管道涂层应用现状分析

作 者 中国石油管道科技研究中心 沈光霁 陈洪源 薛致远 赵 君
出 处 《腐蚀科学与防护技术》
摘 要

1 前言

目前,埋地长输油气管道采用防腐涂层和阴极保护联合的方式进行防腐蚀保护,管道涂层作为管道腐蚀与防护的关键技术之一,已发展了半个多世纪,目前仍属于全世界范围内的研究热点。管道涂层保护主要是利用具有良好绝缘性、抗渗透性、抗冲击性等性能的防腐涂层,阻止周围环境中的水分、氧及腐蚀性介质进入,从而达到防腐蚀的目的。它先后经历了石油沥青、环氧煤沥青、煤焦油瓷漆、二层结构聚乙烯、熔结环氧粉末(FBE)、3层结构聚乙烯(3PE)的应用时代,目前呈现出3PE、FBE和其它防腐涂层三足鼎立的局面 [2] 。管道涂层按用途主要可以分为干线管道涂层、站场管道涂层、管道涂层补口、管道涂层修复、管道内涂层五个方面。

2 干线管道涂层

2.1 国外现状

在国外,目前干线管道涂层主要采用的是3PE和FBE,其中北美地区一般偏向于使用FBE,欧洲则偏向于使用3PE。近些年,国际上也出现了一些新型涂层:

(1)HPCC 防腐涂层体系由加拿大百劭公司(bredero shaw)开发研制,由环氧粉末底层、胶黏剂中间层和喷涂聚烯烃粉末面层的3层结构,相对于3PE而言其最大的优点就是解决了阴极保护电流屏蔽的难题,且喷涂技术使得层间粘结力、耐阴极剥离、耐老化等主要性能有一定提高 。

(2)喷涂聚脲防腐层是近10年来新发展的一种防腐技术,它打破了传统防腐涂层需加热和缠绕带来的缺陷,具有高弹性、高硬度、良好的防腐防水性能和力学性能,但应用过程中受到价格、涂敷工艺和维护的制约 。

(3)还有聚氨脂、环氧/改性聚乙烯粉末、无机非金属材料、纳米改性材料、复合材料等 [5] 。

国外的干线管道涂层已发展半个多世纪,比较成熟。 《NACE RP 0169地下或水下管路系统外部腐蚀控制》中规定的管道外防腐涂层体系有 [6] :煤焦油类、预制薄膜(冷缠胶带)类、熔接环氧涂层类、聚烯

烃涂层类和石蜡类,这些涂层技术也都有配套的技术标准,如NACE标准、API标准、ISO标准、CSA标准、DIN标准等。

2.2 国内现状

在国内,干线管道涂层主要采用的有3PE、单层/双层FBE、聚乙烯缠带、煤焦油磁漆、石油沥青等,从2002 年以来对于新建管道涂层则几乎全部选用3PE。

我国的干线管道涂层应用状况较好,短短几十年间,也形成了较完整的技术体系,如《GB/T 21447-2008 钢质管道外腐蚀控制规范》、《GB/T 50538-2010 埋地钢质管道防腐保温层技术标准》;对于每

一种应用涂层都有相应的规范标准,如《GB/T23257-2009埋地钢制管道聚乙烯防腐层》等。2.3 生产需求

(1)新建管道涂层选用体系过于单一

目前国内新建管道的涂层几乎全部选用3PE,3PE防腐层虽然结合了FBE优良的防腐性能和机械保护性能,但也不是万能的,也有其缺点,如涂层剥离、阴极剥离、阴极保护屏蔽、剥离防腐层膜下腐蚀、杂散电流干扰等。应该根据涂层对各种土壤类型、周边环境的适用性,及现场的实际情况,建立科学的、完善的新建管道涂层选用体系。例如,石方、水网、沼泽等地段采用3PE,干燥土壤、沙漠地段采用FBE,而潮湿、酸雨地区则应充分考虑pH值、紫外线、温度、湿度等多种因素。

(2)3PE管道涂层剥离失效

管道营运部门在近几年日常维护中多次发现了3PE防腐层剥离现象,剥离形式大多表现为:管道开挖后防腐层外观良好,环氧粉末层与钢管剥离,仅有少数粉末或没有粉末留存,且钢管表面干燥无腐蚀痕迹。国外发表的报告显示,在墨西哥、沙特、伊朗等国家的3PE管道也发生了类似问题 [7] 。目前,国际上对此缺乏针对性的研究,无法确定原因,仅限于理论推测。

(3)管道涂层与阴极保护的兼容性

管道涂层与阴极保护系统共同组成管道防腐系统,涂层为长输管道提供第一层保护,阴极保护系统为防腐涂层漏点提供阴极保护电流而进行第二层保护,但阴极保护电流密度会受到防腐涂层的性能及状态的影响。也就是说,管道涂层绝缘性能越好,阴极保护电流密度越小,其所能有效保护的涂层漏点面积就越小。因此管道涂层与阴极保护必然存在着兼容性问题,有待进一步研究。

