耐高溫內防腐熱力管道性能研究*

畢宗岳1,2,黃曉輝1,2,丁武斌3,郭穎悟4,楊耀彬1,2,席敏敏1,2

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心,陜西 寶雞 721008;2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院,陜西 寶雞 721008;3.上海海隆賽能新材料有限公司,上海 200949;4.鄭州市熱力總公司,鄭州 450000)

摘 要:針對服役溫度達到100 ℃以上的熱力管道腐蝕問題,研究了管道運行工況和腐蝕機理,在此基礎上采用一種新型的耐高溫涂料,開發出一種耐高溫內防腐熱力管道,并對其防腐層附著力、耐化學腐蝕性、耐高溫高壓等性能進行了對比試驗。結果表明,這種耐高溫內防腐熱力管道具有良好的光潔致密性,涂層與基材結合緊密,附著力超過7 MPa;試樣在10%H2SO4 溶液、10%NaOH 溶液以及3%NaCl 溶液浸泡720 h 均未發生起泡,表面光亮;涂層玻璃轉化溫度達到142.78 ℃、熱分解起適溫度達到319.4 ℃條件時,仍具有良好的熱穩定性。開發的耐高溫內防腐熱力管道,在國內首次批量應用于某供熱系統,為高溫熱力管道內防腐提供了新的解決方案。

關鍵詞:熱力管道;內防腐;耐高溫高壓;附著力

0 前 言

熱力管線是城市供熱系統的重要組成部分,主要輸送高溫高壓水及蒸汽[1]。目前熱力管道外保溫大部分采用硬質聚乙烯外管,聚氨酯中間層附著在鋼管外壁,起到保溫和外防腐作用。而鋼管內壁由于采用普通防腐涂料耐高溫等性能差,一般都未作防腐保護,所以熱力管道腐蝕失效問題日益嚴重[2-5]。當熱水管網受到腐蝕后,鋼管內壁粗糙度增加,水質受到污染且流通受阻,腐蝕產生的沉淀物會加速腐蝕,輕者使鋼管壁厚減薄,承壓能力降低,重者使鋼管穿孔失效而頻頻爆裂,有時溢出水溫高達100 ℃,傷人損物不斷,嚴重影響現代城市經濟和社會的發展。

本研究采用新研發的耐高溫內防腐涂料和熱力鋼管內壁防腐制造新工藝,在國內首次開發出耐高溫內防腐熱力管道,并已批量應用于國內某城市熱力管線中。耐高溫內防腐熱力管道的開發,一方面在設計熱力管道壁厚時省掉鋼管的腐蝕余量,可降低鋼管壁厚設計[6];另一方面,保護熱力管道內壁不受熱水介質腐蝕,改善管內水質,提高內壁光潔度,減阻并延長熱力管道運行壽命,使城市供熱管網更加安全有效地運行。

1 熱力管道腐蝕機理

1.1 熱力管道工況

熱力管道連續且季節性運行,冷熱沖擊,干濕交替,管道一般設計最高供水溫度為130 ℃,實際供水溫度一般小于120 ℃,供水壓力小于4 MPa,水質為處理后的軟化水,水流速 1~3 m/s。在冬季供暖期內,由于水的溫度差異,高溫供水管道的腐蝕速率大于散熱后的回水管道。特別是在非供暖期內,管道被排空水時,管道內壁殘留的水分和污垢雜質等會導致空載的管道內壁腐蝕速率遠遠超過供暖期,加速了管道腐蝕速率,縮短了管道運行壽命。

1.2 熱力管道腐蝕形貌和特征

供暖期結束后管道內壁表面腐蝕形貌如圖1所示,鋼管內壁表面主要存在大量鐵銹腐蝕產物,部分區域腐蝕層已被沖刷掉,露出鋼管基材,管道內壁粗糙凹凸不平,銹蝕層厚度高達1.5~2 mm。

圖1 供熱管道內壁腐蝕形貌

熱水管道內壁腐蝕復雜,受水及許多污垢雜質的沖刷腐蝕,受氧化等多元化腐蝕。水溫也是管網腐蝕的重要因素,溫度越高,腐蝕的速率越快,一般情況下,溫度每提高 10 ℃,腐蝕速度加快1 倍[7]。水溫的變化不僅改變了反應活化能,也影響了管道內壁水的含氧量。圖2 為溶解氧和溫度對碳鋼腐蝕速率的影響,由圖2 可見,溫度相同,隨著溶解氧升高,碳鋼腐蝕速率極速增長;溶解氧相同,隨著溫度升高,碳鋼腐蝕速率線性增長[7-9]。在供暖期,鋼管內充滿水,軟化水的含氧量受控,在一定的高溫和溫度差下,管道內壁主要遭受介質沖刷腐蝕和鋼管基材引起的電化學腐蝕;在非供暖期,管內直接與大氣接觸,管道內壁氧濃度大,接觸范圍廣,腐蝕速率加快,比供暖期進一步增加,因為管道停用期的流動氧使鋼管內壁水膜、水滴下存在大量活躍的腐蝕電池反應[1]

