弯管减阻内涂层施工工艺研究

巩忠旺， 杨鹏飞， 陈 顺， 李树军， 张晓慧

（渤海石油装备巨龙钢管公司， 河北 青县062658）

0 前 言

弯管作为长距离油气输送管道的重要组成部分， 在管道敷设过程中起到了平面变向和纵向爬坡的作用， 由于其使用位置的特殊性， 在使用过程中弯管受力与直管相比更为复杂。 为了减缓输送介质对管道内壁的腐蚀和磨损， 我国从西气东输一线开始首次将减阻内涂层技术应用于长距离输气管线， 根据减阻内涂层在西气东输管道的实际应用效果， 在输送压力不变的情况下， 减阻涂层效果优异， 具有良好的耐磨性、 耐久性， 与没有做内减阻涂层的管道相比， 摩擦因数降低26%～31%， 输气量增加20%以上， 可节约输送费用7%～14%， 社会效益和经济效益非常可观。 天然气管道内涂层实际应用效果也表明， 选用合适的减阻涂料和正确的涂装方法， 在长输天然气管道施工期间可以防止管线腐蚀， 减少沉积物， 改善清管效果， 减少增压站数量， 提高管道输气效率， 降低管道综合投资。

目前我国对减阻涂料成分的研究已基本成熟，但少有研究涉及工艺参数和施工方法对涂膜性能的影响。 同一种涂料采用不同的温度、 流量、 压力以及烘干温度， 对减阻涂层的性能都有一定的影响。 本研究在符合技术标准要求的前提下， 对施工过程中涉及到的变量进行了研究， 并总结出了可以指导现场施工作业的相关参数[1-3]。

1 弯管内减阻涂层工艺流程及设备选型

由于弯管的形状特殊， 在内壁除锈和减阻涂层成膜过程中， 只能将其摆放在固定的轨道上， 通过旋转喷头完成除锈和喷涂作业。 因此在减阻涂层施工过程中， 弯管本身是固定不动的， 这样就容易造成涂层厚度不均匀， 涂层湿膜太薄则达不到标准要求， 起不到减阻效果；涂层湿膜太厚会造成涂层表面流淌、 垂滴等缺陷， 不能满足外观要求。 因此确定弯管喷涂工艺流程， 选定恰当的喷涂设备、 确定涂料的环境温度范围以及与设备匹配的喷涂参数成为研究弯管内减阻涂层施工工艺的关键。 弯管内减阻涂层工艺流程如图1 所示。

图1 弯管内减阻涂层工艺流程

内减阻涂层成型过程要求涂料喷涂平稳均匀，压力稳定， 并且A、 B 组份涂料在喷涂到弯管内表面前要混合均匀。 通过多次试验最终确定供料系统选用固瑞克XP70 高压无气喷涂设备， 喷涂小车选用防倾覆轮组， 保证小车在弯管内部运行时可以自动调平， 行走平稳。 悬杯选用双层结构， 内杯孔径为2 mm， 外杯孔径为1 mm， 经验证上述设备可以满足弯管内减阻涂层对设备性能的需求。

2 温度对涂料黏度的影响

涂料黏度对内减阻涂层的膜厚和外观质量起着决定性作用， 将涂料从15 ℃逐步加热到65 ℃，按照ASTM D562－01—2010 《斯氏粘度计测定涂料稠度的试验方法》 中规定的检测方法进行检测，减阻涂层黏度随温度变化的关系曲线如图2 所示。

图2 减阻涂层黏度随温度变化的关系曲线

由图2 可以看出， 涂料黏度随着温度的升高不断降低。 当温度从35 ℃升高到40 ℃时， 涂料黏度变化率最大； 当温度高于55 ℃时涂料黏度基本保持不变。 这主要是因为相对分子质量较低的环氧树脂对温度比较敏感， 是典型的非牛顿流体， 随着温度的升高， 黏度呈指数级下降。 环氧涂料最适宜的喷涂黏度为65～70 KU， 黏度太大不利于涂料流动， 涂料经喷嘴喷出后达不到理想的雾化效果，漆膜成型较差。 黏度太小会造成A、 B 组份涂料快速反应固化， 留给喷涂作业的时间比较有限， 同时漆膜成型后抗流挂性较差， 由于重力作用， 容易发生流淌、 垂滴现象[4-8]（如图3 所示）。

