石油管道外防腐涂層技術(shù)及其影響因素
目前，全球每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失是為嚴(yán)峻的，據(jù)統(tǒng)計(jì)因?yàn)楦g造成的經(jīng)濟(jì)損失是1000億美元，比其他災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重的多。然而，在石油行業(yè)，因?yàn)楦g造成的損失更為嚴(yán)重。石油開發(fā)到了中后期，由于石油管道的數(shù)量不斷增加，管道服役時(shí)間也越來越長，石油管道所運(yùn)輸介質(zhì)的特殊性，石油管道服役的環(huán)境差，導(dǎo)致了石油管道腐蝕的嚴(yán)重性，加劇了管道腐蝕速度。據(jù)有關(guān)報(bào)道，全球由于管道腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失及其嚴(yán)重，日本和德國經(jīng)濟(jì)損失約為33億美元，中國約28億美元，美國約22億美元，英國約17億美元。據(jù)美國國家輸送安全局統(tǒng)計(jì)管道損害造成經(jīng)濟(jì)損失74%為腐蝕損害。所以，加強(qiáng)石油管道的防腐管理工作，提高防腐技術(shù)，對(duì)石油行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)也不容忽視。針對(duì)不同類型的腐蝕情況和服役管道服役環(huán)境不同，采取不同的防腐蝕措施。目前，管道防腐方法主要為：合理的選用防腐蝕材料、腐蝕環(huán)境的控制、電化學(xué)保護(hù)、表面涂覆層保護(hù)以及合理的防腐蝕設(shè)計(jì)。其中，涂料涂層保護(hù)和緩蝕劑保護(hù)是有效、經(jīng)濟(jì)和普遍的方法[1]。
目前，國內(nèi)外在石油行業(yè)在管道涂層主要分為有機(jī)涂層和無機(jī)涂層，其使用也因現(xiàn)場(chǎng)的工況變化而變化[2]。涂層的防腐性能和使用壽命不僅取決于涂層本身的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，而且與金屬基體的預(yù)處理、涂層與基體的附著強(qiáng)度、涂層與基體間的附著強(qiáng)度、涂層對(duì)水和離子的抗?jié)B透能力及其服役環(huán)境等密切相關(guān)。
管道表面的處理、涂層的材料、涂層加工工藝（表面噴砂涂層、除銹、噴漆或烤漆、涂層厚度）、保護(hù)措施和現(xiàn)場(chǎng)施工不當(dāng)導(dǎo)致涂層失效，嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行，引發(fā)安全事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至?xí)?dǎo)致人員死亡和嚴(yán)重的環(huán)境污染。
1管道防腐的作用
管道防腐作用是阻止管道發(fā)生電化學(xué)或者是化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。
管道防腐就是為了減緩管道在內(nèi)外介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用下或由于微生物的代謝活動(dòng)而被侵蝕和變質(zhì)的措施，其目的就是為了減緩腐蝕速度，延長管道的使用壽命，從而減少經(jīng)濟(jì)損失、減少安全事故和人員傷害、減輕環(huán)境污染，減少成本。
涂料對(duì)所形成的涂膜而言，是涂膜的“半成品”，涂料只有經(jīng)過使用即施工到被涂物件表面形成膜后才可以表現(xiàn)出其作用。涂層的作用主要有：保護(hù)作用、裝飾作用和特殊功能作用[2]。涂層防腐是基本的管道防腐方法，是指用金屬管道經(jīng)過除銹工藝后，將其涂料均勻完整地涂敷在管道金屬表面，使其與各種腐蝕介質(zhì)隔絕，起到保護(hù)作用。隨著管道服役環(huán)境的不同，滋生出不同功能的涂料。因此，復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層成為管道防腐的趨勢(shì)。
