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聚丙烯在管道涂层中的应用

G.P. Guidetti, G.L. Rigosi, R. Marzola

摘要

尽管管道涂层的费用仅占总成本的5%，但对于管道来说，最有效的涂层选择是保证管道寿命的关键。自从80年代以来，聚丙烯共聚物涂料已经用于保护海岸内外的管线外表面。当需要高机械性能（耐冲击、贯入阻力等）或者耐热性的涂料时，聚丙烯是合适的选择之一。在普通管道的涂层使用中，聚丙烯与标准涂料（溶解环氧树脂、煤焦油瓷漆、聚乙烯）相比，表现出了其特有的优势。聚丙烯共聚物作为管道涂层的新应用已被探索出来，它的用途包括利用泡沫状的聚丙烯获得的绝缘涂层和通过喷涂聚丙烯的粉状粘合剂可以作为管道的内涂层。

关键词：聚丙烯；管道涂层

1.介绍

自从1957年聚丙烯被投入市场以来，由于它的通用性、高机械性能和低成本使它的使用量呈显著而稳定的增长;它的这些优势帮助它渗透进入了很多市场部门中，诸如汽车零部件（保险杠、仪表盘等）、包装业、家具、电器、纤维和消费产品。今天聚丙烯的全球生产量为1200万吨/年，可它仍被看作是一个“年轻”的材料。聚丙烯商业上的成功是基于两个关键因素：（1）它的优秀的内在特性；（2）先进的生产工艺的多功能性可以定制出符合市场需求的产品。此外，从它的产生到制成产品再到使用过后的废弃产品，聚丙烯都是对环境无害的。由于它的本质是纯粹的，所以聚丙烯是无毒和无污染的特性使它特别适合食品接触。工厂设备生产它时是不会有任何废气和废水的排放并且能耗低。聚丙烯废料可以很容易地焚烧而不产生有毒气体和留下灰烬，同时可以提供很高的热能。聚丙烯还可以回收再利用成为“二次利用”的产品。自从80年代聚丙烯共聚物被引入防腐涂层市场以来，它主要运用到其他涂层材料难以适应的管道中，比如高温运行的管道。

2.三层聚丙烯涂层

2.1技术

涂料是由环氧树脂薄层、改性聚丙烯共聚物和聚丙烯组成。环氧树脂层的内表面与金属的氧化物相互连结并且它的外表面通过极性集团和中间层的聚丙烯整体连接起来。中间层和外层是完全兼容的；上述关系在涂层与电阻之间提供了良好的附着力来阻止阴极剥离。图一从化学的角度展示了三层系统，图二是生产布置示意图。图二中也可以使用不同的设计，例如，用火焰加热管道；使用液态环氧树脂；应用粉末状的聚丙烯粘合剂；用十字头挤压代替横向挤压等等。

图1.三层环氧/聚丙烯涂层的键合力图

图2.三层环氧/聚丙烯的制造图

值得提到的是聚丙烯可以使用标准的聚烯烃挤压机来加工，这点和中、高密度聚乙烯相比较而言，它可以获得更高的生产率。

2.2 性能

表面三层环氧聚丙烯涂层技术把环氧树脂的优点（优良的粘附力、高阴极剥离保护和极优的界面属性）和聚丙烯的杰出的机械性能、高耐化学性、低水渗透性和宽的操作温度范围结合了起来。

在过去，沥青涂料被广泛地用作管道外表面涂料。这些防护材料很容易应用，但是它们高温易软化、低温易脆化，而且在操作和运输过程中容易损坏。如今，由于它们卓越的性能，聚丙烯和环氧树脂在提供更好的防腐材料过程中扮演着重要的角色。这两种材料各自存在的一些缺点可能会减少他们的应用范围。环氧底漆本质上是硬脆材料，在高温下极易吸收水分。由于这些原因最好是在干燥的环境中使用环氧涂层保护管道，同时在所有情况下都必须谨慎地处理。聚乙烯承受的最高温度是70°C；在储存 、操作和安装的过程中可能会使涂层损坏，尤其是在炎热地区；而且在温度升高时，聚乙烯的抗缩进和冲击性的能力不强。

