改良水泥砂漿內(nèi)壁防腐技術(shù)

楊雙春，梁玉業(yè)，康超男，潘 一*，艾 軍

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 億方工業(yè)公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

管道多用于石油等領(lǐng)域,每年由于管道內(nèi)壁的腐蝕造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此消耗了大量的人力與物力。管道內(nèi)壁防腐技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注，水泥砂漿襯里多用于管道內(nèi)壁的防腐。水泥砂漿襯里具有投資低廉、施工簡(jiǎn)單、防腐性能可靠等特點(diǎn)[1]。80年代普通水泥砂漿用于管道內(nèi)壁的防腐，但由于設(shè)備的簡(jiǎn)單，襯里材料的單一性及技術(shù)的限制未得到廣泛的應(yīng)用；現(xiàn)今，各種改良水泥砂漿的出現(xiàn)，施工設(shè)備及施工工藝的技術(shù)不斷成熟，以往水泥砂漿的不足之處得到了很好的改善。增強(qiáng)了涂敷效果，具有使用年限久等特點(diǎn)，使得管道內(nèi)壁的防腐效果得到了顯著的提高。隨著技術(shù)的不斷完善，更多的改良水泥砂漿將用于管道內(nèi)壁的防腐。

1 管道內(nèi)壁腐蝕的原因

由于輸油管道在輸送油品的過(guò)程中，油品中含有大量的金屬離子、水、氣體及一些鹽類化合物等，因此造成管道內(nèi)壁腐蝕的主要因素有金屬腐蝕和輸油管道的水腐蝕。其中金屬腐蝕為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。油品中含有氧化劑，其與金屬反應(yīng)造成金屬的化學(xué)反應(yīng)從而管道內(nèi)壁得以腐蝕；管道內(nèi)壁的主要腐蝕是由于油品中含有大量的金屬離子，這些金屬離子在溶有氧氣的電解質(zhì)水中，各點(diǎn)呈現(xiàn)的電位不同因而發(fā)生了電化學(xué)腐蝕[2]。輸油管中的水腐蝕是輸油管的水中含有大量的溶解鹽類，其中主要成分氯化物對(duì)管道內(nèi)壁造成的腐蝕較為嚴(yán)重；另一類輸油管道水腐蝕為輸油管道中的水中含有O2、CO2、H2S等氣體。管道中的CO2氣體與水發(fā)生反應(yīng)生成碳酸腐蝕管道；油品中的H2S濃度不同，其發(fā)生的電化學(xué)腐蝕管道的程度也有所不同[3]。

2 水泥砂漿襯里的原理及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 水泥砂漿襯里的原理

水泥砂漿襯里的原理比較獨(dú)特，它不像其他防腐技術(shù)僅僅把輸送介質(zhì)和管壁隔開(kāi)，它具有滲透性和可愈性。當(dāng)管道輸送具有腐蝕性的水或含水油品時(shí)，砂漿襯里被水浸透，進(jìn)而浸透整個(gè)管道內(nèi)壁。水在浸透整個(gè)襯里的同時(shí)，同樣吸收水泥砂漿襯里中的Ca(OH)2將管道內(nèi)壁附近的pH值增加升高到大于12的水平。在此pH值的條件下，管道內(nèi)壁形成一層保護(hù)膜而不被腐蝕。它的自愈性確保了水泥砂漿在運(yùn)輸、安裝過(guò)程中，由于操作不慎造成的裂痕在輸送含有水的油品中,襯里的二次水化作用能夠自行復(fù)原和愈合。這就體現(xiàn)了水泥砂漿的整體性，能夠長(zhǎng)久使用[4]。

2.2 水泥砂漿襯里存在的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 水泥砂漿被普遍采用存在的優(yōu)點(diǎn)

（1）熱膨脹系數(shù)與鋼鐵接近，因此涂敷容易，粘結(jié)性好；

（2）使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損耗少；

（3）屬于無(wú)機(jī)材料、無(wú)毒，因此使用安全可靠；

（4）具有親水性，從而涂敷條件簡(jiǎn)單，常溫下即可作業(yè)；

（5）材料便宜、使用方便。

2.2.2 水泥砂漿作為內(nèi)防腐材料存在的缺點(diǎn)

（1）有脫落、剝皮等可能；

（2）運(yùn)輸、施工作業(yè)過(guò)程中易造成裂縫；

（3）涂層厚，輸送油品量減少且耗費(fèi)大量人力與物力；

（4）砂漿具有滲水性，長(zhǎng)期使用不易于維修與破壞；

（5）一般適于大口徑管道施工而小口徑管道施工作業(yè)困難。

由于普通水泥砂漿襯里存在著這些缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外各種改良水泥砂漿的出現(xiàn)與廣泛使用彌補(bǔ)了以往普通水泥砂漿存在的不足之處。提高了涂敷質(zhì)量與防腐效果[5]。

