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沈遠，劉京雷，侯峰
（化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，華東理工大學機械與動力工程學院，上海200237）
摘要：傳統(tǒng)管道內(nèi)用涂料常采用溶劑型環(huán)氧涂料，在管道內(nèi)防腐與降低摩擦阻力等方面起重要作用，但溶劑型涂料存在一定弊端，如有機溶劑揮發(fā)造成的環(huán)境污染、火災隱患、涂層質(zhì)量下降等。開發(fā)了新型無溶劑環(huán)氧涂料，涂層的性能優(yōu)異，較小的粗糙度，較低的表面能，在油氣運輸過程中有積極的減阻增輸效果。
關鍵詞：無溶劑環(huán)氧涂料；油氣管道；內(nèi)用涂料；減阻
中圖分類號：TQ630.7文獻標識碼：A文章編號：1009-1696（2013）05-0018-04
0·引言
油氣管道內(nèi)涂層始于20世紀50年代的美國，起初僅用于防腐，后來發(fā)現(xiàn)內(nèi)涂管道有減阻增輸?shù)淖饔谩?958年，美國田納西天然氣管線公司首次進行了典型的Refugio天然氣管道內(nèi)涂層試驗，試驗結果證明：管道內(nèi)涂層輸送效率提高6%。此后，歐美國家逐漸認識到管道內(nèi)涂層減阻的優(yōu)越性，新管線大多采用內(nèi)涂層技術，也制定了一系列的標準。如美國石油協(xié)會制定的APIRP5L2《輸氣管道內(nèi)涂層的推薦準則》；英國CM1，CM2等。
我國對管道內(nèi)涂層的研究已有30多年，在2002年“西氣東輸”工程中［1］開始工業(yè)化應用。“西氣東輸”工程所采用的內(nèi)涂涂料AW-01由中國石油集團公司塘沽工程技術研究院主持開發(fā)，取得了良好的效果，隨后，陜京二線也采用了內(nèi)減阻涂層涂覆工藝。隨著中俄、中緬、川氣東送等管道的建設和投產(chǎn)，未來數(shù)年內(nèi)，我國將建成超過10000km的輸氣管線。因此，天然氣管道內(nèi)涂減阻技術受到相關決策、科研、施工等部門的廣泛關注。
目前國內(nèi)外使用的減阻內(nèi)涂涂料大多為液態(tài)雙組分環(huán)氧涂料。如英國E.WOOD公司的COPONEP2306HF、荷蘭式瑪?shù)腇LOWCOAT03、德國杜邦公司的SikaPermacor等，以及我國塘沽工程技術研究院開發(fā)的AW-01涂料和沈陽金屬研究所開發(fā)的SLF-01涂料。該類涂料由成膜物、顏料、助劑、溶劑等組成，其中有機溶劑（常用二甲苯、正丁醇等混合溶劑）的使用有一定的弊端，不僅會造成環(huán)境污染，而且有火災隱患；有機溶劑的揮發(fā)還會對施工人員的健康造成危害，故而在施工過程中要保證通風；此外，有機溶劑的揮發(fā)可能使涂層出現(xiàn)針孔等弊病，破壞涂層性能。因此無溶劑涂料、水性涂料以及粉末涂料有代替溶劑型環(huán)氧涂料的趨勢。無溶劑涂料［2］具有以下優(yōu)點：可一道厚涂，提高效率；不含揮發(fā)分，避免固化時溶劑的揮發(fā)而造成火災隱患、溶劑中毒以及環(huán)境污染，可形成無孔涂層，提供優(yōu)越的防腐性能。但這種涂料也存在缺點，如漆膜過厚，加之所用的樹脂相對分子質(zhì)量低，反應基團間距小，導致交聯(lián)密度過高，漆膜發(fā)脆、耐沖擊性差等，而且黏度過高，操作不便，需要采用專用設備進行施工。
本研究開發(fā)的無溶劑環(huán)氧涂料成本低，綜合性能好，具有優(yōu)異的減阻增輸效果。
1·實驗部分
1.1原材料與儀器
成膜樹脂：液態(tài)環(huán)氧樹脂E-51；固化劑：聚酰胺類；稀釋劑：丁基縮水甘油醚、C12~14烷基縮水甘油醚；顏填料：氧化鐵紅，超細硫酸鋇，玻璃微珠，聚四氟乙烯［3］；助劑：流平劑BYK-320，消泡劑BYK-530，分散劑BYKP-104S；固化促進劑：DMP-30；增韌劑：鄰苯二甲酸二丁酯；偶聯(lián)劑：硅烷偶聯(lián)劑KH560。
實驗儀器：FA1004型電子天平；磁力攪拌器；HWS24恒溫水浴箱；超聲波清洗儀；抽濾裝置等；掃描電子顯微鏡；干燥箱。
1.2涂料的制備
