聚脲涂料在长输管道上应用的可能性_刘小平

长输管道施工建设过程中管道焊接后吊装下沟时发生的 弯曲而根据管径不同制定的低温抗弯曲指标项，管道运 输、回填时会造成的碰撞损伤而确定的涂层抗冲击项、管 道穿越时易发生刮擦、磨损而确定的涂层抗划伤性和耐磨 性等。从这些性能来看，无论环氧粉末涂层、三层结构还 是聚脲涂料， 都具有很好的性能， 但按涂层厚度来算的话， 三层聚乙烯具有最高的抗冲击值，而喷涂聚脲防护涂料的 14.7 J 的最小抗冲击值也非常优异。
图 3 聚脲涂层(白)和环氧粉末涂层(绿)阴极剥离比较图 图 2 聚脲涂层(白)和环氧粉末涂层(绿)的热水附着力图
了研究，探讨了聚脲涂料在金属上的阴极剥离机理，分析 了金属表面、聚脲/金属界面附着力、聚脲涂料配方对聚脲 涂层的耐阴极剥离性能的影响，文中提供的不同配方的阴 极剥离数据为大于等于25 mm、20 mm和14.5 mm。孙晶[3] 等人研制的低温管道TPUA改性聚脲补口涂料的不同配方 的阴极剥离数据分别为大于等于20 mm、18 mm和4.1mm。
合格
环氧树脂/辐射交联 管体相同聚脲材料 聚乙烯套(带)
对这几个标准进行比较可见，从涂层使用温度范围来 看， 环氧粉末涂层和聚脲涂层均能在从-30 ℃或-25 ℃到 100 ℃范围内的土壤腐蚀环境中正常使用，而三层结构聚 乙烯的防腐涂层最高使用温度为 70 ℃。 从涂层厚度来看， 除两个环氧粉末涂层外，其余 3 种涂层厚度均在 1 mm 以 上，应该被划分为厚涂层的范畴。 管道涂层标准的通用项目之一为涂层的机械物理性 能，即关心管道建设过程可能会碰到的实际情况，如考虑
-1
1~2 级 [(75±3)℃，24 h] ≤8 [1.5 V，(20±3)℃] ≤6
环氧涂层≤2 级 [(75±3)℃，48 h] ≤12 (3 V，21~25 ℃) ≤8 ≥25 ≥25 Ω・m 合格 无锈蚀、不起 泡、脱落 ≤15 ≥25
Ω・m
≥1×10
13
合格 管体相同的环氧粉末涂料 管体相同的环氧粉末涂料
1 现行管道防腐涂层标准解读
有关熔结环氧粉末和三层结构管道防腐涂层的标准
表 1 管道防腐涂层的主要性能指标要求
单层熔结环氧粉末涂层 适用范围 试验涂层厚度 抗弯曲 抗冲击 30 kg 耐划伤性 耐磨 ≥3 L/μm 落砂法 双层熔结环氧粉末涂层 三层结构防腐涂层 钢质管道聚脲涂层 聚脲防护涂料 工作温度为-30～100 ℃ 工作温度为-30～100 ℃ 长 期 工 作 温 度 不 超 工 作 温 度 为 -25 ～ 的埋地或水下管道设施 的埋地或水下管道设施 过 70 ℃的埋地管道 100 ℃的埋地管道 300~400 μm 无裂纹 [(-30±3)℃，3° ] 1.5 J 无漏点 [(-30±3)℃] 620~800 μm 无裂纹 [(-30±3)℃，2° ] 10 J 无漏点 [(23±2)℃] 划伤深度≤350 μm 无漏点 ≤100 mg (1 kg，1 000 转) 剥离强度≥100 N/cm ≥10 MPa(拉开法) [(20±5)℃] 剥离强度≥70 N/cm 剥离强度≥70 N/cm (未具体说明温度) [(50±5)℃] 1~3 级 [(75±3)℃，24 h] ≤8.5 [1.5 V，(20±3)℃] ≤6.5 ≥30 ≥1×10
[4] 朱杰 等人在《刚性聚脲在金属管道上的应用》一文给出
的聚脲涂层阴极剥离数据为5 mm。 以上数据均为65 ℃、48 d阴极剥离数据，但在新颁 布的《GB/T 23257—2009埋地钢质管道聚乙烯防腐层》标 准中，在保留《SY/T 0413—2002埋地钢质管道聚乙烯防腐 层技术标准》中的大部分指标要求的同时，增加了环氧粉 末底漆65 ℃、30 d阴极剥离小于15 mm的指标项，而对于 整个防腐层来说，增加了最高使用温度下30 d阴极剥离小 于15 mm的指标项，另外对48 h阴极剥离指标也从8 mm降 低为6 mm。在此之后出现的各管道工程设计规格书中，几 近全部出现了65 ℃、30 d阴极剥离项目要求。此时，环氧 粉末涂层与聚天门冬氨酸酯聚脲涂料的阴极剥离效果见 图4。 从图4可见，粉末涂层的阴极剥离值为11.8 mm，满足 标准要求，而天门冬氨酸酯聚脲涂层的阴极剥离值为20.7 mm，远远超过15 mm的标准要求值。喷涂聚脲涂料则未见 资料报道。可见，在新标准下，聚脲涂料的耐高温长期阴 极剥离指标将成为其成为长输管道防腐涂料的一大难题。