3 水泥砂漿襯里的施工工藝要求及施工方法

3.1 水泥砂漿內(nèi)襯防腐施工工藝要求

（1）根據(jù) API度的標(biāo)準(zhǔn)要對(duì)管道的筆直度、圓度、內(nèi)壁有無(wú)沙眼和外觀等方面進(jìn)行檢查；

（2）對(duì)管內(nèi)進(jìn)行清洗；管道內(nèi)壁中不應(yīng)有油漆、油污、潤(rùn)滑劑等不利于涂敷作業(yè)的物質(zhì),同時(shí)也應(yīng)該清除管道內(nèi)的鐵銹及其他腐蝕性物質(zhì)；

（3）配制水泥砂漿的水泥、沙子、水必須經(jīng)過(guò)檢查,達(dá)到要求后才能使用[6]；

（4）通過(guò)蒸汽法、另加保護(hù)層或自然養(yǎng)護(hù)的方法對(duì)涂敷好的管道襯里進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；

（5）進(jìn)行管端修理及管端拋光，便于管道間的連接安裝。

3.2 水泥砂漿襯里的施工方法

由于工廠與現(xiàn)場(chǎng)的使用設(shè)備與施工作業(yè)難度等方面的影響，水泥砂漿襯里因而采用不同的施工方法。工廠施工主要采用噴涂法、離心法和噴涂與離心相結(jié)合的方法；噴涂法是國(guó)內(nèi)外使用較多的方法之一，其原理為噴涂機(jī)在管道內(nèi)運(yùn)行的過(guò)程中將噴出的水泥砂漿通過(guò)拉式抹平器抹平，再噴涂上一層固化保護(hù)液有利于襯里的固化[7]；離心法則是利用離心力的原理將砂漿涂敷在管道內(nèi)壁上；國(guó)外成熟的技術(shù)噴涂與離心相結(jié)合的方法以噴涂法和離心法為基礎(chǔ)，取其之長(zhǎng)，避其之短，使水泥砂漿襯里施工技術(shù)又向前發(fā)展了一大步；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的施工，因?yàn)樗幁h(huán)境不同，應(yīng)力求施工方便、快捷，操作技術(shù)及設(shè)備簡(jiǎn)單，常采用的施工方法是拖拉發(fā)和風(fēng)送法；拖拉法是國(guó)外使用較早的施工方法，主要涂敷原理是利用一個(gè)彈頭狀的抹平裝置將送入管道內(nèi)的砂漿抹平；風(fēng)送法利用壓縮空氣的推動(dòng)力將兩個(gè)活塞間的砂漿擠涂在管道內(nèi)壁上；二者施工方法被廣泛采用，加強(qiáng)了施工的效率，同時(shí)也大大的減少了經(jīng)濟(jì)能耗[8]。

4 國(guó)內(nèi)外各種改良水泥砂漿襯里

4.1 環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿襯里

環(huán)氧樹(shù)脂是一類含有環(huán)氧基的熱塑性線型高分子化合物, 由環(huán)氧氯丙烷與二酚基丙烷(亦稱雙酚A), 在氫氧化鈉催化下制得。還可由其它多元醇、多元酚或多元胺與環(huán)氧氯丙烷合成非雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂。以及由過(guò)醋酸環(huán)氧化脂環(huán)烯烴制得脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂[9]。

在管道內(nèi)壁防腐中環(huán)氧樹(shù)脂水性涂料應(yīng)用廣泛,它主要用在管道內(nèi)壁與水泥砂漿間的涂層。由于在環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)中有很多極性很強(qiáng)的羥基、醚基及環(huán)氧基，所以它與相鄰界面的分子間有很強(qiáng)的作用力，克服了普通水泥砂漿粘結(jié)不牢易于脫落的缺點(diǎn)。水性環(huán)氧樹(shù)脂涂料具有涂層薄、韌性好、流動(dòng)性好、耐磨、耐高溫等特性[10]，因此它在使用過(guò)程中大大避免了管道安裝及油溫等條件的影響，并且占用管道內(nèi)徑小，使用壽命長(zhǎng)，綠色環(huán)保[11]。

環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿襯里是在普通水泥砂漿原有特性的基礎(chǔ)上添加環(huán)氧樹(shù)脂成分，使其增添了環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)良特性。環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿襯里薄，達(dá)到了輕量化并且減少了運(yùn)輸費(fèi)用；襯里薄的特點(diǎn)更加適宜于小口徑管道的涂敷作業(yè)；由于具有環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱、耐磨、耐高溫的特性，環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿襯里不但適用于輸油管道同樣適用于蒸汽管線[12]。

4.2 高鋁水泥砂漿襯里

高鋁水泥是一種膠結(jié)材料,具有很好的抗硫性,是國(guó)內(nèi)外很好的管道內(nèi)壁襯里材料。其高鋁水泥砂漿襯里不但具有抗硫性，還具有以下特性[13]：