2 石油管道涂層外防腐技術(shù)
2.1 傳統(tǒng)外防腐技術(shù)
涂層防腐蝕主要是石油管道外壁的防腐涂層和內(nèi)壁的減阻涂層[3]。我們主要介紹石油管道的外壁防腐涂層技術(shù)。
20世紀(jì)50年代，石油管道的外防腐材料是石油瀝青和煤焦油瀝青，即開始，石油管道外防腐技術(shù)就是運(yùn)用石油瀝青和煤焦油瀝青，經(jīng)過預(yù)制或現(xiàn)場(chǎng)施工涂敷于管道金屬表面的一種防腐技術(shù)；20世紀(jì)60年代，研發(fā)不同功能的塑料防腐材料如：熱塑涂層、黏膠帶、粉末融合涂層等；20世紀(jì)70年代，由于石油管道服役環(huán)境惡劣，要求防腐涂層有了更高的要求，所以研發(fā)出各種復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層。陸續(xù)發(fā)展，形成了聚烯烴涂層、環(huán)氧粉末涂層、環(huán)氧樹脂涂層等防腐技術(shù)。隨著石油行業(yè)的發(fā)展，對(duì)涂層的要求也越來越高，由于這些技術(shù)有一定的使用限制，于是就誕生了一些新型的涂層技術(shù)。
2.2 3PE防腐技術(shù)
3PE防腐技術(shù)是在20世紀(jì)80年代德國，是結(jié)合三種不同材料的特性，這種結(jié)構(gòu)主要是通過環(huán)氧樹脂和活性基團(tuán)之間的化學(xué)鍵相互結(jié)合，與鋼基材形成了分子間力。三層結(jié)構(gòu)為：底層為FBE，厚度：50~127微米，中間層是共聚物膠，厚度：200微米，外層是聚乙烯，厚度：3毫米。這一結(jié)構(gòu)就充分利用了FBE的性質(zhì)（強(qiáng)黏粘性、抗氧化性和耐腐蝕性）和聚乙烯性質(zhì)（耐陰極剝離性及高密度聚乙烯的電絕緣、抗潮氣、抗蠕變性能及抗機(jī)械損傷），可以使內(nèi)層與外層之間的保護(hù)層粘接在一起，使三層可以粘接形成一個(gè)整體[4]，結(jié)合在一起，發(fā)揮其大的防腐蝕效果。
2.3 液體聚氨酯防腐技術(shù)
我國現(xiàn)在使用在彎頭或者補(bǔ)口的新型材料主要是固體的聚脲防腐材料與聚氨酯防腐材料。液體聚氨酯涂料，是一種雙組分結(jié)構(gòu)的物料，其組分為：多元醇化合物和異氰酸酯溶液。液體聚氨酯防腐技術(shù)主要應(yīng)用于氣田和城市管網(wǎng)以及涂抹復(fù)雜的管件、埋地閥門、彎頭或者補(bǔ)口等。液體聚氨酯防腐技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：液體聚氨酯無溶劑，施工方便，防腐層質(zhì)量好，可以采用噴涂或者刷涂的方式，根據(jù)不同需要，可以現(xiàn)場(chǎng)涂或工廠預(yù)制，并且涂層的附著力強(qiáng)、耐陰極剝離性能好、耐機(jī)械能力好、適用于各種服役環(huán)境、以及成本低。所以，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外管道外防腐技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
2.3 納米涂層技術(shù)
納米涂層是一種新型技術(shù)，防腐所涉及的表面材料性質(zhì)是由材料的微觀結(jié)構(gòu)決定的，所以，納米材料在防腐領(lǐng)域的一種新的突破。將新型的納米技術(shù)引入熱噴涂領(lǐng)域，采用熱噴涂工藝，在材料表面形成納米涂層。美國Rutgers大學(xué)和美國海軍研究室共同開發(fā)了一種制備納米WC/Co粉的專利技術(shù)，即噴射轉(zhuǎn)換工藝。這種納米級(jí)WC/Co晶體的粉末比普通的WC/Co粉末力學(xué)性能、耐破裂和耐磨耗性好很多，并且它的硬度提高了1倍[5]。納米級(jí)涂層的綜合性質(zhì)高，特別是提高了涂層的機(jī)械強(qiáng)度、硬度，熱穩(wěn)定，表面強(qiáng)化效果，延長石油管道服役壽命，減少因磨損造成材料浪費(fèi)。納米涂層技術(shù)石油管道外防腐技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。
