一、 前言
腐蝕是造成材料失效的主要原因，金屬腐蝕是一個重大的經(jīng)濟(jì)問題，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國每年因金屬腐蝕造成的損失約占國民經(jīng)濟(jì)總值的 5%，其中管道腐蝕占了不小的比例。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，能源需求量不斷增大，管道建設(shè)量也越來越大，各個城市規(guī)劃中將要建設(shè)的各種供氣、供水、供熱管道更是數(shù)不勝數(shù)，這使管道腐蝕的防護(hù)變的越來越重要，這直接關(guān)系到管道的防腐性能和運行壽命。所以，加強(qiáng)對管道防腐涂層的研究對整個管道的腐蝕控制具有重大意義。
2.1、管道腐蝕產(chǎn)生的原因
腐蝕是指金屬材料表面和環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用，引起材料的退化與破壞。油管常見的腐蝕主要是原油中溶解的CO2、H2S、C1﹣、少量溶解氧和細(xì)菌等腐蝕性物質(zhì)引起的，這些物質(zhì)直接和金屬作用，引起化學(xué)腐蝕。
化學(xué)腐蝕的危害性不大，而造成鋼管表面出現(xiàn)凸穴，以至穿孔的主要原因來自電化學(xué)腐蝕。金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，電極電位較低的部位容易失去電子，成為陽極；電極電位較高的部位得到電子，成為陰極。在O2和H20存在的情況下，F(xiàn)e(OH)2生成水合氧化鐵，即產(chǎn)生腐蝕。
2.2、防腐涂層的作用及性能要求
1、防腐涂層的作用
防腐層的防腐蝕原理主要是防止環(huán)境中的 H2O、Cl-、SO2等腐蝕性介質(zhì)滲透到金屬表面，使得腐蝕介質(zhì)與金屬表面隔離，從而防止金屬的腐蝕。管道防腐涂層的主要作用如下：
1）屏蔽作用。2）緩蝕性能。3）犧牲陽極保護(hù)作用。4）性能提升作用。
2、管道防腐蝕涂層性能要求
為了達(dá)到提升涂層的防腐性能，使涂層的防腐效果大化，結(jié)合管道防腐的實際情況，對防腐蝕涂層性能的要求如下：1）對腐蝕介質(zhì)的良好穩(wěn)定性。2）良好的抗?jié)B性能，保證低吸水率。3）具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。4）具有優(yōu)良的電絕緣性。
2.3道防腐涂層發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
1865年，埋地鋼質(zhì)管道剛投人使用時，沒有解決管道防腐問題，管道泄漏頻繁發(fā)生。出于防漏考慮，采用煤焦油瀝青及改性的煤焦油瓷漆作為防腐層材料。這種材料在管道溫度上升時發(fā)生氧化反應(yīng)，揮發(fā)部分餾分，導(dǎo)致脆變和剝離，使陰極保護(hù)電流增大。
20世紀(jì)中期是各種防腐層材料競爭發(fā)展的時期。石蠟、石油瀝青、膠帶陸續(xù)被開發(fā)出來，其中膠帶防腐層曾一度占據(jù)優(yōu)勢地位。但這種材料在腐蝕性土壤中經(jīng)常發(fā)生剝離，對陰極保護(hù)電流產(chǎn)生屏蔽，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。
20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的雙層聚乙烯結(jié)構(gòu)防腐層，逐漸改變了煤焦油瀝青的主導(dǎo)地位。但隨著管道運行條件的不斷變化，這種防腐層逐漸暴露出易損壞、剝離、屏蔽陰極保護(hù)電流等缺陷。
20世紀(jì)70年代投產(chǎn)的阿拉斯加管道，標(biāo)志著熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層應(yīng)用時代的開始。通過不斷改進(jìn)組分和施工程序，熔結(jié)環(huán)氧粉末成為20世紀(jì)80年代應(yīng)用成功的防腐涂層，但是其機(jī)械強(qiáng)度不理想。