图3 漆膜流淌照片

3 温度对固化速度和漆膜质量的影响

固化是指液体涂料涂在物体表面， 从流体层变成固体漆膜的物理或化学的变化过程， 通称为涂料的干燥。 干燥过程一般分为表面干燥、实际干燥和完全干燥3 个阶段。 本研究按照GB/T 1728—1989 《漆膜、 腻子膜干燥时间测定法》 进行测定， 对 “海虹老人87831 环氧涂料”的测定结果见表1， 漆膜干燥时间随温度变化的关系曲线如图4 所示。

试验结果表明， 对于无溶剂环氧涂料这种热固性聚合物而言， 温度越高， 固化反应越快， 当温度达到一定值时， 涂料一混合即迅速固化， 基本没有时间实现喷涂作业。 这主要是因为温度升高后， 环氧树脂基料与固化剂的反应速率加快，在树脂浓度相同的情况下， 体系的反应速度与反应速率常数成正比。 反应速率常数与温度的关系可用Arrhenius 方程表示为

表1 不同温度下“海虹老人87831 环氧涂料”的固化时间测定结果

图4 漆膜干燥时间随温度变化的关系曲线

式中： Ea——活化能；

A——指前因子；

R——摩尔气体常量；

T——热力学温度。

对于同牌号的无溶剂环氧涂料， Ea和A 为定值， 从公式（1） 可以看出， 温度升高必将导致体系反应速率常数变大， 涂料的适用期随温度升高而缩短。 当涂料温度高于45 ℃时， 留给喷涂作业的混合使用期时间不足20 min。 在工厂实际生产过程中， 喷涂前需要对弯管外观和除锈质量进行多项检测， 需要较长的准备时间， 因此过高的施工温度反而不利于弯管内减阻涂层喷涂作业， 根据生产实际情况正常施工温度应控制在35～40 ℃为宜。

通过表1 可以看出， 环氧涂料在常温下的固化比较缓慢， 因此喷涂作业完成后需要选择合适的固化温度加速漆膜固化。 本研究以5 ℃为一个温度间隔， 设定固化时间为1 h， 观察固化温度从40 ℃升高到65 ℃时对钢制试片漆膜质量的影响。 把在6 种不同固化温度下得到的钢制试片在稀释剂中浸泡4 h， 然后在室温中放置30 min， 其漆膜变化效果照片如图5 所示。

图5 不同固化温度下漆膜浸泡试验照片

从图5 可以看出， 漆膜在40 ℃和45 ℃温度下的固化试片经浸泡试验后漆膜光泽度降低， 质地变软， 主要是因为固化温度低， 漆膜固化不彻底； 随着温度的升高， 在50～60 ℃温度区间固化的试片经浸泡试验后漆膜光泽度和质地没有明显变化， 说明漆膜固化比较彻底； 当温度继续升高到65 ℃时， 试片经浸泡后有明显的起泡现象，这是因为涂料中的挥发物质还未全部挥发， 漆膜表面已经固化， 残留的挥发性物质留在试片与漆膜表面之间形成气泡。

因此在减阻涂层喷涂作业完成后， 必须选择适宜的固化温度加速漆膜固化， 温度太低则固化时间延长， 不能满足工厂施工进度要求。 温度太高固化太快， 对漆膜的内在质量和外观都会产生影响， 不能满足使用要求， 经试验证明生产时固化温度应控制在50～60 ℃为宜[9-12]。

