管道防腐用火焰噴涂聚烯烴涂層研究與應(yīng)用進(jìn)展

趙 岑，趙 利，相政樂，劉恒恒，劉進(jìn)東，楊 彪，武占文

中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452

20 世紀(jì)80 年代，管道三層聚乙烯/ 聚丙烯（3LPE/3LPP） 涂層結(jié)構(gòu)在歐洲首先研發(fā)成功[1]。憑借其優(yōu)異的防腐性能和高度自動(dòng)化的涂敷工藝，隨后數(shù)十年內(nèi)，3LPE/3LPP 涂層作為油氣管道外防腐層實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工程應(yīng)用。在大多數(shù)國家和地區(qū)，3LPE/3LPP 涂層應(yīng)用比例占新增油氣管道外防腐層的60%以上，僅有加拿大、美國和英國以熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE） 涂層為主[2]。3LPE 和3LPP涂層先后于1995 年和2006 年引入國內(nèi)，并分別在陜京天然氣管道項(xiàng)目和文昌油田群海底管道項(xiàng)目[3]上實(shí)現(xiàn)首次工程應(yīng)用。

受工藝、設(shè)備和材料等因素限制，3LPE/3LPP涂層更適合于生產(chǎn)線預(yù)制，而難以應(yīng)用于彎管、異形管件及補(bǔ)口防腐。為了解決上述部位防腐涂敷的難題，與主體管道3LPE/3LPP 涂層實(shí)現(xiàn)良好兼容，20 世紀(jì)90 年代以來，PIH、CCSI 等國外公司在材料、設(shè)備和涂敷工藝方面進(jìn)行了大量研究，將火焰噴涂聚烯烴技術(shù)[4]引入到管道防腐涂敷行業(yè)。隨著技術(shù)逐步成熟，火焰噴涂聚烯烴涂層先后被ISO 21809-3[5]和 DNVGL RP-F102[6]標(biāo)準(zhǔn)收錄為管道補(bǔ)口涂層類型，近年來在油氣管道外防腐領(lǐng)域逐步應(yīng)用。

1 火焰噴涂聚烯烴技術(shù)研究

火焰噴涂技術(shù)是一種材料表面防腐和強(qiáng)化熱噴涂技術(shù)[7]，具有施工簡單、涂層成膜厚度高、與基材附著力好等特點(diǎn)。其原理是采用火焰噴槍，通過沸騰送粉的方法，利用氣體燃燒產(chǎn)生熱量將塑料粉末加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并借助火焰氣流噴射到基材表面，形成連續(xù)、均勻、致密的涂層[8]。

火焰噴涂聚烯烴涂層結(jié)構(gòu)與3LPE/3LPP 涂層完全一致：底層為FBE，中間層為植絨噴涂（Flock spray） 粉末膠層，面層為火焰噴涂PE/PP粉末面層[9]。雖然火焰噴涂技術(shù)是一項(xiàng)成熟的熱噴涂技術(shù)，但應(yīng)用于管道防腐涂敷，則需要對(duì)粉末材料和涂敷設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

1.1 聚烯烴粉末性能研究與評(píng)價(jià)

考慮到火焰噴涂工藝特殊性和管道外防腐涂層性能要求，材料商通常會(huì)對(duì)聚烯烴粉末進(jìn)行改性，主要包括以下方面：

（1） 對(duì)聚烯烴材料進(jìn)行接枝改性，提高其與FBE 底涂層的黏結(jié)性能，使其能夠同時(shí)作為中間層和面層使用[10-11]。

（2） 提高粉末的抗氧化性能以耐受火焰噴涂過程的短時(shí)高溫，保障涂層各項(xiàng)性能不發(fā)生大幅度退化[12]。

（3） 提高粉末的熔體流動(dòng)速率，保障熔融粉末的流動(dòng)性和成膜性能。

（4） 對(duì)粉末的粒徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高噴槍粉末輸送效率的同時(shí)降低火焰對(duì)粉末性能的影響程度[13-14]。

目前國外已有成熟的PE 和PP 粉末產(chǎn)品，并在國外多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)應(yīng)用[15-17]。