表1，2和3分析比较了用于防腐涂层的四种材料的性能，包括在存储、运输和敷设过程中涂层的机械性能、抗蚀性能和抗老化性能。

表一.防腐涂层在运输、操作和敷设过程的比较

表二.防腐涂层的比较：防腐蚀性

表三.防腐涂层的比较：工作性能

因为三层聚丙烯系统在涂层与钢铁之间获得了很强的吸附力，所以剥离通常会100°C时发生。通过选择合适的聚丙烯共聚物可以在高温和低温下提供很好的耐冲击性。聚丙烯涂层甚至在100°C时都有很高的抗缩进性能，所以外部不需要任何的保护层；因此，管道由于堆放在炎热地区而引起的质量问题会大幅度减少。

图3~5展示了和聚乙烯涂层相比，聚丙烯的剥离性、抗冲击性和抗缩进性随温度的变化。我们可以使用一个合适的热稳定器包裹聚丙烯涂层，这样它就可以承受持续高温工作。为了测定这个高热稳定涂层的寿命，它需要被放置在一个通加压气流的150°C的烤箱里进行老化测试；根据阿伦尼乌斯方程获得的数据如图6所示

图三.剥离试验

图四.耐冲击测试

图五.压痕试验

图六.高热稳定PP的外推值

管道在常温运行的情况下，只需要一个标准的稳定器包裹，涂层就可以拥有超过30年的使用寿命。由于涂层管道在敷设之前都是在室外放置，所以紫外线的稳定是很有必要的；如果预计连续使用的温度过高，建议减少直接日晒时间（我们推荐不超过6个月）或者给管道涂漆层，也可以采取其他紫外线屏蔽措施。聚丙烯不会像聚乙烯一样受环境应力的影响而开裂。聚丙烯涂层有着很低的吸水率，所以增加了随着时间推移的涂层的可靠性，尤其是在海底管线的情况下；图七显示了聚丙烯和标准的环氧树脂在不同温度下的吸水率。图八则介绍了不同防腐涂料工作温度的范围；运用聚丙烯涂料，在某些情况下是可以解决高温液体输送的这一难题（温度可达150°C）。

2.3.维修

由于聚丙烯涂层有着出色的机械性能，所以在运输、存储、处理与安装上通常是不会受到损坏。面对已经受损的涂层，我们也可以选择实用的手段去进行有效的恢复。如果金属表面是掩蔽的或者暴露面积很小，那么可以使用聚丙烯热熔贴。对于涂层主要的损害，根据不同的工作温度有两种技术去修复：

（i）对于在室温下的管道采用底漆、涂上丁胶的聚丙烯胶带和一层聚丙烯保护膜进行修复；

（ii）对于工作温度高达120°C的管线采用底漆、聚丙烯挤压胶或者聚丙烯共挤多层膜/运用感应加热的聚丙烯外涂层。

2.4.安装接头

焊接接头在安装期间必须在现场有实用和有效的措施来对它进行长期有效的保护。根据管线的运行温度范围采取不同的方法应对。处于标准操作温度下的管线可以使用聚丙烯胶带。在感应加热下高温运行中的管线则运用环氧底漆、聚丙烯挤压胶或者聚丙烯共挤多层膜/运用感应加热的聚丙烯外涂层。

2.5.规范、标准和制定历史

1988年12月腐蚀与保护委员会认证通过了挤压应用的聚丙烯涂料作为钢管的外防腐层的这一建议。接下来腐蚀与保护委员会下发的文件、工业水平上的试验与通过涂料主要测试后国家制定的标准一同表明了聚丙烯涂层的推广应用的现实性。下面这些是已经发布的国家标准：DIN 30678(1992.10)、法国标准NFA 49-711(1992.11)和NF A 49-721(1993.9)。最后一个标准介绍了一种两层的聚丙烯涂层：环氧树脂与聚丙烯粘合层。

在UNI规范E16.14.304.0中聚丙烯涂料获得了批准并在数月后发布这一规范；而且对于三层聚丙烯涂料的欧洲标准正在研究中。不同的公司有他们自己的聚丙烯涂料的规范，如斯拉木、意大利石油总公司、挪威国家石油公司、法国燃气公司、埃尔夫阿奎坦公司、道达尔公司、布朗路特公司、柏克德公司和福斯特惠勒公司。

