天然氣輸送管涂層加工工藝研究

陳小偉，張曉慧，陳紅昌，郭 莉

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

自西氣東輸工程以來，國內(nèi)首次在大直徑長(zhǎng)輸天然氣管道工程項(xiàng)目上應(yīng)用減阻型內(nèi)涂層技術(shù)，由此展開的“先內(nèi)后外”和“先外后內(nèi)”防腐工藝方式的爭(zhēng)論也一直存在［1-5］。內(nèi)減阻和外防腐生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

從技術(shù)因素來說，“先內(nèi)后外”和“先外后內(nèi)”防腐均可行，無論采用何種工藝方式，對(duì)最終產(chǎn)品的防腐質(zhì)量來說，并不存在本質(zhì)上的差別，都能夠達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)要求；因此，在選擇采用何種工藝方式上，經(jīng)濟(jì)因素成為考慮的重點(diǎn)，主要包括：防腐廠的地理位置，車間生產(chǎn)工藝流程布局，內(nèi)減阻與外防腐生產(chǎn)線間的倒運(yùn)成本，半成品防護(hù)成本等［6］。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，上述兩種防腐工藝方式各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，對(duì)流程中的設(shè)備要求和參數(shù)設(shè)置也有著很大區(qū)別［7］?，F(xiàn)對(duì)比分析兩種防腐工藝方式對(duì)固化程度、固化溫度和固化設(shè)備的要求。

1 內(nèi)涂層簡(jiǎn)述

鋼管減阻型內(nèi)涂層使用的是雙組份溶劑型環(huán)氧涂料，它由基料和固化劑組成。涂敷前將兩種組份按比例混合均勻并放置15～30 min，然后利用高壓無氣噴涂原理將配制好的涂料均勻地噴涂到表面處理過的管體內(nèi)表面。噴涂后的鋼管待溶劑揮發(fā)后，經(jīng)固化爐加熱固化可形成光滑表面，具有優(yōu)良的耐磨性、極佳的附著力和良好的化學(xué)性能。內(nèi)涂層減小了鋼管內(nèi)表面的粗糙度，也就減小了鋼管的輸氣阻力。對(duì)減阻型內(nèi)涂層來講，濕膜厚度應(yīng)確保固化后的干膜厚度滿足客戶要求。濕膜厚度和干膜厚度的關(guān)系取決于涂料中固體含量的多少，需通過試驗(yàn)確定，一般由涂料廠家推薦。

2 對(duì)固化程度、固化溫度和固化設(shè)備的要求

2.1 固化程度

一般而言，涂層固化可分為表層干燥、實(shí)際干燥和完全干燥3種。表層干燥是指手指接觸干燥，不沾灰；實(shí)際干燥指涂層能承受一定的機(jī)械壓力；完全干燥是指可以進(jìn)行外防腐生產(chǎn)。

為了進(jìn)一步分析，根據(jù)實(shí)際情況將涂層的固化程度定義為較好確認(rèn)的6種固化程度，涂層固化程度分類見表1。

表1 涂層固化程度分類

若采用“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式，內(nèi)涂層完成后，無須經(jīng)過其他工序即可做好防護(hù)等待發(fā)運(yùn)，因此對(duì)內(nèi)涂層固化程度要求不高，只需達(dá)到Ⅰ或Ⅱ度固化即可。在溫度較高的地區(qū)，甚至可以不需要固化爐，采用自然固化方式即可。

內(nèi)涂層表面未干燥或表面干燥后未實(shí)際干燥時(shí)，在風(fēng)以及其他外力作用下，內(nèi)涂層表面黏附灰塵、飛蟲、枯葉等外界雜質(zhì)，可能造成表面二次污染；因此，需要采用篷布封堵管端，防止二次污染，造成廢管。

若采用“先內(nèi)后外”防腐工藝方式，則對(duì)涂層固化程度要求較高，需要一定的涂層固化時(shí)間。要求內(nèi)涂層固化達(dá)到Ⅵ度固化后，才可以進(jìn)行外防腐的生產(chǎn)，否則會(huì)影響內(nèi)涂層質(zhì)量，甚至造成內(nèi)涂層的報(bào)廢。在內(nèi)減阻和外防腐連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，需要采用固化爐，對(duì)鋼管進(jìn)行加速固化，以縮短固化周期［8］。

2.2 固化溫度

固化溫度對(duì)內(nèi)涂層的固化速率起著決定性的影響。固化溫度過低時(shí)，溶劑揮發(fā)及化學(xué)反應(yīng)遲緩，內(nèi)涂層難以固化；提高溫度，能加速溶劑揮發(fā)和水分蒸發(fā)，涂層固化速率加快。但固化溫度不能無限度地提高，因?yàn)闇囟扰c固化速率不是成正比的關(guān)系。固化溫度過高時(shí)，固化速率沒有明顯提高，反而會(huì)使涂層色澤變暗。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，固化溫度超過80℃，溶劑激烈揮發(fā)，表層迅速干燥，內(nèi)部溶劑蒸氣到達(dá)表層時(shí)容易產(chǎn)生氣泡［9］。