ISO 21809-3[5]和 DNVGL RP-F102[6]標(biāo)準(zhǔn)中均未對(duì)聚烯烴粉末的性能指標(biāo)作規(guī)定。參考國外工程項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書，通常規(guī)定生產(chǎn)PE/PP 粉末使用的基礎(chǔ)樹脂性能指標(biāo)應(yīng)滿足ISO 21809-1[18]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3LPE/3LPP 面層的指標(biāo)要求；對(duì)于PE/PP 粉末產(chǎn)品，則通常測(cè)試維卡軟化點(diǎn)、熔體流動(dòng)速率、氧化誘導(dǎo)期等關(guān)鍵指標(biāo)。

選擇兩種成熟的火焰噴涂聚烯烴粉末（包括PE 和PP 粉末），對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢測(cè)結(jié)果見表1。對(duì)PP 粉末粒徑分布進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見圖1。

表1 PE/PP粉末材料性能檢測(cè)結(jié)果

圖1 PP粉末粒徑分布圖和微觀形貌

從表1 給出的檢測(cè)結(jié)果可知，PE 和PP 兩種粉末的維卡軟化點(diǎn)偏低，這會(huì)對(duì)涂層的最高服役溫度產(chǎn)生一定影響（ISO 21809-1 要求3LPE 面層維卡軟化點(diǎn)≥110℃，3LPP 面層維卡軟化點(diǎn)≥130℃）。從圖1 可知，PP 粉末粒徑分布較為均勻，粒徑范圍為0.1～0.4mm 的粉末顆粒占整體比例較大，粉末平均粒徑約為0.2mm。

1.2 火焰噴涂設(shè)備功能需求

火焰噴涂設(shè)備由噴槍、粉末流化床、噴涂控制系統(tǒng)組成，并配備可燃?xì)夂椭細(xì)狻Ｄ壳皣鴥?nèi)外均有成熟產(chǎn)品提供[14，26]。具體應(yīng)用于管道外防腐涂敷施工，考慮到聚烯烴粉末特性和現(xiàn)場工況，對(duì)噴涂設(shè)備有針對(duì)性要求：

（1） 采用火焰溫度較低的壓縮空氣- 丙烷火焰，而非氧氣- 乙炔火焰，以減少聚烯烴粉末的氧化分解[27]。

（2） 壓縮空氣壓力＞0.6MPa，丙烷氣壓力＞0.3MPa，以保證火焰氣流的速度[7-8]。

（3） 通過噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在火焰流和粉末之間增加一層壓縮空氣流作為保護(hù)氣，對(duì)粉末起到進(jìn)一步保護(hù)作用，如圖2 所示。

圖2 火焰噴涂氣流示意

（4） 根據(jù)現(xiàn)場工況和噴涂效率的要求，配備不同口徑和規(guī)格的噴槍。

2 火焰噴涂聚烯烴涂敷工藝研究

通過試驗(yàn)研究，總結(jié)了“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂聚烯烴”涂層的涂敷工藝。

（1） 噴砂除銹：鋼管除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到Sa2.5級(jí)，表面粗糙度50～100μm，可采用全自動(dòng)管道噴砂除銹機(jī)[28]完成。

（2） FBE 涂敷：采用中頻感應(yīng)線圈，將鋼管表面加熱至200～220℃，然后噴涂FBE 涂層。該工序可以采用FBE 補(bǔ)口涂敷設(shè)備進(jìn)行，目前國外SERIMAX[29]、 CCSI[30]、PIH[31]等公司具有相關(guān)施工能力。

（3） 噴涂粉末膠：在FBE 涂層仍處于膠化狀態(tài)時(shí)，植絨噴涂聚烯烴粉末膠，直至完全覆蓋FBE涂層。鑒于此工藝對(duì)時(shí)間窗口要求嚴(yán)格，可在FBE噴涂設(shè)備上集成該功能[32]。

（4） 火焰噴涂聚烯烴：采用火焰噴涂設(shè)備噴涂聚烯烴粉末[26]。每層噴涂的粉末不宜過厚，待其完全熔融流平后，再噴涂下一層。噴涂過程中鋼管表面溫度應(yīng)保持200℃左右。