4 喷涂压力对流量的影响

经过对涂料黏度和混合使用期时间的综合考虑， 我们将涂料施工温度控制在35 ℃， 喷涂作业时间设定为1 min， 来研究喷涂压力对流量的影响。 由于弯管形状的特殊性， 只能用悬杯的方式进行喷涂作业， 由于没有管道和喷嘴造成的压力损失， 所以流量大小只与设备压力有关。 固瑞克XP70 设备要求最低工作压力为0.1 MPa， 最高工作压力为0.8 MPa。 在恒定温度， 相同时间内， 不同压力下测得的流量大小见表2。

表2 不同压力下测得的流量

由表2 可见， 流量随着泵压的增加而增大，当压力大于0.45 MPa 时， 流量基本稳定在6 L/min左右， 这是因为压力逐渐增加， 涂料经过吸料泵的抽吸作用充满整个喷涂管， 从而形成不间断充实的涂料柱。 继续增加泵压， 因涂料已经充满整个喷涂管， 此时流量因受到缸体尺寸、 吸料泵型号和喷涂管内径大小的共同作用， 使流量变化趋于稳定。

5 设备工作速度和压力对漆膜质量的影响

弯管内减阻喷涂小车主要是由车体、 行进电机、 自动调整轮组成， 喷涂小车结构如图6所示。

图6 喷涂小车结构示意图

喷涂小车最高工作速度为0.2 m/s， 按照CDP－S－NGP－AC－001—2015－2 《输气管道工程内减阻环氧涂层技术规格书》 标准， 内减阻涂层干膜厚度一般要求为80 μm， 以规格为Φ1 422 mm×28.2 mm， 长度为9 m 弯管为例，弯管内表面面积计算公式为

S=L×（D－2δ）×π=38.61 m2（3）

式中： S——内表面面积， m2；

L——弯管中性线长度， m；

D——弯管直径， m；

δ——弯管壁厚， m。

结合油漆厂商给定的理论涂布率， 即可算出任一角度的弯管所需的油漆用量。 “海虹老人87831 环氧涂料” 的理论涂布率为10.2 m2/L （以80 μm 干膜计）， 因此该弯管内减阻涂层需涂料3.785 L。 将小车在弯管内的运动近似地看作是匀速直线运动， 根据公式v=s/t， 通过小车运动速度v（m/s） 和距离s（m）， 就可算出小车喷涂所需时间t（s）。 根据行走电机转速和车轮直径， 通过空载试验， 当小车的运动速度控制在0.13～0.17 m/s 时， 小车运行平稳， 不会出现倾覆现象， 据公式t=s/v 可以推算出小车在弯管内的运行时间为53～69 s。 对照表2 可以得出作业时间为1 min、 流量为3.785 L 时， 喷涂压力设定在0.25～0.3 MPa 时与理论所需流量最接近。 将小车速度按照0.01 m/s 的速度递增， 测得在相同压力、 不同速度下， 5 个点的干膜平均厚度和漏点情况见表3， 膜厚随喷涂小车速度变化的关系曲线如图7 所示。

表3 相同压力、不同速度下的干膜厚度和漏点情况

图7 膜厚随喷涂小车速度变化的关系曲线

由表3 可以看出， 在喷涂压力为0.25 MPa、喷涂速度为0.15 m/s 时， 漆膜无漏点， 无垂滴，产品质量最佳。 当喷涂压力提高到0.3 MPa、 喷涂速度需要提高到0.16 m/s 时， 漆膜质量同样可以满足要求[13-15]。

6 结束语

弯管内减阻涂层的施工工艺特别复杂， 影响因素众多， 从试验可以得出温度对涂料黏度、 漆膜固化速度、 漆膜成型质量都有重要影响， 因此在弯管减阻内涂层施工过程中首先要控制好各施工环节的温度， 设定合适的喷涂压力以及与其匹配的小车行进速度是非常重要的， 只有从各工序环节严格把关， 才能确保最终的产品质量。