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(8) 可采用同种材料进行现场补口，补口搭接处附着 力、密封性好； (9) 新的聚天门冬氨酸酯聚脲涂料具有可调的固化速 度和优异的耐候性； 聚脲是解决之道吗？
有《SY/T 0315—2005 钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层 技术规范》 ， 《Q/CNPC 38—2002 埋地钢质管道双层熔结环 氧粉末外涂层技术规范》 ， 《SY/T 0413—2002 埋地钢质管 道聚乙烯防腐层技术标准》 ，有关聚脲防护涂层的标准有 《HG/T 3831—2006 喷涂聚脲防护材料》和《Q/CNPC-GD 0273—2006 钢质管道聚脲涂层技术规范》 ，对管道涂层的 总体技术要求如表 1。
2 聚脲管道涂料和环氧管道涂料的实际性 能对比
综上所述，聚脲涂料和环氧粉末涂料，三层聚乙烯结 构管道涂料在机械物理性能、电性能、耐化学品性方面差 别不大，主要差别有可能出现在热水附着力和抗阴极剥离 性能方面，因此将粉末环氧涂料和聚天门冬氨酸酯聚脲涂 料在 300~500 μm 的涂层厚度下进行了实验比较，如图 2 所示，从图 2 中可看出，75 ℃热水附着力方面，聚天门 冬氨酸酯聚脲涂料也表现出了很好的性能，虽然在热水中 涂层表现出了变软现象，但撬剥法附着力仍然为 1 级。 而 48 h 阴极剥离指标，如图 3，两种涂层差别却比较 明显，虽然聚天门冬氨酸酯聚脲涂料符合聚脲防护涂料抗 阴极剥离小于 15 mm 的技术要求，但是 10.9 mm 的结果比 起环氧粉末涂料的 3.4 mm 显然有点偏大。 李荣光 等人对喷涂聚脲涂层的耐阴极剥离性能进行
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管道涂层的另一通用项目为涂层附着力项，在这一点 上，聚脲和三层结构都设立了拉开法附着力项或剥离项， 指标值也都不低。由于环氧粉末涂层在常温干态情况下的 附着力优异，正常施工的涂层拉开法附着力基本在 10 MPa 以上， 撬剥法附着力测试也很难撬开， 因此常规的拉开法、 划格法等附着力项目并没有体现在标准中，出现的是热水 浸泡后的湿附着力。考虑到埋地管道涂层运行的环境和温 度范围，这样的考虑是非常必要的，因此，作为管道聚脲 涂层来说，热水附着力指标应该予以考虑。 另外，由于长输管道涂层多和阴极保护联用，因此管 道涂层指标设计更看重涂层的抗阴极剥离性能，从而设置 了短期、中期的抗阴极剥离项目，并考虑到长输管道的使 用工作温度从而设置了高温阴极剥离项目。从指标设置上 来看，显然环氧涂层的抗阴极剥离指标较高，常温 28 d 阴极剥离最大为 8.5 mm，而高温 48 h 阴极剥离最大为 6.5 mm，而相比于环氧涂层来说，聚脲涂层的指标显得较为宽 松，分别是 12 mm 和 15 mm。 由于长输油气埋地管道均采用阴极保护技术，因此考 虑阴极保护的效率和电流需求量而设置了涂层的绝缘强 度、体积电阻率等电性能指标项。从这方面来说，几种涂 料都表现出了较好的绝缘强度，都在 25 MV/m 以上。 作为埋地管道涂料，耐化学品性也是少不了的指标 项，几种涂料耐化学品性也都能令人满意。 从管道防腐蚀质量的统一性来说，补口材料同样是需 要重点考虑的内容，补口材料现场施工的简便程度，质量 可靠程度也是选择防腐蚀材料的重要因素。
