生产中影响钢管聚乙烯防腐层性能的因素

王鑫

天津工业自动化仪表研究所有限公司天津300060

摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，为了提高钢管聚乙烯防腐涂层质量，延长管线钢管使用寿命，降低安全风险，从防腐层原材料性能、涂层施工表面处理和涂层厚度要求等方面进行了试验分析，论证了影响聚乙烯防腐层性能的重要因素。结果表明，环氧粉末密度范围为0.1g/cm3、挥发分含量不超过0.2%、基材表面处理粗糙度不低于Sa2.5、锚纹峰值控制在70μm左右、灰尘度不超过1级及环氧涂层厚度不低于120μm等影响因素的有效控制，将成为提高3LPE涂层优异防腐性能的重要条件。

关键词：管道防腐；聚乙烯；防腐蚀；涂层；3LPE

我国天然气管道大多采用沥青防腐，且为原始手工操作，在现场浇在钢管上埋入地下，工艺极为落后，并带来严重的环境污染。更为严重的是手工操作带来了较多的防腐不均等质量问题，这就是近年来时有天然气管道发生泄漏，被迫停气抢修的原因。而我国第一条自动化程度最高、规模最大的钢管聚乙烯胶带防腐生产线，在重庆市机电设计研究院建成投产。随着我国“西气东输”工程的正式启动，天然气管道的铺设任务日益加重。重庆机电设计研究院将该任务列为科技攻关项目，派出人员学习国外经验后，决定采用胶带缠绕的方法进行钢管防腐。这条生产线全部工艺采用计算机控制，并向国家申报了五项专利。目前，这一生产线已提供给重庆燃气有限责任公司，产品用于重庆市天然气城市管网改造和新管网的铺设，其年生产能力可完全满足重庆市的市场需求。

1缠绕涂敷工艺

挤出缠绕涂敷工艺仅从胶粘剂和聚乙烯的加工角度来看，类似于流延膜加工，同时将胶粘剂进行单层膜的缠绕加工，聚乙烯进行多层膜的重叠融合缠绕加工。（1）根据聚乙烯膜片在压辊处的宽度（B）和聚乙烯膜片所缠绕的层数（N），以及聚乙烯膜片的搭接量（20mm），来计算缠绕的螺距（S）：S=（B-20）/N宽度B一般由材料本身特性确定，与温度及螺杆转速调整关系不太大。若要大范围调整宽度，只能改变模具头和钢管之间的距离。层数N要选择适当。若层数多，为保证涂敷作业率，要提高钢管的旋转速度，这将导致聚乙烯膜片的纵、横向性能差异加大。这是因为聚乙烯膜片在旋转钢管的牵引下，会产生一定程度的取向，导致纵向强度增强，横向强度减弱，且随着取向程度的增强，差异将加大；另外单位长度上的搭接长度增加，将消耗过多的材料；若层数少，为保证聚乙烯的厚度，单层的厚度将增加，这会引起搭接处的厚度过厚，导致聚乙烯防腐层表面不平整。搭接量是补偿钢管行进中螺距的变化参数，保证在螺距发生变化时，聚乙烯不会少缠一层。该量的选择直接与螺距的调整和稳定性有关，若螺距调整和稳定性好，其变化就小，搭接量就可取小；反之就要取大。（2）依据螺距S，再加上胶粘剂搭接量来确定胶粘剂膜片在压辊处的宽度，主要靠调整模具头和钢管之间的距离来改变膜片的宽度。挤出量的加大，可增加宽度，但同时也增加了膜片的厚度。（3）最后通过调整整个涂敷传动线实现所需要的螺距S。

2影响因素分析

2.1原材料性能

三层聚乙烯防腐涂层的主要原材料分别为环氧粉末底层、胶粘剂中间层和聚乙烯面层。其中，环氧粉末的性能在3LPE涂层中最为重要。环氧粉末全称为熔结环氧粉末（fusionbondepoxypowder，FBE）是一种热固性、无毒的粉末涂料，通过受热胶化熔结，固化后形成大分子交联的涂层结构。作为3LPE防腐层的底层，FBE提供与基材间优良的附着力及很好的抗阴极剥离性能，同时涂层具有高致密性，可作为阻止氧气通过涂层向基材界面扩散的屏障。

2.2纵、横向性能差异

熔体在流动和拉伸过程中，沿着流动和拉伸方向分子链会进行占优势排列，称之谓“取向”。而当聚合物发生分子链取向时，会发生“取向强化”，即沿着取向方向其机械强度会提高。聚乙烯和胶粘剂在挤出和缠绕过程中，会发生熔体流动和拉伸运动，这样会造成膜片的纵横向性能差异，即平行于取向方向和垂直于取向方向的膜片机械力学性能出现差别。为了减小由于拉伸引起的纵、横向机械性能的差异，要控制钢管的旋转速度，保持适当的膜片牵引力。应避免为达到高的涂敷作业率，而提高钢管的旋转速度，使膜片的牵引力太大.

