熔结环氧粉末涂层：管道防腐保护基础

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第1章 熔结环氧防腐涂层导论
　　1.1 本章简介
　　熔结环氧粉末(FBE)管道防腐涂层
　　管道与管道防腐涂层简史
　　管道防腐涂层系统
　　本书其余各章概览
　　1.2 熔结环氧粉末(FBE)管道防腐涂层
　　早在二十世纪五十年代，人们已经针对许多实际需求(如电气绝缘)，开始使用熔结环氧粉末涂层[1]。1959年，R. Strobel提出用具有电气绝缘特性的树脂作为管道涂层来进行防腐保护的理念[2-4]。1960年2月，在美国的新墨西哥州阿尔伯克基建造了**座涂敷熔结环氧粉末涂层的管道防腐预制厂，随后，在得克萨斯州铺设了**条采用熔结环氧粉末外防腐涂层的管道[5]，如图1.1所示。慢慢地，这个防腐涂层理念逐渐为大家所接受。为了满足管道防腐涂层特定的性能要求，许多供应商开始调整自己的熔结环氧粉末涂层配方[6， 7]。与此同时，随着项目实施和经验积累，相关的熔结环氧粉末涂敷设备与涂敷工艺不断得到改进与完善。这些实践活动最终促成熔结环氧粉末防腐涂层变化的分水岭，使粉末涂层不仅在性能上超越了其他防腐涂层，而且极具价格竞争优势[8]。在八十年代以及九十年代初期，熔结环氧粉末作为管道防腐涂层的用量快速增长。在北美洲，熔结环氧粉末已成为新建管道使用最多的防腐涂层[9， 10]。
　　自从管道工业引入FBE涂层以来，它不仅被用于管道外防腐，还被用于管道环焊缝区域的补口防腐以及直管段以外的其他管道部件的定制涂层[11]。管道修复过程往往使用多组分液体(MCL)涂层。有些FBE涂层被用作三层聚烯烃外防腐涂层系统的底层，有些FBE涂层被用作管道内防腐涂层[12]。
　　防腐涂层在管道工业中的成功应用，需要与阴极保护和腐蚀防护系统中其他设计单元协同发挥作用。技术规范编制人员必须了解这个特点，才能够在各种可用材料中做出明智的选择。一旦做出选择，就必须编制相应的技术规范并严格执行。为此，应充分了解涂敷工艺，精心实施，并采用有效的质量控制体系。对于熔结环氧粉末材料，经过四十年实践，已经形成了由供应商、防腐涂层涂敷企业、咨询工程师、第三方检验服务部门构成的系统网络，已经完全能够满足这些准则要求。
　　图1.1 1960年2月，在美国得克萨斯州铺设的**条熔结环氧粉末(FBE)外防腐涂层管道(照片由R. F. Strobel提供)
　　本书涉及所有这些相关领域，并特别关注了阴极保护与FBE涂层的结合应用。本书还探讨了装卸和安装的正确程序。此外，还阐述了采用FBE涂层埋地管道的现场施工经验和相关的企业内部质量测试。
　　1.3 管道与管道防腐涂层简史
　　古代的沟渠，也就是管道的前身，出现在大约6000年前的波斯，呈隧道状，即坎儿井这样的暗渠。3500年前，印度河流域的城市，给排水采用陶土或者石头砌成的管子。美索不达米亚(底格里斯河与幼发拉底河之间的两河流域)的城市里，依然在用那个年代陶土制作的管道。古埃及则使用敲打成型的铜管。
　　史前欧洲，人们用空心的树干作为导管的基本材料。十九世纪中叶，使用铸铁输水干线管道成为欧洲的标准做法。在北美，大约1754年开始用钻孔原木输水[13]。1853年，加拿大开创性地铺设了一条25km长的铸铁输气管道。世界上**条金属输油管道是在1862年铺设的，其将加拿大安大略省的彼得罗利亚油田与萨尼亚市连接起来[14]。二十世纪二十年代后期，随着管道施工技术的改进，建设长距离输送管道才变得切实可行。从1926年至1932年，美国建造了十条重要的输气干线管道[15]。