若采用“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式，固化時(shí)外防腐層的耐高溫能力是確定固化溫度的關(guān)鍵因素。以3PE外防腐涂層為例，理論上常溫型3PE防腐層最高承受溫度為50℃，固化溫度不能超過50℃；高溫型3PE防腐層最高承受溫度為70℃，固化溫度不能超過70℃。若超過以上溫度，會(huì)對(duì)外防腐涂層造成嚴(yán)重破壞。但實(shí)際生產(chǎn)中，固化溫度遠(yuǎn)不能達(dá)到以上最高承受溫度，一般在超過30℃的條件下，外防腐涂層的聚乙烯就會(huì)發(fā)生軟化，即使采用軟墊或其他保護(hù)裝置，鋼管的支撐處也會(huì)對(duì)聚乙烯造成明顯的壓痕，嚴(yán)重影響外觀質(zhì)量。因此若采用“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式，固化溫度一般不超過30℃。

若采用“先內(nèi)后外”的防腐工藝方式，對(duì)固化溫度制約因素相對(duì)較少，支撐方式、外涂層外觀質(zhì)量都失去了約束性。內(nèi)涂層質(zhì)量是作為確定固化溫度的關(guān)鍵因素，為避免內(nèi)涂層表面起泡，固化時(shí)鋼管表面溫度一般不超過80℃。

涂料固化溫度與固化時(shí)間對(duì)應(yīng)情況見表2。

表2 涂料固化溫度與固化時(shí)間對(duì)應(yīng)情況

由此可見，較高的固化溫度可極大地提高固化速率。與采用“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式（固化溫度達(dá)到30℃）相比，采用“先內(nèi)后外”的防腐工藝方式（固化溫度達(dá)到80℃）時(shí)，其固化速率明顯提高。

2.3 固化設(shè)備

在內(nèi)涂層噴涂后，進(jìn)入固化爐之前，應(yīng)設(shè)置涂層通風(fēng)裝置。其作用是讓涂層中的溶劑盡快揮發(fā)，降低溶劑濃度。這樣既可以避免因固化爐溫度過高時(shí)，涂層中揮發(fā)組分迅速揮發(fā)而產(chǎn)生針孔，還可以避免因固化爐中溶劑濃度過高而產(chǎn)生不安全因素。一般裝置設(shè)計(jì)為：在鋼管一端（距管端600～700 mm）與鋼管等高處放置一排軸流風(fēng)機(jī)對(duì)鋼管進(jìn)行吹風(fēng)；在鋼管的另一端處放置一個(gè)大的收集箱，收集箱連著一個(gè)離心通風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)。采用該裝置時(shí)應(yīng)保證鋼管內(nèi)的風(fēng)速約1 m/s，風(fēng)速過大易將潮濕的涂層吹皺，風(fēng)速過小則達(dá)不到預(yù)期的通風(fēng)效果。

固化爐的作用是讓涂層快速固化，它由保溫爐體、加熱系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)等組成，是一個(gè)可以保持恒溫的大箱體。工作時(shí)通過風(fēng)機(jī)將燃燒器產(chǎn)生的熱量吹入固化爐；熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是通過一組風(fēng)機(jī)和均勻分布于爐內(nèi)的風(fēng)道，將爐內(nèi)的熱空氣抽出后再吹入鋼管內(nèi)，以加強(qiáng)爐內(nèi)空氣和鋼管內(nèi)表面的熱交換。

若采用“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式，傳動(dòng)裝置需用軟墊或其他保護(hù)裝置，以保護(hù)外防腐涂層不受損壞；采用“先內(nèi)后外”的防腐工藝方式則無需考慮。

在固化溫度、空氣濕度、通風(fēng)條件確定的固化爐內(nèi)，“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式對(duì)固化程度要求不高，可適當(dāng)縮短固化爐長(zhǎng)度，避免資源浪費(fèi)；而對(duì)于“先內(nèi)后外”的防腐工藝方式，可適當(dāng)增加固化爐長(zhǎng)度，以延長(zhǎng)高溫固化時(shí)間，提高固化效果。

內(nèi)涂層所用的雙組份溶劑型環(huán)氧涂料在固化時(shí)容易與濕氣反應(yīng)，從而破壞其分子鏈，影響到涂層表面的光澤，嚴(yán)重的濕氣還會(huì)影響到涂層的附著力。解決因空氣濕度大影響固化效果的對(duì)策是：在保證鋼管噴涂后涂層通風(fēng)時(shí)間和鋼管在固化爐固化時(shí)間的情況下，鋼管從固化爐出來時(shí)固化百分率并未達(dá)到100%，此時(shí)鋼管還有一定溫度，因此出爐后最好設(shè)置涂層通風(fēng)裝置，一方面驅(qū)散管內(nèi)空氣中的濕氣，另一方面降低鋼管的溫度。待鋼管溫度降低后，用篷布將鋼管兩端封堵，防止內(nèi)涂層污染［10］。

3 結(jié) 語

“先外后內(nèi)”的防腐工藝方式對(duì)固化程度的要求不高，可適當(dāng)縮短固化爐長(zhǎng)度，避免造成設(shè)備資源、燃料資源浪費(fèi)，傳動(dòng)裝置需用軟墊或其他保護(hù)裝置。固化溫度需考慮外防腐層的耐高溫能力，3PE防腐層固化溫度不能超過30℃。

“先內(nèi)后外”的防腐工藝方式對(duì)固化程度的要求較高，可適當(dāng)增加固化爐長(zhǎng)度，以延長(zhǎng)高溫固化時(shí)間，提高固化效果，傳動(dòng)裝置不需用軟墊保護(hù)。固化時(shí)鋼管表面溫度一般不超過80℃。