3 站场管道涂层

3.1 国外现状

国外,对于站场地上管道通常采用复合涂层结构,底涂层和中间过渡涂层为环氧或聚氨酯涂层,外涂层大多采用耐候性、耐磨性优异的聚氨酯或氟碳涂层;对于埋地管道,加拿大、美国等发达国家采用环氧、煤焦油、聚氨酯涂料 [8] 。相关标准如《NACERP 0190 地下或水下金属管道系统连接点、管件和阀门的外部保护涂层》。

3.2 国内现状

国内,站场地上管道也采用复合型防腐涂料,如丙烯酸聚氨酯涂料、交联氟碳涂料及与之配套的中间漆;站场埋地管道采用与干线涂层相同级别的预制防腐层,现场涂敷选用无溶剂环氧、聚乙(丙)烯胶

粘带或其复合结构、以及无溶剂环氧玻璃钢等 [9] 。相关标准如《Q/SY 1186-2009 油气田及管道站场外腐蚀控制技术规范》。

目前,国内站场管道涂层问题较多,部分站场相继出现埋地管线腐蚀穿孔案例,引起高度关注,站场埋地管线的防腐已成为管道防腐设计的薄弱环节。

3.3 生产需求

(1)国家或行业标准缺乏站场管道涂层的内容站场管道的涂层保护是目前管道防腐工程的薄弱点,在国家或行业标准中还没有针对站场管道涂层的内容。应尽快参考现有企业标准或其他相关标准,对现行国家或行业标准进行修订、整合,填补标准空白,为日后管道站场涂层的设计、施工、验收提供依据。

(2)阀门等异性部件防腐近几年,由于材料、施工、环境等因素,阀室设备的涂层失效案例屡见不鲜,尤其是阀室内埋地阀门及附属管线等异型部位的涂层施工及修复,更是成为管道腐蚀与防护管理的难题。应尽快形成针对于阀门等异性部件的涂层保护技术,解决此类问题。

4 管道涂层补口

4.1 国外现状

国际上,补口材料普遍采用与管道主体相同或相近的涂层材料进行管道补口,例如FBE涂层采用环氧粉末或液态环氧补口、3PE涂层采用聚烯烃热收缩带补口。目前,聚烯烃热收缩带、液态环氧、液体聚氨酯及粘弹体材料补口成为主流。近年来也出现了一些新型补口材料:

(1)喷涂聚脲弹性体材料,为满足环保要求而研制的一种新型无溶剂、无污染的喷涂材料,最大的优点是可在低温下进行补口作业 [10] 。中国石油管道科学研究院在兰州-银川输气管道工程中对新型改

性聚脲补口涂料进行了现场应用演示,试验结果良好。

(2)ATO超陶(陶瓷金属)防腐防污材料,由韩国爱涂防水防腐株式会社研发,属于无机高分子双组份涂料,依靠基本剂与固化剂混和后自身发热而逐渐固化,具备设计寿命长、水中可固化的优良特性 [10] 。

(3)聚合物网络涂层(PNC),是3M公司专为三层结构涂层管道系统开发的补口材料,含有聚烯烃和环氧树脂成分,具有极强的化学反应性能,在不使用粘结剂时,能直接应用于FBE和聚烯烃表面实现

粘结 [2] 。国外的管道涂层补口标准有《NACE RP 0303管道热收缩套现场补口、施工、性能和质量控制推荐作法》、法国道达尔(TOTAL) 《GS GR COR 420 rev 04管 道 涂 层 补 口 》、英 荷 SHELL( 壳 牌 )《DEP31.40.30.37-Gen.线路管道涂层系统补口及修复》等。

4.2 国内现状

近几年,管道涂层补口在国内引起了广泛关注,先后引进了国外多种先进材料,技术发展较为迅速,主要的补口材料有:辐射交联聚乙烯热收缩带(套)、FBE、无溶剂环氧、液体聚氨酯、粘弹体等。现行标

准如《GB/T 50538-2010 埋地钢质管道防腐保温层技术标准》、 《GB/T 23257-2009埋地钢制管道聚乙烯防腐层》等。

4.3 生产需求

(1)积极推进新建管道涂层补口机械化作业

从陕京线开始,国内新建管道大多采用3PE结构,补口采用环氧底漆加热收缩带结构。相对3PE防腐层自动化流水线的生产方式,热收缩带补口基本为手工操作,受现场施工环境、工人安装熟练程度等因素影响很大,后期运行中发现热收缩带补口存在较为严重的质量问题,成为管道防腐层中最薄弱的环节。因此,应积极推进新建管道层补口机械化作业,以排除人工安装因素的影响。