到了20世紀(jì)90年代后期，熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)和三層聚乙烯(三層PE)兩種防腐層逐漸成為主流，近幾年雙層環(huán)氧(雙層FBE)也逐步開始規(guī)模應(yīng)用。目前在國外，防腐涂層的選用有著兩種明顯不同的觀點：北美地區(qū)一般偏向于FBE，歐洲則偏向于PE。美國的有關(guān)統(tǒng)計表明,當(dāng)前的防腐層是FBE、PE和煤焦油三足鼎立的局面，其他早期的一些防腐層應(yīng)用的數(shù)量與范圍在逐步縮減。
三、三層PE和雙層FBE技術(shù)介紹
3.1三層聚乙烯(三層PE)
20世紀(jì)80年代德國曼內(nèi)斯曼公司發(fā)明了被稱為“完美涂層”的三層聚乙烯。其制作工藝是首先在鋼管表面噴涂一層環(huán)氧底漆，再將鋼管按一定的旋轉(zhuǎn)速度送入涂敷區(qū)，臺擠出機(jī)按一定厚度和密度擠出膠粘劑薄膜并纏繞在鋼管表面，在膠粘劑還處在熔化狀態(tài)時，第二臺擠出機(jī)擠出聚乙烯薄膜并纏繞在膠粘劑外而形成涂層。
三層PE防腐層的結(jié)構(gòu)是：底層為FBE，約50～127µm，中間層為共聚物膠，約200µm，外層為聚乙烯，約3 mm。這一結(jié)構(gòu)將FBE的高粘結(jié)性、抗氧性、耐化學(xué)腐蝕及耐陰極剝離性能和高密度聚乙烯的抗潮氣、電絕緣及抗機(jī)械損傷的性能結(jié)合成一個完美的有機(jī)整體，具有與管道表面粘結(jié)力強(qiáng)、電絕緣性能好、耐沖擊、壽命長等突出優(yōu)點，而且陰極保護(hù)電流密度小，只有1～3µA／m2。
三層PE使用壽命預(yù)計達(dá)40年以上，但價格較昂貴，目前在歐洲應(yīng)用較多，而美國應(yīng)用較少。我國自1995年引進(jìn)以來，主要鋼管廠都建立了三層PE防腐生產(chǎn)線。陜京輸氣管道、庫鄯管道共計約有2 000 km使用了三層PE，西氣東輸管道工程也使用了該防腐層。
3.2雙層環(huán)氧(雙層FBE)
雙層環(huán)氧由美國OBRIEN公司發(fā)明，它將單層FBE的防腐性能與表層塑性FBE的抗機(jī)械損傷性能結(jié)合在一起，表現(xiàn)出粘結(jié)性能強(qiáng)、使用溫度高、耐土壤應(yīng)力、耐沖擊能力和抗陰極剝離性能好的特點。
雙層FBE由兩種不同性能的環(huán)氧粉末在噴涂過程中一次噴涂成膜完成，底層環(huán)氧防腐層與單層FBE相同，用以提供防蝕功能，外層FBE為增塑性環(huán)氧粉末層，主要用于抗機(jī)械損傷。兩層厚度一般為525～l 000µm，可適用于各種口徑的管子，并適用于補(bǔ)口、彎頭、異型構(gòu)件的防腐需要。可根據(jù)不同使用環(huán)境、不同需要，選擇不同的雙層FBE結(jié)構(gòu)類型。它的耐沖擊性能和陰極保護(hù)電流密度與三層PE相當(dāng)，是能用于陰極保護(hù)系統(tǒng)并完全兼容而無屏蔽的防腐系統(tǒng)，具有失效安全性，所以更加優(yōu)越。
雙層FBE的價格因其結(jié)構(gòu)與厚度不同而不同，但一般比三層PE便宜，隨著工藝技術(shù)的發(fā)展成熟其成本還在降低。
在我國，金山一揚(yáng)子管道、寧波城市燃?xì)夤芫W(wǎng)、中石化物資裝備部管道等工程都已采用了雙層FBE。由于雙層FBE優(yōu)良的綜合性能和不斷提高的經(jīng)濟(jì)性，它必將得到更廣泛的應(yīng)用。
四、管道防腐涂層新技術(shù)
4.1液態(tài)聚氨酯防腐涂料（PU)
