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无溶剂环氧涂料在油气管道内涂层中的应用烤肉炉

时间:2022/08/31 05:05:24 编辑:

无溶剂环氧涂料在油气管道内涂层中的应用

沈远,刘京雷,侯峰

(化学工程联合国家重点实验室,华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237)

摘要:传统管道内用涂料常采用溶剂型环氧涂料,在管道内防腐与降低摩擦阻力等方面起重要作用,但溶剂型涂料存在一定弊端,如有机溶剂挥发造成的环境污染、火灾隐患、涂层质量下降等。开发了新型无溶剂环氧涂料,涂层的性能优异,较小的粗糙度,较低的表面能,在油气运输过程中有积极的减阻增输效果。

关键词:无溶剂环氧涂料;油气管道;内用涂料;减阻

中图分类号:TQ630.7 文献标识码:A 文章编号:1009-1696(2013)05-0018-04

0·引言

油气管道内涂层始于20世纪50年代的美国,起初仅用于防腐,后来发现内涂管道有减阻增输的作用okmart.com。1958年,美国田纳西天然气管线公司首次进行了典型的Refugio天然气管道内涂层试验,试验结果证明:管道内涂层输送效率提高6%。此后,欧美国家逐渐认识到管道内涂层减阻的优越性,新管线大多采用内涂层技术,也制定了一系列的标准。如美国石油协会制定的APIRP5L2《输气管道内涂层的推荐准则》;英国CM1,CM2等。

我国对管道内涂层的研究已有30多年,在2002年“西气东输”工程中[1]开始工业化应用。“西气东输”工程所采用的内涂涂料AW-01由中国石油集团公司塘沽工程技术研究院主持开发,取得了良好的效果,随后,陕京二线也采用了内减阻涂层涂覆工艺。随着中俄、中缅、川气东送等管道的建设和投产,未来数年内,我国将建成超过10000km的输气管线。因此,天然气管道内涂减阻技术受到相关决策、科研、施工等部门的广泛关注。

目前国内外使用的减阻内涂涂料大多为液态双组分环氧涂料。如英国E.WOOD公司的COPONEP2306HF、荷兰式玛的FLOWCOAT03、德国杜邦公司的SikaPermacor等,以及我国塘沽工程技术研究院开发的AW-01涂料和沈阳金属研究所开发的SLF-01涂料。该类涂料由成膜物、颜料、助剂、溶剂等组成,其中有机溶剂(常用二甲苯、正丁醇等混合溶剂)的使用有一定的弊端,不仅会造成环境污染,而且有火灾隐患;有机溶剂的挥发还会对施工人员的健康造成危害,故而在施工过程中要保证通风;此外,有机溶剂的挥发可能使涂层出现针孔等弊病,破坏涂层性能。因此无溶剂涂料、水性涂料以及粉末涂料有代替溶剂型环氧涂料的趋势。无溶剂涂料[2]具有以下优点:可一道厚涂,提高效率;不含挥发分,避免固化时溶剂的挥发而造成火灾隐患、溶剂中毒以及环境污染,可形成无孔涂层,提供优越的防腐性能。但这种涂料也存在缺点,如漆膜过厚,加之所用的树脂相对分子质量低,反应基团间距小,导致交联密度过高,漆膜发脆、耐冲击性差等,而且黏度过高,操作不便,需要采用专用设备进行施工。

本研究开发的无溶剂环氧涂料成本低,综合性能好,具有优异的减阻增输效果。

1· 实验部分

1.1 原材料与仪器

成膜树脂:液态环氧树脂E-51;固化剂:聚酰胺类;稀释剂:丁基缩水甘油醚、C12~14烷基缩水甘油醚;颜填料:氧化铁红,超细硫酸钡,玻璃微珠,聚四氟乙烯[3];助剂:流平剂BYK-320,消泡剂BYK-530,分散剂BYKP-104S;固化促进剂:DMP-30;增韧剂:邻苯二甲酸二丁酯;偶联剂:硅烷偶联剂KH560。

实验仪器:FA1004型电子天平;磁力搅拌器;HWS24恒温水浴箱;超声波清洗仪;抽滤装置等;扫描电子显微镜;干燥箱。

1.2 涂料的制备

本研究的涂料为双组分涂料,其中A组分包括E-51、丁基缩水甘油醚、氧化铁红、超细硫酸钡、玻璃微珠、聚四氟乙烯和助剂;B组分为聚酰胺300#和固化促进剂DMP-30。由于组分A中,氧化铁红、硫酸钡、玻璃微珠等粉体粒径较小,表面能大,在自然条件下易发生团聚,且无机粉体与树脂体系相容性较差易发生沉降,造成涂料性能下降,故在体系混合之前需对粉体进行改性。改性实验采用硅烷偶联剂KH-560,用量为颜填料的0.5%~1.5%,且m(偶联剂)∶m(甲醇)∶m(水)=1∶2∶0.5。加入偶联剂前,用醋酸调整pH至3~5,水解5~10min,然后将水解液喷撒到粉体表面,将粉体置入接有冷凝管的三口烧瓶中,并加入一定量的甲醇,在80℃恒温箱里高速搅拌2h。然后抽滤,将抽滤后的粉体置入烤箱,在120℃下干燥1h,即得改性粉体(图1)。