本研究的涂料為雙組分涂料，其中A組分包括E-51、丁基縮水甘油醚、氧化鐵紅、超細硫酸鋇、玻璃微珠、聚四氟乙烯和助劑；B組分為聚酰胺300#和固化促進劑DMP-30。由于組分A中，氧化鐵紅、硫酸鋇、玻璃微珠等粉體粒徑較小，表面能大，在自然條件下易發(fā)生團聚，且無機粉體與樹脂體系相容性較差易發(fā)生沉降，造成涂料性能下降，故在體系混合之前需對粉體進行改性。改性實驗采用硅烷偶聯(lián)劑KH-560，用量為顏填料的0.5%~1.5%，且m（偶聯(lián)劑）∶m（甲醇）∶m（水）=1∶2∶0.5。加入偶聯(lián)劑前，用醋酸調(diào)整pH至3~5，水解5~10min，然后將水解液噴撒到粉體表面，將粉體置入接有冷凝管的三口燒瓶中，并加入一定量的甲醇，在80℃恒溫箱里高速攪拌2h。然后抽濾，將抽濾后的粉體置入烤箱，在120℃下干燥1h，即得改性粉體（圖1）。
圖1粉體掃描電鏡照片
由圖1可見：改性后的粉體團聚明顯減少，顆粒粒徑較小，且與成膜樹脂相容性也大大提高。硅烷偶聯(lián)劑改性無機粉體的機理是硅烷偶聯(lián)劑分子（R-SiX3）中的X部分首先在水中水解成反應活性強的多羥基硅醇，然后與粉體表面的羥基縮合而牢固結合，另一端則被吸附或與有機物分子發(fā)生反應。
將A組分包括改性后的顏填料按質(zhì)量百分比混合，用磁力攪拌器高速攪拌60~80min，再加入B組分固化劑與固化促進劑，A組分與B組分的配比為4∶1，攪拌并熟化30min即可涂裝。
實驗中采用30mm×15mm×3mm低碳鋼試片，試片表面處理達到Sa2.5級的要求。工業(yè)中涂覆絕大多數(shù)采用無氣噴涂，少量使用空氣噴涂機，本研究由于試件較小采用浸涂和刮涂。涂覆完畢，在室溫下進行固化，固化時間小于24h；加熱至60℃，固化時間為2h。
2·性能測試
性能測試在2個以上的試驗試片上進行，且有兩個測試試片的結果通過，才視為合格。
經(jīng)檢測，涂層厚度70~80μm，平均粗糙度約為1μm，表面非常光滑，涂層的剪切強度大于14MPa，綜合性能良好（表1）。
表1性能指標
3·涂層與減阻
減阻主要包括：光滑減阻［4］、形貌減阻、低表面能減阻等。管道內(nèi)壁粗糙度對流體運行效率有著非常大的影響，流體流過平直管道所受到的阻力稱為沿程阻力，沿程阻力是油氣運輸過程中壓降的主要原因，如Darcy-Weisbach［5］公式（式1）所示。
式中，p為管道兩端的壓降，單位為MPa；L、D分別為管長和管徑，單位為mm；ρ為流體的質(zhì)量密度，單位為kg/m3；v為流體平均速度，單位為m/s；f為摩阻系數(shù)，無量綱。
摩阻系數(shù)是由管道相對粗糙度及雷諾數(shù)Re共同決定的。當雷諾數(shù)Re<2000時，流態(tài)為層流，層流的特征是流體的邊界層完全覆蓋了管道內(nèi)壁粗糙凸起，粗糙度不影響摩阻系數(shù)的大小；當3000Re2時，流態(tài)為阻力平方區(qū)，層流邊界層很薄，f值完全取決于管道內(nèi)壁粗糙度。而油氣管道中，流體的雷諾數(shù)一般在105~107之間，屬于混合摩擦區(qū)和阻力平方區(qū)，因此減小管道粗糙度能降低摩阻系數(shù)，從而減小沿程阻力。
實驗采用自主搭建的流阻測試裝置［7］，粗略計算涂層的減阻性能。式2和式3劃分流態(tài)的第一臨界雷諾數(shù)Re1和第二臨界雷諾數(shù)Re2：
另外，對于管道內(nèi)涂層，表面能的大小對涂層的減阻性能也有影響。表面能低會使流體由層流向湍流過渡的轉(zhuǎn)折點后移［8］。此外，涂層表面能低會減少流體中雜質(zhì)的沉積與附著，使涂層的表面保持光潔。
4·結語
（1）無溶劑環(huán)氧涂料在油氣管道減阻內(nèi)涂層中，相對于常規(guī)溶劑型雙組分環(huán)氧涂料具有一定的優(yōu)勢，涂料固體含量高，較為環(huán)保，具有廣泛的應用前景。
（2）本研究開發(fā)的無溶劑環(huán)氧涂料成本較低、綜合性能良好，涂層表面粗糙度約1μm，鏡面度較高，用于管道內(nèi)涂層可有效減小摩阻系數(shù)，降低油氣傳輸過程中的壓降。
（3）通過測量涂層的接觸角，計算其表面能。涂層表面能較小，能降低雜質(zhì)的附著，并且在長輸管道中，可延遲層流向湍流過渡的轉(zhuǎn)折點。
參考文獻
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