄東線長嶺—永清段成功應(yīng)用1 110 km，目前項目正在施工；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。
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)保性及各項性能指標優(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）鑒于目前國家對環(huán)境保護的要求日益嚴格，溶劑型涂料會被逐步淘汰，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。