图1 粉体扫描电镜照片

由图1可见:改性后的粉体团聚明显减少,颗粒粒径较小,且与成膜树脂相容性也大大提高。硅烷偶联剂改性无机粉体的机理是硅烷偶联剂分子(R-SiX3)中的X部分首先在水中水解成反应活性强的多羟基硅醇,然后与粉体表面的羟基缩合而牢固结合,另一端则被吸附或与有机物分子发生反应。

将A组分包括改性后的颜填料按质量百分比混合,用磁力搅拌器高速搅拌60~80min,再加入B组分固化剂与固化促进剂,A组分与B组分的配比为4∶1,搅拌并熟化30min即可涂装。

实验中采用30mm×15mm×3mm低碳钢试片,试片表面处理达到Sa2.5级的要求。工业中涂覆绝大多数采用无气喷涂,少量使用空气喷涂机,本研究由于试件较小采用浸涂和刮涂。涂覆完毕,在室温下进行固化,固化时间小于24h;加热至60℃,固化时间为2h。

2·性能测试

性能测试在2个以上的试验试片上进行,且有两个测试试片的结果通过,才视为合格。

经检测,涂层厚度70~80μm,平均粗糙度约为1μm,表面非常光滑,涂层的剪切强度大于14MPa,综合性能良好(表1)。

表1 性能指标

3·涂层与减阻

减阻主要包括:光滑减阻[4]、形貌减阻、低表面能减阻等。管道内壁粗糙度对流体运行效率有着非常大的影响,流体流过平直管道所受到的阻力称为沿程阻力,沿程阻力是油气运输过程中压降的主要原因,如Darcy-Weisbach[5]公式(式1)所示。

式1

式中,p为管道两端的压降,单位为MPa;L、D分别为管长和管径,单位为mm;ρ为流体的质量密度,单位为kg/m3;v为流体平均速度,单位为m/s;f为摩阻系数,无量纲。

摩阻系数是由管道相对粗糙度及雷诺数Re共同决定的。当雷诺数Re<2000时,流态为层流,层流的特征是流体的边界层完全覆盖了管道内壁粗糙凸起,粗糙度不影响摩阻系数的大小;当3000Re2时,流态为阻力平方区,层流边界层很薄,f值完全取决于管道内壁粗糙度。而油气管道中,流体的雷诺数一般在105~107之间,属于混合摩擦区和阻力平方区,因此减小管道粗糙度能降低摩阻系数,从而减小沿程阻力。

实验采用自主搭建的流阻测试装置[7],粗略计算涂层的减阻性能。式2和式3划分流态的第一临界雷诺数Re1和第二临界雷诺数Re2:

另外,对于管道内涂层,表面能的大小对涂层的减阻性能也有影响。表面能低会使流体由层流向湍流过渡的转折点后移[8]。此外,涂层表面能低会减少流体中杂质的沉积与附着,使涂层的表面保持光洁。

4·结语

(1)无溶剂环氧涂料在油气管道减阻内涂层中,相对于常规溶剂型双组分环氧涂料具有一定的优势,涂料固体含量高,较为环保,具有广泛的应用前景。

(2)本研究开发的无溶剂环氧涂料成本较低、综合性能良好,涂层表面粗糙度约1μm,镜面度较高,用于管道内涂层可有效减小摩阻系数,降低油气传输过程中的压降。

(3)通过测量涂层的接触角,计算其表面能。涂层表面能较小,能降低杂质的附着,并且在长输管道中,可延迟层流向湍流过渡的转折点。

参考文献

[1]林竹,张丽萍,袁中立,等.减阻型涂料在天然气管道中的应用[J].焊管,2002,25(06):1-5.

[2]张斌.无溶剂环氧涂料在石化行业中的应用[J].上海涂料,2008,46(06):40-43.

[3]任远,柏子龙,马宏燎,等.环氧涂层对成品油输送管道减阻作用的实验研究[J].石油炼制与化工,2011,42(04):74-78.

[4]郑洽馀,鲁钟琪.流体力学[M].北京:机械工业出版社,1980:162-163.

[5]Elling Sletfjerding,et al. Friction Factor in Gas Pipeline in the

NorthSea[A]. Gas Technology Symposium[C],2000 :459-467.

[6]胡士信,陈向新.天然气管道减阻内涂技术[M].北京:化学工业出版社,2003:26-27.

[7]Xiao-Hong Yang,Wei-Ling Zhu,Zhu Lin,et al. Aerodynamic Evaluation

of an Internal Epoxy Coating in Natural Gas Pipeline[J].Progress

in Organic Coatings,2005(54):73-77.

[8]孙家峰.流阻测试装置研制与涂层减阻性能研究[D].武汉:机械科学研究院总院武汉材料保护研究所,2007.

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