（5） 涂層水冷：涂層厚度達(dá)標(biāo)后（通常達(dá)到3mm以上，且不低于主體3LPE/3LPP 涂層厚度），將其快速水冷至60℃以下。根據(jù)管件規(guī)格、現(xiàn)場施工條件的差異，水冷可采用浸沒、噴淋等方式進(jìn)行。

3 火焰噴涂聚烯烴涂層性能評(píng)價(jià)

在完成了火焰噴涂工藝研究的基礎(chǔ)上，制備了“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂PE/PP”涂層，并參考ISO 21809- 3[5]標(biāo)準(zhǔn)，開展涂層性能檢測(cè)及評(píng)價(jià)，檢測(cè)項(xiàng)目和結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，火焰噴涂聚烯烴涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足ISO 21809- 3 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 火焰噴涂聚烯烴涂層性能檢測(cè)結(jié)果

4 火焰噴涂聚烯烴涂層應(yīng)用現(xiàn)狀

火焰噴涂聚烯烴涂層具有涂敷施工簡單、防腐性能好等特點(diǎn)，應(yīng)用于油氣管道外防腐涂敷，還能夠避免焊縫位置涂層內(nèi)部氣體包夾和厚度減薄。目前該類涂層在彎管及異形管件防腐、補(bǔ)口防腐等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

4.1 彎管及異形管件防腐

3LPE/3LPP 管道的彎管防腐，以往通常采用“液體環(huán)氧底漆+熱收縮帶”涂層，其結(jié)構(gòu)與主體涂層不完全一致。近年來，復(fù)合PE/PP 帶纏繞[33-34]、多層粉末噴涂[35]、熱包覆3LPE 防腐[36]等彎管防腐技術(shù)相繼被開發(fā)出來，但存在諸如設(shè)備投資大、涂層厚度不易控制等不足。彎管防腐采用“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂聚烯烴”涂層，通過手工或半機(jī)械化施工，能夠滿足不同管徑和曲率半徑彎管的防腐要求，綜合涂敷成本較低，具有一定的技術(shù)優(yōu)越性。目前，該項(xiàng)技術(shù)在國外已非常成熟，國內(nèi)中石油也實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

火焰噴涂技術(shù)的手動(dòng)或半機(jī)械化施工特點(diǎn)，使其在異形管件涂敷領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢(shì)。例如，為防止海底管道服役過程中應(yīng)力屈曲的擴(kuò)展，深水管道設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)設(shè)計(jì)止屈管[37]。止屈管為異形管件，其外徑通常是中間大兩端小，不適用3LPE/3LPP防腐生產(chǎn)線涂敷，但非常適用火焰噴涂技術(shù)。國外已經(jīng)將該技術(shù)引入到止屈管涂敷中，并在德國South stream 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用[26]，如圖3 所示。

圖3 火焰噴涂聚丙烯涂層在止屈管防腐中的應(yīng)用

4.2 補(bǔ)口防腐

補(bǔ)口是油氣管道防腐最為薄弱的環(huán)節(jié)之一[38]。目前，國內(nèi)多數(shù)3LPE/3LPP 管道補(bǔ)口仍采用“液體環(huán)氧底漆+熱收縮帶”涂層[39]。國外已將FBE涂層引入了補(bǔ)口涂層體系，開發(fā)了一系列的“FBE+聚烯烴”補(bǔ)口涂層，“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂聚烯烴”就是一種代表性的補(bǔ)口涂層[40]。該涂層目前在國外已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，CCSI、PIH 等公司均具備施工能力。

5 結(jié)束語

隨著國內(nèi)外油氣管道的迅速建設(shè)和防腐涂層系統(tǒng)的不斷更新，火焰噴涂聚烯烴涂層憑借其施工簡單、涂層性能優(yōu)良、與3LPE/3LPP 涂層兼容良好的優(yōu)點(diǎn)，顯示了非常廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)對(duì)管道防腐用火焰噴涂聚烯烴涂層的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，針對(duì)火焰噴涂施工主要依賴手工作業(yè)的現(xiàn)狀，應(yīng)加快開發(fā)自動(dòng)噴涂技術(shù)和裝備，拓展涂層的應(yīng)用場景；同時(shí)還應(yīng)著手制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加快技術(shù)推廣步伐。