解读和对比， 对聚脲和环氧粉末涂层的耐阴极剥离 性能进行了展示和比较， 提出了环氧粉末涂层作为 底层，聚脲涂料作为面层的新的埋地管道涂层结 构，并对这种结构的层间附着力，抗阴极剥离性能 进行了试验， 提出了这种新结构在长输管道上应用 的可能性。 关键词：管道涂料；聚脲涂料；阴极剥离 图 1 管道三层聚乙烯涂装结构示意图
[2]
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由拉开法附着力数据来看，聚脲涂层和环氧粉末具有 优异的附着力，拉开法附着力平均值为15.52 MPa，破坏形 式为环氧胶粘剂内聚破坏，说明聚脲涂料和环氧粉末涂料 具有优异的层间附着力。 从65 ℃、 30 d阴极剥离数据来看， 这种复合结构也表现出了优异的性能， 阴极剥离数据为8.2 mm，满足严苛标准的要求。 从涂层补口材料和技术来看，三层聚乙烯涂层推荐环
喷涂聚脲技术来源于 1970 年的聚氨酯、聚脲弹性体 的反应注射成型，后来该项技术与材料被扩展到涂装领 域，利用其瞬间固化，快速反应的特点成为一种新型的涂 料种类。在防水、防腐、耐磨、海洋及海岸设施、高铁、 地坪等方面得到了广泛的应用，国内也制定了相应的如 HG/T 3831—2006 喷涂聚脲防护涂料、GB/T 23446—2009 喷涂聚脲防水涂料等产品标准。而后来出现的聚天门冬氨 酸酯聚脲涂料则在耐候性、附着力方面有了进一步提高， 使用期也具有了选择的可能性。 聚脲涂料应用在管道上的技术优点主要包括如下几 方面： (1) 100%固含量，无有机溶剂挥发，符合环保要求； (2) 快速固化，几秒胶凝，管道连续喷涂不流淌，适 合流水作业线施工； (3) 可厚涂，涂层致密无接缝，焊缝影响程度小； (4) 力学强度高，搬运、吊装、运输、回填过程中不 易损伤； (5) 优异的耐化学品学品性； (6) 可以低温固化，施工温度范围宽； (7) 介电强度高；
引起了严重的管道腐蚀，所以，三层结构还有效吗？
0 引言
利用埋地管道对油气资源进行长距离的输送被认为 是一种经济可靠的运输方式，它具有汽车、火车、船运等 方式不可比拟的优点。而为了保证埋地管道的长期安全运 行，利用涂层与阴极保护技术对其进行防护是一种必要且 可行的方案。从管道涂层的发展历史来看，先后经历过石 油沥青、煤焦油瓷漆、聚乙烯缠带、熔结环氧粉末(FBE) 和三层聚乙烯(PE)为主的防腐涂层结构。其中的熔结环氧 粉末和三层聚乙烯涂层成为新世纪以来应用最为广泛的 长距离埋地管道防腐涂层。而我国自西气东输工程以来， 三层结构逐渐成为长输管道防腐涂层的首选。 三层聚乙烯的防腐涂层结构是指以熔结环氧粉末作 为底层，胶粘剂作为中间层，挤出聚乙烯作为最外层的管 道涂层防腐结构。由于这种涂层结构结合了熔结环氧粉末 和聚乙烯涂层的优点，因此具有优异的抗冲击性、电绝缘 性、耐候性和抗阴极剥离性，图 1 为涂层结构示意图。 但是在过去的 15 年中，发现了三层结构涂层有大面 积剥离的现象[1]和补口涂层严重剥离而完全失效的案例， 且失效涂层的强电绝缘性屏蔽了管道阴极保护电流，因此
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聚脲涂料在长输管道上 应用的可能性
Application Possibility of Polyurea Coatings for Lony-Distance Pipeline
刘小平，郑超(北京碧海舟腐蚀防护工业股份有限公司，北京 100029)
摘
要： 对几种管道防腐蚀涂料的技术标准进行了
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1.8~3 mm
≥1 mm
1~2 mm
聚乙烯无开裂 无剥离、无开裂 [(-30±3)℃，2.5° ] [(-30±3)℃，2.5° ] ≥8 J [(23±2)℃] ≥7 J [(23±2)℃] ≥14.7 J [(23±2)℃]
≥8 MPa (拉开法)
附着性能
热水附着力 28 d 阴极剥离/mm 48 h 阴极剥离/mm [1.5 V， (65±3)℃] 电气强度/(MV・ m ) 体积电阻率 耐化学腐蚀 补口材料推荐