表4和表5列出了一些在常温和高温下运行的中重要的管道采取三层聚丙烯涂料的例子。

图8.服务的温度范围

表4.采用聚丙烯涂料的常温运行管道

表5. 运用聚丙烯涂料的高温条件下工作的管道

这个新的热绝缘和防腐蚀涂料的优势是基于聚丙烯涂料的工艺技术：

a.生产出热绝缘和防腐蚀涂料并且拥有好的机械性能是依靠一个连续的挤压工艺。

b.好的加工性能确保了高的生产率。

c.低吸水率和高抗压强度（高温下也是如此）保证了持续的热绝缘性。

d.和海水不会相互作用和高的热稳定性提高了涂层的使用寿命。

e.优良的弹性可以允许采用卷盘驳船铺设。

表6显示了这个涂料的机械和抗热疲劳性能，它可以允许在深水中使用并且可以运输从井里出来的高温液体。为了满足绝缘的要求，需要从工程公司了解单位面积上的热损失（传热），从而选择合适的厚度。图9显示了不同直径的管道的绝缘厚度和传热的关系，同时考虑到涂层热导率为0.16w/mk.A的量身定制的保护系统也正在研究中；它预计要使用一个感应加热的泡沫状的聚丙烯外壳。

4.聚丙烯粉末

粉末状的粘性聚丙烯系列已经应用到了防腐涂料里。这些粉末可以在液化层或者静电喷雾技术中得到应用。实际上聚丙烯粉末在防腐蚀方面已经用于保护不同类型的金属了。在管道领域里，下面介绍一些突出的应用：

a.小直径管道的涂层中作为粘合剂存在；

b.聚丙烯涂层管道的维修与接头处的保护；

c.作为管道的内部涂层。

表7列出了聚丙烯和环氧底漆用于一个喷砂的钢管的涂层后它所获得的性能。聚丙烯粉末是食品级的，这意味着它符合下列国家对于食品的法律法规、推荐规范或者行规：比利时、丹麦、法国、德国、希腊、意大利、爱尔兰、卢森堡、葡萄牙、荷兰、英国、西班牙和美国;而且它在水设施上的应用使被KIWA（荷兰关于供水系统化学和材料方面的卫生委员会毒性小组秘书处）允许。当管道存在着漏洞和接触腐蚀性液体的情况下，为了预测作为管道内涂层的性能进行了加速测试。不同的涂层厚度（200-480mu;m）和不同形状的缺陷（直线型、十字形、星型）在实验里进行评估。钢盘在视作自发的电压为 120mv下作为被极化的阳极，使用被硫酸酸化的蒸馏水作为电解质；它被产生的气泡中的氧气不断地渗透。测试的时间是75天，相对应的是超过在标准操作条件下的两年时间，而且涂层剥离长度在高涂层厚度和涂层缺陷是直线型的情况下的范围是0.8-2.1mm。

5.加重的涂层

近海海底大直径管道通常有一个负浮力。为了使海底管线处于海床上，需要在防腐蚀涂层上应用一层厚的混凝土。另一种解决方案是运用合适厚度的填充聚丙烯作为防腐涂层。因此可以使用一步法持续技术来为不同型号的管道制作加重涂层来防腐；而且涂层可以承受弯曲操作（不需要开槽），还拥有好的抗冲击性和低的吸水率。主要用于加重涂料的生产的材料的性能如表8所示。

表8.加重聚丙烯涂层的性能

6.结论

尽管聚丙烯最近才引入防腐涂料市场，但由于工程公司已经实践证实了即使是恶劣环境中，涂层系统仍具有高效性加上它的易加工性和制造和敷设公司认证的由于杰出的机械性能而造成的低损坏使它的使用量显著增长。基于聚丙烯材料的一个很广的使用范围，在市场上出现了新的涂层系统比如：泡沫状的涂料、粉末状的涂料、加重的涂料和对于接头涂层的有创意的方法也提出了很多。聚丙烯最近在外套立管和水平钻孔管道得到成功地应用证明了此种材料有多功能性和解决更多挑战的可能性。

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