3 影響涂層防腐性能和壽命的因素
3.1 涂層自身的組成和結(jié)構(gòu)
對(duì)涂層的要求大致有三方面的要求：工藝性能好、涂層操作簡單容易掌握、容易調(diào)節(jié)、類型多樣；經(jīng)濟(jì)成本低即“成本/功能”較低；環(huán)境友好型即節(jié)約資源、減少污染、使用可回用或可再生的產(chǎn)品[６]。
涂層工藝性能的好壞與涂層自身組成和結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，涂層自身組成與結(jié)構(gòu)，從涂層的粘度、流動(dòng)性、固化時(shí)間、附著力等性能體現(xiàn)。由于管道施工服役環(huán)境不同，對(duì)管道外涂層要求也不同。根據(jù)不同管道服役要求，涂層也有具體的要求。如要求管道防腐導(dǎo)熱性能良好，涂層除基本性能以外，還要求防腐性能好，導(dǎo)熱性好；管道服役環(huán)境要求防靜電，要求涂層除基本性能好以外，還要求涂層的防靜電性能好。所以，我們?cè)谶x擇涂層時(shí)，一定要選擇與管道實(shí)際服役環(huán)境相符的涂層，選擇相符涂層之后，就要求選擇質(zhì)量優(yōu)，成本低，無污染綠色環(huán)保型涂層。
3.2 涂層與金屬基體的預(yù)處理
涂層與金屬基體的預(yù)處理主要分為兩個(gè)方面：噴砂除銹和噴漆，而噴砂除銹更為關(guān)鍵。噴砂除銹既除去鋼管表面的銹蝕層、舊漆層和其他污物，又能使鋼管表面形成均勻的小麻點(diǎn)，這樣可以提高涂層和金屬間的附著力，提高涂層的防腐效果和使用壽命。在噴砂除銹過程中，選擇不同顆粒大小的石英砂或者選擇石英砂與鋼珠按照一定比例混合進(jìn)行噴砂，這樣的效果會(huì)更好。按照施工管道要求對(duì)噴砂除銹的要求是不同的，根據(jù)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB8923-88）
對(duì)噴砂除銹效果進(jìn)行確定。噴漆之前，應(yīng)確保管道的清潔，這樣可以使涂層與金屬基體間附著強(qiáng)度增大。根據(jù)不同要求，噴漆的厚度及漆膜表面均勻也隨之變化。
3.3 涂層與基體間的附著強(qiáng)度
目前，涂層與金屬基體之間的結(jié)合力主要采用涂層電容表征[6]。Grundmeier等[7]認(rèn)為維持界面粘接力是影響涂層保護(hù)的主要因素。根據(jù)電化學(xué)阻抗譜（EIS）來判斷涂層的粘接力有一定的局限性，但是，可以確定涂層電容與涂層服役粘接力之間具有對(duì)應(yīng)（正比）關(guān)系，涂層電容越小、粘接力越強(qiáng)、剝離越小。
3.4涂層對(duì)水和離子的抗?jié)B透能力及其服役環(huán)境
涂層對(duì)水和離子的抗?jié)B透能力也是影響涂層質(zhì)量因素之一。浸泡在介質(zhì)中的有機(jī)涂層在吸水過程中的變化發(fā)生在涂層∕金屬界面粘接力喪失、電化學(xué)反應(yīng)、涂層本身對(duì)離子傳輸阻力的下降之前[8]。涂層失效的開始是涂層對(duì)水和離子的抗?jié)B透差，就會(huì)誘導(dǎo)氧和其他腐蝕質(zhì)的滲透，導(dǎo)致這些腐蝕質(zhì)達(dá)到涂層/金屬界面速度快，引發(fā)涂層下腐蝕。所以涂層對(duì)水和離子的抗?jié)B透能力越強(qiáng)，涂層的壽命就越長，服役管道的壽命也就越長。
結(jié)論：目前，隨著石油行業(yè)的發(fā)展，服役管道數(shù)量和服役年限不斷增加，石油管道的腐蝕狀況越來越嚴(yán)重。所以，石油管道的防腐涂層技術(shù)也越來越重要，防腐涂層也要不斷更新，研究影響涂層質(zhì)量和效益尤為重要。根據(jù)石油管道服役環(huán)境、土壤環(huán)境和自然環(huán)境不同，選擇合理的防腐涂層、結(jié)合不同的防腐技術(shù)，能夠很好的降低服役石油管道的腐蝕速度，提到石油管道的使用壽命。
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