聚氨酯瀝青是 20 世紀(jì) 90 年代以來出現(xiàn)的性能優(yōu)異的管道防腐層，該涂料是由多元醇化合物和異氰酸酯溶液所構(gòu)成的雙組分熱噴涂無溶劑體系。該防腐涂料性能優(yōu)越，施工簡單，防腐層質(zhì)量好，耐沖擊性和柔韌性強(qiáng)，耐微生物腐蝕，耐劃傷、耐磨、耐拖拉性能好，有一定韌性，抗陰極剝離性能強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗紫外線，壽命長，成本低，性價比高并且有利環(huán)保，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，尤其適用于補(bǔ)傷、補(bǔ)口及舊防腐層的修復(fù)，目前已經(jīng)成為國際管道防腐層修復(fù)的主要材料，有著廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。
4.2無機(jī)非金屬防腐層
無機(jī)非金屬涂層較有機(jī)涂層具有更優(yōu)良的耐腐蝕、抗老化、耐溫抗寒性能，使用壽命大大提高，主要有陶瓷涂層、搪瓷涂層和玻璃涂層。
陶瓷涂層具有高化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕、耐氧化、耐高溫，目前已發(fā)展了自蔓延高溫合成、熱噴涂、化學(xué)反應(yīng)等多種制備陶瓷涂層方法。搪瓷涂層具有優(yōu)良的耐蝕性能，可以耐各種濃度的有機(jī)酸和無機(jī)酸，各種堿和鹽，綜合防腐性能優(yōu)異。玻璃涂層致密性、耐蝕性、耐磨性優(yōu)異，表面光滑，可起到減阻作用，其突出特點是：生成工藝先進(jìn)，永不老化、使用安全、耐蝕性能優(yōu)越、耐磨、流動性好、耐候性強(qiáng)、無毒無害無污染、造價低廉，施工規(guī)范，用途廣泛等。
由于無機(jī)防腐技術(shù)有巨大的發(fā)展前景，世界各國均已將無機(jī)非金屬復(fù)合防腐管道作為重點攻關(guān)的課題，該技術(shù)有望取得更大的突破。
4.3納米改性材料涂層
研究表明：利用納米技術(shù)對有機(jī)涂層進(jìn)行改性，可提高其綜合性能，特別是增加材料的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、附著力，提高耐光性、耐老化性、耐候性等。通過向材料中加人一些顆粒很小的納米粒子，能增加材料的密封性，達(dá)到更好的防水、防腐效果。
例如納米TiO2粒子對紫外線有散射作用，加入這樣的納米材料可有效增強(qiáng)材料的抗紫外線能力，使耐老化性顯著提高；納米SiO2粒子具有表面嚴(yán)重的配位不足，龐大的比表面積及表面欠氧等特點，使其表現(xiàn)出極強(qiáng)的活性，加入到涂料中可使涂層的強(qiáng)度、韌性、延展性大幅度提高。對于無機(jī)涂層材料，如對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米化，也能達(dá)到明顯改善其塑性、韌性的作用。
當(dāng)前已有一些通過納米技術(shù)對防腐材料進(jìn)行改性的技術(shù)獲得了，市場上也有這樣的防腐材料出現(xiàn)。不過總的來看，該技術(shù)還處于起步階段，具有極大的發(fā)展前景。
五、結(jié)束語
在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，三層PE和雙層FBE等多層復(fù)合防腐層將占據(jù)管道防腐涂層的主流地位。改進(jìn)三層PE和雙層FBE的結(jié)構(gòu)和工藝，提高性能、降低成本，也將是今后研究的一個重要方向。而在管道防腐涂層的補(bǔ)傷、補(bǔ)口及舊防腐層的修復(fù)上，液態(tài)聚氨酯防腐涂料將大有作為。但隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展，無機(jī)非金屬防腐技術(shù)和納米改性技術(shù)將有極大的發(fā)展和應(yīng)用前景，管道防腐技術(shù)會日臻完善，管道建設(shè)也將取得更大的成就