(2)缺乏管道补口材料的长期性能评价技术

调查资料显示,往往失效的补口材料在工程应用时送检样品均满足相关标准/工程技术规范的要求,建设期间监理按要求抽检的补口质量也满足标准要求,但在运行几年后,却出现了不同程度的失效现象。补口材料在实际运行环境中的长效性是决定其使用寿命的关键指标,但相关标准/工程技术规范缺少对补口材料长期性能的评价方法和技术指标要求。因此,有必要研究管道补口材料的长期性能评价技术。

5 管道涂层修复

5.1 国外现状

国外管道涂层修复技术较为成熟,采用机械化作业,除旧防腐层、表面预处理、涂覆新涂层流水化一体进行,涂覆工艺应用较多的是沟下机械喷涂法和地面组合机具修复法。修复材料的选择也较为严格,强调适用性,常用的有煤焦油磁漆、聚乙烯胶带、液体环氧涂料、聚氨酯涂料、热收缩带等 [11] 。

5.2国内现状

目前,国内管道涂层修复技术较为落后,修复材料主要采用石油沥青、聚乙烯胶带、液态固化类涂料,涂覆工艺主要采用人工涂覆法或沟下机械缠绕法,受材料、环境、施工因素影响较大。现行标准如《SY/T 5918-2004 埋地钢制管道外防腐层修复技术规范》。

5.3 生产需求

(1)优化修复工艺、研制相应的修复机具目前,我国管道涂层修复主要采取人工涂覆或半机械化缠绕的工艺方法,施工机具较为落后,涂层修复质量难以得到保证。应积极吸收国外先进技术,优化涂层修复工艺,并研制相应的修复机具,推进管道涂层修复施工的机械化作业。

(2)埋地结露管道外防腐层修复

目前,漠大线一些低温运行管道,因输送介质温度较低,当管体表面温度低于环境露点时,管体表面会有大量水汽凝结,俗称管道“出汗”。出汗时的水汽极大影响修复涂层与管体和原防腐层间的粘接性能,容易产生剥离;并且在气候寒冷时还存在易低温脆裂、液体涂料产品无法充分固化等难题。为此,应尽快研究解决埋地结露管道的外防腐层修复难题。

6 管道内涂层

6.1 国外现状

目前,管道内涂层在欧美等管道工业发达国家已经被广泛应用,常用于管道内涂层的材料以热固性树脂粉末涂料为主,如环氧酚醛树脂及改体、液体环氧、粉末环氧、富锌、聚氨酯、聚酰胺材料等 [12] 。相

关标准如《API-RP5L2 非腐蚀性气体输送管道内涂层推荐准则》,英国著名的COPON双组份液体环氧涂料,成功应用于世界各地的天然气干线管道内涂层。

6.2 国内现状

国内的管道内涂层应用较晚,与国外尚存在较大差距,目前主要应用在输气管道上,环氧类涂料成为国内应用较多的管道内涂层材料 [13] 。现行标准有《GB/T 23258-2009钢制管道内腐蚀控制规范》、 《SY/

T 0442-2010 钢制管道熔结环氧粉末内防腐层技术标准》等。

6.3 生产需求

目前,国内的管道内涂层主要应用在输气管道上,原油及成品油管道应用较少,应尽快对管道内涂层的材料、结构、性能、施工工艺等方面进行研究,使管道内涂层材料广泛应用于各种输送介质类型的管道。

7 总结

管道涂层是油气管道腐蚀控制的基础,从理论上讲,如果涂层完好的涂敷在管道上,成功隔绝其与周围土壤环境的接触,它将起到99%以上的保护作用,再加上阴极保护则可以实现完全保护。由此可见,管道涂层是油气管道腐蚀与防护的第一层堡垒,其重要性不言而喻。通过文章上述分析,对于管道涂层应用较成熟的方面,应通过自主研发或技术交流等方式,保持与国外技术同步,并及时修订或编制相应的规范标准,形成完善的技术体系;对于应用尚未成熟的方面,应积极借鉴、引进、消化、吸收国外先进技术,并通过工程实践检验应用成果;对于本文所提出的生产需求,建议国内相关科研院所立项研究,尽快解决这些生产实际中的现实问题。


参考文献

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[9] 赵君, 阎庆玲, 陈洪源等. Q/SY 1186-2009, 油气田及管道站场外腐蚀控制技术规范 [S]. 北京: 石油工业出版社, 2009

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[11] 卢绮敏. 浅谈国内外埋地管线外防腐层修复的材料选择及应用

[J]. 腐蚀与防护, 2001, 22(10): 437

[12] 李林辉, 李浩, 屠海波等. 油气集输管线内防腐技术 [J]. 上海涂料, 2011, 49(5): 31-33

[13] 张其滨, 张丽萍, 赫连建峰等. 管道外防腐涂层技术的发展与应用现状 [J]. 防腐保护技术, 2005, 13(3): 34


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