环保型管道和储罐重防腐涂料的性能及应用进展

徐 莉

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

我国现行油气管道、储罐大多为金属材料，在受到大气、紫外线、油气化学成分的影响下，易出现严重的腐蚀问题，极大影响了油气储运稳定性与安全性。相关调查结果表明，我国油气储运设备腐蚀平均穿孔率为0.14次/(台·年)，年平均更新率为1.79%，造成直接经济损失高达数亿元。因此，加强油气管道、储罐腐蚀保护，加快防腐涂料的研究意义重大[1]。目前，环保型防腐涂料研究上取得了重大突破，如无溶剂防腐涂料、水溶性防腐涂料及粉末防腐涂料等。笔者就基于油气管道、储罐防腐涂料性能要求及几类典型环保型防腐涂料性能及应用进行了介绍。

1 管道及储罐防腐技术发展概况

油气管道防腐技术是随着油气储运设备建设发展起来的。国外对于石化储运设备防腐涂层研究始于20世纪40年代。最初防腐材料主要使用煤焦油沥青及改性煤焦油瓷漆，但这些材料很容易在设备高温时发生氧化反应，涂层内部一部分馏分挥发，导致涂层脆变、剥离，防腐能力迅速下降。20世纪50到70年代，石蜡、石油沥青、胶带、夹克、双层挤塑聚乙烯结构防腐层相继问世，并在油气储运设备腐蚀保护方面做出了巨大贡献；90年代末，研究人员通过对双层熔结环氧粉末结构的不断改进，开发了在熔结环氧粉末防腐层表面继续进行液态聚氨酯或改性环氧树脂材料防腐处理的三层结构防腐技术，并得到了广泛应用。

我国油气管道储罐防腐技术的应用始于20世纪50年代，同样从沥青类防腐层研究开始发展。70年代后期至80年代，仍采用国外胶带、夹克、环氧粉末等防腐技术；90年代中期，国内各类化工防腐层才获得蓬勃发展；90年代末，熔结环氧粉末和三层聚乙烯相继被研发出来。该类型防腐涂层因有机械性能和防腐性能强、附着力强、与阴极保护相融等优势，成为化工管道材料防腐涂层的主导材料。随着近年来我国工业技术发展水平的进一步提升，油气储运设备防腐技术日渐成熟。一些新型环保型防腐材料被研发出来，技术参数已达到了国际先进水平。在油气长输管道及储罐防腐处理上，无溶剂防腐涂料、水溶性防腐涂料及粉末防腐涂料等具备较高防腐能力与环保性能的材料被用于油气资源开发利用上[2-3]。

2 管道及储罐防涂层性能

为探究在用油气管道及储出现腐蚀穿孔的原因，张鹏等[4]截取一段干线服役管道，针对管道涂层开展涂装材料附着力试验、剥离试验、磨损试验、浸泡试验、气鼓泡试验及柔韧性试验。发现该管段在原油相关化学品及外界环境的影响下，涂料附着力、抗剥离性能显著下降，抗变形性能改变明显，致使运行过程中出现局部涂层脱落或鼓泡现象，增加了管道腐蚀风险。说明防腐涂层附着力、抗剥离性能、耐磨损能力及柔韧性能不佳是造成管道腐蚀穿孔的主要原因。

3 管道及储罐防腐涂料应用

目前，在各种类型高防腐性环保型防腐涂料中，最具代表性的主要有无溶剂防腐涂料、水溶性防腐涂料及粉末防腐涂料3种。

3.1 无溶剂防腐涂料

无溶剂涂料又称活性溶剂涂料，其主要成分为合成树脂、固化剂和活性溶剂。为探明该防腐涂料挥发性、环保性及防腐性水平，牟迪等[5]通过对无溶剂环氧防腐涂料的性能检测。发现该涂料各项技术指标均符合环保要求下的油气管道及储罐防腐涂层技术应用之中。通过对该涂料耐酸、碱、盐性能检测，发现该涂料防腐性能极佳。在蒸馏水、10%HCl溶液中浸泡100 d，涂层完整性良好，完全符合工业管道防腐涂装要求。

杨忠敏[6]基于改性无溶剂环氧涂料防腐性能检测，发现其防腐性能良好。该涂料固含量较高，可达100%，固化过程中无溶剂挥发，完全满足工业生产环保要求；涂层无针孔，抗渗性能良好，不仅降低了涂装施工中中毒和火灾风险，还能较少通风设备配置。无溶剂环氧防腐涂料是厚涂型涂料，要求涂层厚度达到100 μm以上。涂层结合强度高、收缩率小，减少了施工工序，涂层整体体积损失小，应用成本低。

Sams[7]总结了无溶剂聚氨酯涂层的研究现状并预测了未来发展方向，他认为无溶剂聚氨酯涂层具有良好的抗腐蚀性、抗冲击性、耐候性以及绝热性能，同时也对其工程应用现状作出介绍。但目前还未见作为储罐外壁耐候防腐涂料使用。Renz[8]采用了六亚甲二异氨酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯制备了一种聚氨酯涂料，聚氨酯的固形物含量可以达到90%以上，具有很好的硬度、抗紫外线老化及化学性能稳定的优点。Dai和余剑英[9]分别制备了聚氨酯/蒙脱土纳米复合涂料，研究了蒙脱土用量对涂料的结构与性能的影响。Dai用DSC分析了随蒙脱土含量的增加，聚氨酯软段Tg增加；并且通过力学分析表明，拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率也显著增加。而余剑英则通过对涂层广角G射线(H4GO)衍射分析，发现聚氨酯在蒙脱土片层间进行插层聚合，可导致蒙脱土层间距扩大。

