硅氣凝膠在石油天然氣管道防腐中的應用探討

樊耀錦(中石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

石油天然氣作為化工領域、電力等行業的重要資源，是現代經濟發展的重要前提。目前油氣管道常采用碳素鋼無縫鋼管、直縫電阻焊鋼管和螺旋焊縫鋼管等，而管道的敷設一般采用地上架空或埋地兩種方式。但無論采用那種方式，當金屬管道和周圍介質接觸時，由于發生化學作用或者電化學作用，均會引起其表面銹蝕。極端高溫、低溫條件下更會加劇管道腐蝕速度。金屬管道遭到腐蝕后，在外形、色澤以及機械性能方面都將發生變化，影響所輸油品的質量，縮短輸油管道的使用壽命，嚴重可能造成泄漏污染環境，甚至不能使用[1]。

粘彈體防腐膠帶是一種永不固化的高分子聚合物，通過復合在聚乙烯薄膜上制成的冷纏膠帶[2]，粘彈體防腐技術具有優異的防腐密封性能，但是并不具備隔熱保溫的作用。高低溫環境下，管道在做防腐要求的前提下也需進行隔熱保溫層，這種情況下常常需要進行多道施工，操作較為繁瑣，且常常由于保溫層與防腐層結合問題導致防腐或者保溫層的失效。所以將硅氣凝膠顆粒直接添加混合進粘彈體防腐膠帶體系中來作為一種新的研究方向。亟此新方法給予粘彈體防腐膠帶隔熱保溫的性能。

1 硅氣凝膠簡介

氣凝膠，又稱為干凝膠。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠[3]。硅氣凝膠是目前世界上已知密度最小的固體之一。密度約為3千克每立方米。由于硅氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能，因此是一種很好的隔熱材料。

2 硅氣凝膠納米顆粒協同粘彈體防腐技術

將適量硅氣凝膠納米顆粒直接加入粘彈體防腐膠體系中，按照一定溫度加熱攪拌均勻后制成新的協同防腐膠帶。然后按照粘彈體防腐膠帶施工方法直接對石油天然氣管道進行防腐施工。

3 試樣制備

按照表1中所示比例稱取硅氣凝膠納米顆粒加入粘彈體膠體系中，加熱混合制備新的防腐膠帶，并編號。

表1 硅氣凝膠添加比例

4 測試驗證

4.1 剝離粘貼性能測試

選取同等管徑鋼質管道和PE管道進行表面處理，達到相應的防腐施工表面處理等級。分別用以上四種防腐膠帶纏繞施工，分別置于零下45℃、23℃和100℃24h后，按照GB/T23257(90°、10mm/min)標準進行剝離測試。

試樣1#、2#、3#剝離覆蓋率均大于95%以上符合粘彈體防腐膠帶標準要求，試樣4#覆蓋率低于95%。在23℃條件下，添加5%、10%的防腐膠帶試樣性能基本與原粘彈體膠帶一致，添加15%的試驗性能指標有一定下降。說明15%硅氣凝膠比例偏高。在低溫和高溫條件，添加5%～10%硅氣凝膠剝離強度性能表現更優。溫度曲線圖如圖1所示。

圖1 剝離強度-溫度曲線圖

4.2 耐酸堿鹽浸泡測試

分別截取1#、2#和3#膠帶試樣置于10%HCl、10%NaOH和3.5%NaCl中浸泡7天，取出觀察結果。分別制取3種試樣的防腐管件樣同樣置于10%HCl、10%NaOH和3.5%NaCl中浸泡7天，觀察其結果。具體情況如下表2所示。通過測試可知添加適宜比例硅氣凝膠納米顆粒不會影響粘彈體防腐膠帶耐酸堿性能。

表2 耐酸堿測試

4.3 防腐性能測試

按照防腐要求分別制作試樣1#、2#、3#的防腐管件。先將其置于室外埋地測試30d，挖出后發現三種試樣均于管體粘貼牢固，未出現剝離翹邊現象，分別截取部分膠帶剝離開，發現膠面覆蓋率均大于95%以上，清除殘膠，管體表面完全無銹蝕，這說明室外條件下，添加5%、10%氣凝膠的粘彈體防腐膠帶防腐性能未受影響，與原粘彈體膠帶防腐性能無明顯變化，均具有優異的防腐性能。

然后將三組試樣置于高低溫試驗箱中，-45℃-100℃高低溫交替變化中，濕度恒定90%，7天后取出放置與室溫相同，觀察實驗結果。可以發現試樣1#膠帶表面部分開裂，邊緣出現明顯膠體滑移，部分翹邊防腐失效。試樣2#出現輕微的翹邊現象，試樣3#基本無變化。

4.4 耐低溫測試

按照防腐要求分別制作試樣1#、2#、3#的防腐管件。常溫23℃條件下放置24h。分別將試件1、2、3#管體中加入冰塊降溫，模擬管體低溫環境。1h后，試件1#出現明顯冷凝水，膠帶表面溫度降溫1℃；試件2#、3#表面基本無冷凝水出現，試件2#、3#膠帶表面溫度分別為12℃、15℃，試樣3#相對試件2#效果更優。溫度時間曲線如下圖2所示。繼續測試7d后，試件1#膠帶邊緣有水滲入，出現明顯的翹邊剝離現象。試件2#邊緣有輕微翹邊現象；而試件3#基本無變化，邊緣粘貼牢固。耐低溫測試結果表面：添加硅氣凝膠顆粒粘彈體防腐膠帶具有明顯的隔絕低溫的作用。

圖2 膠帶表面溫度-時間曲線圖

4.5 耐高溫測試

按照防腐要求分別制作試樣1#、2#、3#的防腐管件。常溫23℃條件下放置24h。分別將試件1、2、3#管體內部加熱的方式進行升溫，模擬管體內部高溫環境。具體結果如下圖3所示，約45min后試件1#膠帶表面溫度升高至95攝氏度與管體部分一致。而試件2、3#膠帶表面溫度升高速度較慢，同等時間下試件2#、3#膠帶表面溫度分別為43℃、38℃。繼續測試2h后，試件1#溫度持續升高，而試件2#、3#膠帶表面溫度也無明顯升高，基本保持在這一溫度范圍。硅氣凝膠協同粘彈體防腐技術在管體高溫條件下，通過氣凝膠膜能有效隔絕管體的溫度。

圖3 膠帶表面溫度-時間曲線圖

5 結語

硅氣凝膠具有優異的隔熱保溫性能，能夠有效隔絕管體或者環境中的高溫、低溫等。硅氣凝膠在粘彈體中的添加比例在10%左右能達到最佳的效果。硅氣凝膠協同粘彈體防腐技術兼具防腐和隔熱保溫的作用。硅氣凝膠顆粒協同粘彈體防腐技術具有較為廣闊的應用前景。