圖2 溶解氧和溫度對碳鋼腐蝕速率的影響

2 耐高溫內防腐涂層試驗

2.1 原料及試樣

耐高溫內防腐涂料是一種以環氧改性的耐高溫酚醛樹脂為主要成膜基料,加入不同比例的耐熱顏填料、環氧硅烷偶聯劑、磷酸脂偶聯劑、耐熱有機硅、特種添加劑等制備而成,既可雙組分常溫固化,也可單組分烘烤固化[10-13]

試樣以普通碳鋼為基材,沖砂至Sa2.5 級,表面粗糙度為50~60 μm,分別采用多種工藝配方的原料,采用無氣噴涂制成涂層干膜厚度200~500 μm 膜厚的試樣,參照相關規范和標準進行工藝試驗。

2.2 涂層性能

2.2.1 附著力及彎曲試驗

有機涂層的起泡、脫落以及腐蝕均起因于涂層濕附著力的破壞,為了提高涂層與基材的濕附著力,在配方中加入了環氧硅烷偶聯劑和磷酸脂偶聯劑附著力促進劑[14]。多種不同配方的原料掛片經過一個熱力管道供暖期后,依據GB/T 5210—2006 要求,采用拉拔法測量附著力,所有配方試樣與基材均有很高的附著力,所有試樣附著力測試結果為8.2~16.9 MPa,遠高于美國水工協會標準5.5 MPa 要求,表明涂層與基材有較高的結合力。

采用SY/T 0315—2003 標準要求,對所有配方試樣在常溫下進行1.5°彎曲試驗,所有試樣彎曲部位均無任何裂紋和掉落。表明涂層具有良好的力學性能。

2.2.2 耐化學品試驗

熱力管道水環境具有復雜多樣性,對優選附著力高的涂料配方掛片進行耐化學品浸泡試驗,試驗后試樣形貌如圖 3 所示。依據GB/T 9274—1988 要求,耐酸性試驗的浸泡溶液為10%H2SO4,耐堿性試驗浸泡溶液為10%NaOH,耐鹽性試驗浸泡溶液為3%NaCl,耐酸、耐堿、耐鹽試驗分別在25 ℃下均浸泡720 h。觀察試驗浸泡后的試樣形貌,可見所有涂層均未起泡、脫落,試樣表面光亮,表明這種耐高溫內防腐涂料具有一定的耐酸、耐堿及耐鹽能力。

依據 GB/T 1771—2007 要求,對涂層掛片進行鹽霧試驗,試驗后樣品形貌如圖4 所示。在 35 ℃鹽霧箱中,配置好 5%NaCl 溶液,經過1 000 h 動態鹽霧噴沖后,試樣形貌如圖 4(a)所示,涂層表面略失光澤,但是所有涂層均無鼓泡、開裂和脫落。為了進一步檢驗涂層在NaCl溶液中耐蝕性,對涂層掛片表面劃格后,進行了 1 000 h 的鹽霧試驗,試樣形貌如圖 4(b)所示,劃格區周邊也未見起邊、開裂及銹蝕等缺陷。

圖3 耐化學品試驗后試樣形貌

圖4 鹽霧試驗后試樣形貌

2.2.3 耐高溫高壓試驗

依據GB/T 1735—1989 要求,對涂層進行熱循環測試,設定試驗溫度200 ℃,對掛片持續加熱16 h 后自然冷卻 8 h,反復 10 個周期后,觀察掛片涂層。結果表明,涂層表面完好,未見起泡、開裂等,測量涂層附著力高達8.4 MPa,高于標準要求。同時,在恒溫水槽中進行水煮試驗,采用去離子水,設定試驗溫度95 ℃,對掛片持續加熱1 000 h 進行高溫水煮,試驗后試樣形貌如圖5所示。涂層完好,除包邊不嚴導致包邊處銹蝕外,1 組3 個試樣的涂層均未出現鼓泡、開裂和銹蝕現象,水煮試驗后測得涂層附著力高達8.5 MPa。

圖5 高溫水煮試驗后試樣形貌

依據 SY/T 0442—2010 標準要求,采用CC450XP 高溫高壓釜,在 3%NaCl 溶液中,在200 ℃和10 MPa 壓力下對涂層掛片進行高溫高壓試驗,釜內水流速1.5 m/s,經過168 h 后涂層表面未發生變化。反復3 個周期試驗,所有掛片涂層均完好無變化,沒有出現生銹、起泡、開裂及脫落等現象,高溫高壓模擬試驗后測得涂層附著力高達8.1 MPa,表現出較高的結合力。