　　1860年，利物浦的铸铁管用煤焦油复合涂料进行了防腐[13]。自那以后，人们研发了许多防腐涂层系统来保护管道。
　　地下构筑物的有效防腐需要结合可靠的防腐涂层和阴极保护。总防腐成本包括防腐涂层成本和阴极保护系统成本。防腐涂层的选择在很大程度上会影响阴极保护的成本[16]。
　　1.4 管道防腐涂层系统
　　阴极保护系统的成本与管道涂敷防腐涂层的电阻率有关。电阻率取决于防腐涂层的电气特性，以及防腐涂层损坏裸露钢材的表面积。对于所有防腐涂层，随着时间的推移，保护管道所需要的电流量也会增加。如果防腐涂层初始所需要的保护电流量最低，且使用过程中具有最大的稳定性(即在使用期间需要的保护电流量变化最小)，那么，就能最大限度地降低阴极保护系统的安装与运行成本[17]。
　　使用环境(土壤电阻率、温度等)不同，保护电流的需要量也会大不相同。保护电流的需要量也会受不同防腐涂层系统的影响。图1.2所示是加拿大一家大型输气公司实测的各种管道防腐涂层体系相对的保护电流需要量。由图可见，需要的保护电流量(μA/m2)自高到低，依次为沥青玛蹄脂(AM)、沥青瓷漆(AE)、煤焦油瓷漆(CTE)、聚乙烯胶黏带(PE)和熔结环氧粉末(FBE)。尽管此图没有管道三层聚烯烃外防腐涂层的相关信息，但是，正常情况下，三层聚烯烃外防腐涂层需要的保护电流量是比较低的。由于阴极保护需要的设备数量非常少，所以三层聚烯烃外防腐涂层管道阴极保护系统的安装、维护和运行成本与熔结环氧粉末防腐涂层管道大致相同[18]。
　　图1.2 不同管道防腐涂层系统需要的阴极保护电流量[19， 20]
　　防腐涂层的选择决策需要考虑许多因素，成本只是其中之一[21， 22]。由图1.3可见，在管道项目成本中，安装占67%，管理占3%，材料占30%。这个“材料”成本中，钢管占85%，涂层占10%，其他占5%。这个“涂层”系统的成本包括原材料、涂敷施工、涂层修补以及环焊缝的补口[23]。在已经完成铺设安装的管道成本中，管道涂层仅占4%，其他成本包括管道施工作业带(勘察、清障、破坏恢复)、工程/检测、税务/运输、除防腐涂层以外的材料、劳动力、其他(法律、法规)。防腐涂层对管道寿命至关重要，管道使用寿命越长，相对成本就越低。在管道成本中，防腐涂层原材料成本仅是其中相当小的一部分。防腐涂层系统的性能分析还应当包括防腐涂层系统的经济竞争性，这样才能在决策过程中，做出更好的评价。
　　图1.3 管道项目成本分析(图片由Bredero Shaw集团公司M. Wilmott提供)
　　防腐涂层选择需要考虑许多因素，图1.4所示是防腐涂层选择时必须考虑的若干重要事项。历史和现场经验已经表明，FBE涂层具有这些必备的重要特性。
　　由图1.4可见，选择管道防腐涂层时，管道施工安装需要考虑涂层的抵抗外部破坏的能力、管道铺设地形、回填、土壤状况、补口涂层的选择，涂敷作业需要考虑流程与质量评估，管道运行寿命需要考虑涂层的阻抗稳定性、非阴保屏蔽、管道运行温度、土壤状况(耐化学和土壤应力作用)、应力腐蚀开裂和生命周期成本等问题。