（1）具有凝固時(shí)間短，在短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到強(qiáng)硬；

（2）在極低的溫度下也可達(dá)到強(qiáng)硬，在高溫條件下，具有熱變形小并且能夠保持原有的強(qiáng)度；

（3）在輸送流體的過(guò)程中，保證了襯里的抗沖刷性；

（4）耐高溫，輸送較高溫度油品時(shí)，襯里結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變。

4.2.1 襯里的配比

高鋁水泥的主要成分是：40%的 Al2O3，36%的CaO，及少量的鐵、硅等。高鋁水泥含有一定量的氧化鈣和氧化鋁,它們可反應(yīng)生成鋁酸鈣而凝結(jié)硬化，因此水泥的用量多少直接影響著襯里的強(qiáng)度。高鋁水泥砂漿襯里常使用的施工方法是離心法及噴涂法，要求：水／水泥＝0.3，沙／水泥＝4.1，配比過(guò)程中要合理地控制水用量，過(guò)度的水含量使襯里出現(xiàn)空隙導(dǎo)致襯里強(qiáng)度下降。高鋁水泥的水化物成分為：雙鋁酸鈣、單鋁酸鈣、氧化鋁膠。其水化物中大部分是起保護(hù)作用的氧化鋁膠，所以高鋁水泥砂漿襯里能夠抵抗酸性和硫的侵蝕，即使在 Ph為3.5～4.0的條件下，襯里中的鋁酸也不會(huì)溶解，襯里的使用壽命可達(dá)25～30年以上[14]。

4.2.2 襯里的施工要點(diǎn)

1）材料檢驗(yàn)

材料的性能及質(zhì)量對(duì)襯里的施工及防腐作用有著直接的影響，故需施工前的檢驗(yàn)。

（1）膠結(jié)材（高鋁水泥）

高鋁水泥與普通水泥不同，其具有水化速度快，容易失效的特點(diǎn)，因此要合理地保管好高鋁水泥，在使用前要進(jìn)行檢驗(yàn)是否結(jié)塊出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。

施工前要做配比試驗(yàn)，合理地配比能夠保障涂敷及防腐達(dá)到最佳效果。

（2）摻合料（礬土）

摻合料可以減少水泥的用量，保證襯里有良好的合易性，增強(qiáng)防腐效果。

① 氧化鋁(Al2O3)的含量不小于55%；

② 氧化鐵(Fe2O3)的含量不得大于3%。

2）施工的方法

為了提高襯里的強(qiáng)度及其他性能，應(yīng)盡量減少水灰比。手工涂敷需要的水量要比機(jī)械作業(yè)需要的水量多，且機(jī)械攪拌更能使攪拌均勻，因此應(yīng)盡量采用機(jī)械涂敷作業(yè)。

3）施工養(yǎng)護(hù)條件

襯里的養(yǎng)護(hù)是一個(gè)不容忽視的重要環(huán)節(jié)，養(yǎng)護(hù)條件的不同決定著襯里的強(qiáng)度及日后的使用壽命。一般養(yǎng)護(hù)需要在 24 h內(nèi)完成，養(yǎng)護(hù)的最佳溫度為15～25 ℃，濕度90%以上，通常在初凝后24～48 h內(nèi)進(jìn)行淋水濕養(yǎng)。

5 結(jié) 論

水泥砂漿襯里是管道內(nèi)壁防腐的主要技術(shù)措施,水泥砂漿襯里的施工簡(jiǎn)單性、耐腐蝕性及經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外在管道內(nèi)壁防腐上的使用。我國(guó)是經(jīng)濟(jì)大國(guó)，因此在各種改良水泥砂漿防腐技術(shù)方面還需要做出更多的研究與使用，減少因腐蝕造成的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。一方面要以國(guó)外為參考背景的條件下研制出新的防腐添加劑，做出最佳的添加劑與水泥砂漿的配比，使防腐效果更加顯著，使用期限更加長(zhǎng)久；另一方面需要完善各種施工設(shè)備，使施工設(shè)備更加輕量化，技術(shù)先進(jìn)化，克服小口徑管道施工困難的不足，減少施工所需的不便條件。提高各種養(yǎng)護(hù)條件，防止涂敷完的水泥砂漿襯里因養(yǎng)護(hù)條件不利造成脫落、剝皮的現(xiàn)象；加強(qiáng)運(yùn)輸與施工管理制度，防止因運(yùn)輸或者安裝不當(dāng)造成裂痕等問(wèn)題，影響后期運(yùn)輸油品的防腐效果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及各族人民的不斷努力，我相信，不久我國(guó)在改良水泥砂漿襯里的發(fā)展將會(huì)取得重大的突破，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

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