節(jié)能環(huán)保型無溶劑環(huán)氧減阻內涂層技術
——以中俄東線天然氣管道工程黑河—長嶺段為例

鄭安升 黃留群 楊學強 付 偉 王 杰 潘懷良

1.中國石油天然氣管道工程有限公司 2.中國石油管道局工程有限公司燃氣分公司

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，設計輸送壓力為12 MPa。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)劃等內容還需通過工程試驗和應用驗證，以期為外徑1 422 mm管道后續(xù)大規(guī)模應用奠定基礎[1]。借此機會在試驗段開展了無溶劑環(huán)氧減阻內涂層的設計和試驗應用工作。

環(huán)氧涂料是天然氣管道減阻內涂層的主要原料[2]，被美國石油學會API RP 5L2[3]標準推薦使用[4]。目前國內外減阻內涂層基本上都采用以有機溶劑作為分散介質的溶劑型環(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介質性能都明顯優(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。目前國內外都在開發(fā)無溶劑減阻內涂層，但均未在工程中大規(guī)模應用[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)氧減阻內涂層特點

1.1 無溶劑環(huán)氧減阻內涂層的減阻原理

由于管道內壁具有一定的粗糙度[7]，導致天然氣在管道內的流動狀態(tài)主要以湍流為主，天然氣流經管道內壁凸起物就會形成渦流區(qū)。管道涂敷內涂層使得渦流區(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)氧減阻內涂層對比

無溶劑環(huán)氧減阻內涂層相對于溶劑型環(huán)氧減阻內涂層主要差別在于：無溶劑涂料在生產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，而采用低黏度胺類固化劑和環(huán)氧樹脂經過交聯(lián)反應合成的涂層，該涂層具有優(yōu)異的機械性能和耐化學性能以及良好的防腐性能。無溶劑型和溶劑型環(huán)氧減阻內涂層的主要差異如表1所示。

圖1 管道涂敷減阻內涂層的減阻示意圖

表1 無溶劑型和溶劑型環(huán)氧內涂層性能對比表

2 無溶劑環(huán)氧減阻內涂層技術研究

2.1 減阻內涂層性能試驗及材料比選

針對無溶劑減阻內涂層的缺點，在中俄東線設計之前，設計單位聯(lián)合研究院與涂料生產廠商開展了相關研究和試驗工作，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。固化劑的分子結構和化學反應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、反應迅速，所以造成內涂層硬脆性大[10]。聚酰胺類與環(huán)氧樹脂反應慢，而且分子量較大、反應活性基團較少，反應產物交聯(lián)密度低、固化產物柔性好，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構和分子量有直接關系，支鏈越短、分子量越小，黏度越低，因此應選擇支鏈較短、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，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 試驗結果

根據(jù)上述固化劑和樹脂黏度的推薦結果，選擇5個生產廠家（A、B、C、D、E）的無溶劑環(huán)氧涂料進行外觀、黏結力、抗彎曲和剝離性能實驗室測試，測試結果均滿足要求（表2）。

2.1.4 涂料與涂層的技術指標要求

鑒于5個廠家的涂料都可滿足黏結力、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。在此基礎上并結合SY/T 6530—2010[14]的相關要求，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，除個別鋼管因內涂層過厚導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用良好，為后續(xù)在中俄東線黑河—長嶺段中大規(guī)模應用奠定了基礎。

表2 減阻內涂層測試結果表

表3 稀釋后涂料的物理性能要求表

2.2 無溶劑環(huán)氧減阻內涂層噴涂要求

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5 MPa。一般防腐廠配備的國產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7 MPa，完全可以實現(xiàn)無溶劑環(huán)氧減阻內涂層的噴涂。無溶劑型環(huán)氧減阻內涂層鋼管噴涂的工藝流程如圖2所示。

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而不產生漏點。因此，需要對原溶劑型環(huán)氧噴涂生產工藝的工序參數(shù)進行調整，重點關注以下幾方面內容。

表4 鋼管減阻內涂層的性能指標要求表

圖2 無溶劑型環(huán)氧減阻內涂層噴涂工藝流程圖

2.2.1 表面處理

鋼管表面除銹等級應達到GB/T 8923.1—2011[21]規(guī)定的Sa2.5級，表面粗糙度應為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壁接觸面積，達到提高涂層與管內壁間黏結力的目的。因涂層最小厚度為65 μm，故表面粗糙度必須小于65 μm。按內涂層噴涂作業(yè)的設計要求，除銹后鋼管內壁粗糙度應控制在30～50 μm范圍內。

除銹后鋼管內表面的灰塵度不應低于GB/T 18570.3—2005[22]規(guī)定的2級。按金相學理論，經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力。但鋼管內表面夾雜灰塵會降低涂層黏結力，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)至關重要。涂料黏度太大會造成噴涂困難或者在涂層中產生氣泡或針孔；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，應規(guī)定涂層的厚度上限。本試驗段涂層厚度的設計要求為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涂層，管道內壁粗糙度降低，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]，考慮內涂層投資后，建設投資仍然低于無內涂層方案，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)模應用情況

經過中俄東線試驗段的試制和現(xiàn)場成功應用，無溶劑環(huán)氧內涂層在后續(xù)的中俄東線黑河—長嶺段成功應用637 km，目前項目已經投產運行；在中俄東線長嶺—永清段成功應用1 110 km，目前項目正在施工；在中俄東線永清—上海段成功應用1 237 km，目前已完成初步設計。

4 結論

1）無溶劑環(huán)氧內涂層在中俄東線天然氣管道工程試驗段獲得成功應用，開創(chuàng)了無溶劑環(huán)氧內涂層在輸氣管道工程中大規(guī)模應用的先河。

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)氧內涂層已推廣應用至中俄東線天然氣管道工程全線，也可推廣應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涂層領域具有廣闊的應用前景。