　　图1.4 管道防腐涂层的选择(照片由B. Brobst提供)
　　选择某种特定的防腐涂层有许多理由，其中，防腐涂层与阴极保护系统的兼容性是非常重要的。防腐涂层需要有很高的电阻，并且应当有能力在管道寿命期间维持这样的高电阻。假如防腐涂层失效，防腐涂层决不可屏蔽阴极保护电流，不可阻碍保护电流到达管道钢材表面。有许多因素可以确保电阻的稳定性，由此可以使阴极保护电流需求量降到最低。在这些影响因素中，包括主管道涂层的涂敷质量，与之兼容的环焊缝补口涂层的有效性。决不能容许防腐涂层形成导致钢材应力腐蚀开裂(SCC)的环境。
　　本书其余章节将从多个方面讨论FBE涂层在管道防腐中的应用。
　　1.5 本书其余各章概览
　　1.5.1 第2章 FBE、聚烯烃、底漆和液体修补体系的化学知识
　　简要回顾环氧类涂料、聚烯烃、酚醛树脂和聚氨酯涂料的化学知识
　　这些材料作为管道防腐涂层的发展历史
　　对管道防腐涂层性能的影响
　　用作管道防腐涂层的所有FBE涂料产品各不相同[24， 25]。这些涂料最终的性能特征取决于为获得某些特性而计算出的各组分的配比以及所发生的化学反应。配方研发过程中需要采取某些折中措施，才能达到特定的目标。管道业主或者他们的代表有必要了解这些产品的差异，并要了解它们对性能的影响。这就意味着他们应当彻底了解测试方案和测试结果所代表的意义。他们必须有能力在涂料选择过程中熟练地应用这些知识来满足特定的管道涂层要求。对于聚烯烃体系、底漆和多组分液体(MCL)体系，同样也要做出类似的取舍。
　　虽然不要求所有人都深刻理解这些材料的化学背景，但是，大体了解这些相关的化学知识，可为涂料应用决策提供更好的基础。
　　1.5.2 第3章 单层、双层及多层FBE管道外涂层
　　单层FBE外涂层性能
　　双层FBE外涂层性能
　　FBE涂敷
　　FBE补口涂层
　　用于管件的FBE定制涂层
　　作为一项技术，FBE管道涂层一直在蓬勃发展。其优异的耐化学性、方便使用以及具有竞争力的价格优势，使得FBE作为防腐涂层的应用非常成功，全球市场份额也在逐步扩大。在各种工业或环境应用的过程中FBE涂层始终良好地满足了用户的各种要求。FBE作为管道防腐涂层满足了中东高腐蚀性环境、北极极寒冻土区域以及沼泽、深海多种工况下的应用，适用于在全世界范围内使用。
　　为了持续满足管道行业的新需求，新技术的出现使得新型FBE涂层系统和具有用户定制性能的多层FBE涂层体系得到了发展。通过腐蚀控制系统来延长管道服役寿命的愿望已经开启，并将持续推动FBE技术的进一步发展。
　　1.5.3 第4章 三层结构FBE：聚烯烃涂层
　　三层结构聚烯烃防腐涂层系统由熔结环氧粉末(FBE)底层、聚烯烃胶黏剂中间层和聚烯烃面层组成(通常为聚乙烯或聚丙烯)
　　特殊的多层管道涂层体系：用于高温工况的涂层体系，由特殊设计的高玻璃化温度(Tg)FBE涂层和改性聚丙烯涂层构成；用于定向钻穿越的增厚涂层；用于保温管道的四层或更多层体系；用于防止混凝土配重层滑移的表面粗糙化聚烯烃防滑涂层；取代混凝土配重涂层使用的高填充聚丙烯涂层 油气管道、输水管道、海上钢管桩、消防管道、钻井及油气集输等行业从事钢管防腐、检验检测、材料研发、工程设计、管道建设与运营管理等相关工作的技术人员、研究人员与管理人员，普通高等院校腐蚀防护、油气储运、防腐材料及石油工程等专业领域的研究生、本科生