2.3钢管的磷化

水洗后的钢管，若不及时处理，还会被氧化出现锈蚀现象，因此，需要进行处理。同时，为了提高钢管表面对聚乙烯粉末涂层的附着力，我们采用了钢管表面磷化处理的方式，这是因为涂层粘结所有假设理论的结合力，以机械结合力、吸附力、渗透粘接力、静电作用力、化学键作用力等为主导，其作用都是发生在粘接界面，由此完全可以得出粘接力与粘接表面的面积和高度相关系的理论。从这个角度分析，比表面积越大，也就是说表面越粗糙，粘结力就越大，因此，对于酸洗处理过的钢管，其表面光洁度高，比表面积低，所以，涂层的附着力小。我们通过对钢管表面进行磷化处理，即解决了钢管表面重新锈蚀的问题，也增大了钢管表面的比表面积。需要注意的是，理论上比表面积越大越好，实际并不是，因为我们实际使用的粉末细度均目都在70目左右，匹配不了。如果比表面积大而粉末细度不能相应提高，对涂塑相当不利，在放大镜下观察涂层切面，发现涂层出现空鼓。磷化层的厚度控制在10-5m最合适。

2.4挥发分含量的影响

挥发分含量的多少也直接影响粉末成膜后的防腐蚀质量，粉末中挥发性物质过多，成膜后易形成疏松多孔形态，涂层漏点多，很难满足CSAZ245.20或NZSAS3862标准中关于环氧涂层的孔隙率小于2级的要求，涂层的致密性得不到保证，在使用过程中，腐蚀介质的扩散渗透就越厉害，严重降低管道的使用寿命。分别取目前市场上常见的环氧粉末进行挥发分检测试验，试验方法参照AS/NZS3862：2002标准附录G，各取3个样品，得出实测挥发分含量的平均值。

2.5灰尘度的影响

灰尘度的评价方法目前国内采用压敏胶带法，这也是有效检测的手段之一，但是在行业通用标准要求中，均要求不超过2级，但是在最近几个项目中，客户新增加附加条款，明确要求灰尘度等级不超过1级，这说明表面洁净的高质量要求将逐渐在行业推广。同时，涂层涂敷前的酸洗工艺或水洗工艺也将有利于基材表面灰尘等残留的去除，有利于涂层附着力的提高。

2.6锚纹质量的影响

锚纹质量主要表现在锚纹深度和锚纹峰密度。其主要是能够大量增加基材与环氧涂层的不规则接触面积，从而增加附着力的机械结合，环氧涂层和基材之间的粘结面积越大，涂层和基材之间的附着力就越强。但是目前很多标准中只给出了一个深度范围，ISO21809—2011标准中要求锚纹深度为50-100μm，涂层厂家一般都控制在65-80μm。近几年，有客户指定的技术规范中，增加了锚纹峰值不低于30μm[8]的要求，锚纹深度和峰密度均有良好体现才能使锚纹质量提升，这也印证了管世伟博士关于基材表面处理后微观形貌的研究。

3结语

（1）底层FBE粉末密度和挥发分含量的控制是重点因素之一，密度范围0.1g/cm3以及挥发分含量不超过0.2%将显著提高涂层防腐蚀性能。

（2）基材表面处理不低于BSa2.5、锚纹峰值70μm左右、灰尘度不超过1级等因素的控制将成为提高3LPE涂层防腐性能的重要条件。

（3）环氧涂层厚度不低于120μm将是3LPE涂层防腐作用的关键要求。

（4）碱洗工艺的除油除脂及酸洗工艺的化学预处理也将对提高涂层防腐蚀性能有重要作用，值得研究和推广。

参考文献：

[1]赵君，罗鹏，滕延平，等.管道三层PE防腐层现场应用调查与分析[J].管道技术与设备，2008，16（6）：41-43.

[2]鲁自界，李劲，周钟泉，等.环氧粉末涂料的固化机制研究[J].材料开发与应用，2000，15（2）：8-11.