无溶剂防腐涂料工艺技术成熟，经济效益与环保效益较高，具备广阔的工业应用前景。

3.2 水溶性防腐涂料

水溶性防腐材料因具备更好的屏蔽作用、缓蚀作用及阴极保护作用，在工业领域获得更广泛应用。

Kojima等[10]结合苯乙烯改性原理制备了基于丙烯酸/苯乙烯聚合物组分的环保型防腐涂料。通过实验室检测，发现该水性防腐涂料耐水性、耐候性、耐高温性与抗拉伸强度都非常高。王永珍等[11]以二乙烯三胺为潜伏型固化剂，制备出双组分环氧涂料。测试结果显示该环氧涂料固含量达到了40%以上，固化温度最高为50 ℃，涂膜自干快，且柔韧性、摆杆硬度、附着力及热学性能都非常符合工业储运设备防腐涂装要求。任宇红等[12]应用自乳化法制备了丙烯酸酯改性水性环氧树脂，该涂料涂膜致密性良好，防腐蚀性、耐候性、耐水性均都比未改性材料显著提高，符合原油储运设备防腐要求。

20世纪80年代初，我国开始了水性硅酸锂富锌涂料工业化研究，但研究重点主要集中在其改性上。彭刚阳等[13]以低模数硅酸钾溶液、碱性硅溶胶原料，以有机硅氧烷为改性剂，制备出高性能无机富锌涂料。应用表明，这种涂料粒径均匀、贮存稳定、耐水性与耐候性优良，非常适用于工业管道、储罐防腐涂装要求。吴波[14]应用水溶性硅酸锂—硅酸钠、硅酸锂—硅酸钾、硅酸锂—甲基硅酸钠、硅酸锂—甲基硅酸钾等硅酸盐复合物为基料，调制出一种硅酸锂富锌涂料。他发现这种材料虽不具备较强的耐高温性和附着力，但有非常优异的耐盐雾性，在穿越盐碱地输油管道防腐喷涂中成为首选涂料。

3.3 粉末防腐涂料

粉末防腐涂料是一种不含任何溶剂的新型固态涂料。与液态涂料相比，除在性能、制备方法及涂装施工中有独特的应用优势外，还具有如下显著特点：1)因粉末涂料制备中所用树脂相对分子质量较大，因此，涂层性能和耐久性皆比水溶性涂料涂层高得多；2)粉末涂料制备中不涉及任何溶剂，可大大降低工业生产中造成的大气污染及火灾事故发生率；3)涂装过程中，固化时间短且无毒副作用，保障了涂装施工人员身体健康；4)涂装施工前无需与其他物料进行配合使用，也不需要随季节变化调整黏度，节省时间成本与人力成本；5)厚膜涂装不轻易产生流挂现象，适合自动化流水线生产；6)涂料有效利用率可达95%，并且喷溢的粉末涂料还可以回收利用。喷涂厚度可控，一次涂装厚度相当于溶剂型涂料十几次涂装厚度，具备较高的环保及成本效益[15]。

马青华[16]制备了酚醛环氧树脂与复合固化剂，然后再以一定基料配比调制出重防腐蚀环氧粉末涂料。在制备防腐涂料时，按照m(改性环氧树脂)∶m(复合固化剂)∶m(颜填料)∶m(助剂)=100∶27∶35∶12的方案进行调配，获得重防腐蚀环氧粉末涂料。性能测试发现，该涂料涂层机械强度、耐盐水性能与耐高低温性能良好，满足海洋石油生产中高温、高盐环境中相关设备防腐涂装要求。需要注意的是，基料配比对重防腐蚀环氧粉末涂料性能影响较大，制备过程中一定要严格按定量进行配比，确保其机械性能及防腐性能满足特殊工况要求。

4 环保型管道和储罐重防腐涂料发展趋势

研究人员尝试将纳米技术及导电材料应用于新型防腐涂料生产中，实现其物理性能、机械性能的进一步提高。

4.1 纳米科技防腐涂料

国内外已开展了将纳米无机填料用于防腐聚合物填充研究，利用某些具有紫外线屏蔽性能的纳米无机粒子作为抗紫外线添加剂，进行防腐涂料制备，提升其抗老化能力。目前较为成熟的制备工艺是基于纳米科技的耐候型聚酯粉末涂料[17]。

4.2 添加型防静电涂料

添加型防静电涂料是目前最为普遍的一种，部分种类已实现商品化。国内早期的防静电涂料以溶剂型碳系防静电涂料为主，最具代表性的就是由中国石油天然气管道科学研究院廖宇平等[18]研制的防静电涂料。李冀辉等[19]以膨胀石墨为填料、以聚氨酯清漆为黏结剂制备出了性能良好的新型防静电涂料。这种涂料在具备常规涂料应有的防腐性能基础上，兼具良好的防静电能力，在加油站等高危工况中特别适用。

5 结束语

我国的油气管道与储罐防腐涂料研究及应用已进入全面发展时期,已成功研发了环保型无溶剂防腐涂料、水溶性防腐涂料及粉末防腐涂料。随着研究工作的深入，目前已出现了防腐性更强、环保性及防静电性更佳的纳米科技防腐涂料及添加型防静电涂料。这些新型防腐涂料的问世，必将为提升工业设备防腐能力奠定良好的基础。