上述耐高溫、高壓試驗結果表明,涂層在100 ℃以上的高溫條件下與基材有較高的附著力,涂層未發生鼓泡、起裂等損壞情況,可適應于熱力管道服役環境。

2.3 涂層的微觀組織

對耐高溫內防腐涂層試樣的表面和斷面分別噴鉑金后,采用掃描電鏡(SEM)觀察涂層的表面和斷面組織形貌如圖6 所示。圖6(a)為涂層表面SEM 形貌,在放大500 倍下,可見涂層表面致密、均勻,無流淌、橘皮及漏點;圖6(b)為涂層/基體結合面 SEM 形貌,放大 30 倍,發現涂層斷面與鋼基體表面結合緊密,表明涂層和基材有較好的結合力;圖6(c)為涂層斷面SEM 形貌,放大 500 倍觀察斷面,雖然存在少量不規則小縮孔,但斷面仍然致密、均勻。圖7為噴鉑金后的涂層表面激光掃描圖,可見涂層表面平整、致密。表面紅線掃描得到的波峰(淺黃色)和波谷(藍色)高低僅差 9.8 μm,表明涂層表面光滑、致密。相比原鋼管表面的粗糙度極大降低,具有類似“荷葉效應” 的疏水流通和減阻效果,提高了供熱輸送效率。

圖6 噴鉑金后的試樣涂層表面及斷面微觀形貌

圖6 噴鉑金后的涂層表面激光掃描圖

2.4 涂層材料的耐熱試驗

采用差示掃描量熱儀(DSC)對試樣進行檢測,檢測結果如圖8 所示。涂層材料的玻璃化轉變溫度達到142.78 ℃,高于熱力管道實際運行溫度。對試樣進行熱重分析(TGA)測試,測試結果如圖9 所示,涂層的熱分解起始溫度達到319.4 ℃,表明該涂層在高溫條件下仍具有良好的熱穩定性,高于熱力管道實際運行溫度。

圖8 試樣涂層DSC 測試結果

圖9 試樣涂層TGA 測試圖

3 耐高溫內防腐熱力管道試制及應用

3.1 試制工藝

耐高溫內防腐熱力管道防腐涂層主要采用噴涂、成膜及固化工藝制成。先將基料和固化劑分別進行預熱,對鋼管除銹等級Sa2.5,錨紋深度40~70 μm,除去所有鋼管表面的灰塵、碎渣及砂粒。采用高壓無氣噴涂泵,噴涂時保持鋼管表面溫度在10 ℃以上,且表面溫度高于露點溫度3 ℃以上,相對濕度≤85%。噴涂速度為2~4 m/min,噴涂槍嘴壓力約 30 MPa,噴槍距管內壁 300~500 mm,依據干膜厚度要求控制濕膜厚度450~750 μm,噴涂結束后進行固化處理,固化溫度控制在40~70 ℃。

3.2 產品性能

對耐高溫內防腐熱力鋼管進行檢測,涂層表面厚度均勻,光滑無缺陷,涂層性能檢測結果見表1[15]

表1 耐高溫內防腐熱力管涂層性能檢測結果

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3.3 產品應用

開發的耐高溫內防腐鋼管,目前已首次應用于國內某城市大直徑熱力管道,最高運行溫度實現了從80 ℃到130 ℃的突破。圖10 為未涂和已涂涂層熱力鋼管內壁腐蝕對比圖,圖中左側未涂鋼管和圖中右側已涂鋼管采用環焊連接,現場運行。采暖季后,有耐高溫內防腐涂層的熱力管道沒有被腐蝕,而無涂層的鋼管腐蝕嚴重,進一步證明了新技術制造的耐高溫內防腐熱力管道具有良好的力學性能、優異的耐化學品、耐水煮和濕態耐高溫高壓性能,現場應用效果良好,完全滿足熱力公司管道項目建設要求。

圖10 未涂涂層鋼管和已涂涂層鋼管腐蝕對比

4 結 論

(1)耐高溫內防腐涂料主要以改性耐高溫樹脂為主要成膜基料,加入耐熱顏填料、特種添加劑等制備,具有良好的附著力、優異的耐化學品、耐水煮、耐冷熱沖擊和耐濕態高溫高壓等性能。

(2)耐高溫內防腐熱力管道為熱力管線內防腐提供了新的解決方案,管道涂層致密、光滑,輸送的水質干凈不易受污染,涂層附著力均超過7 MPa,涂層的玻璃化轉變溫度達到142.78 ℃,可以實現熱力管道的長期安全運行服役。

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Study on Performance of High Temperature Resistant and Internal Anticorrosion and Thermal Pipeline

BI Zongyue1,2, HUANG Xiaohui1,2, DING Wubin3, GUO Yingwu4, YANG Yaobin1,2, XI Minmin1,2
(1.Chinese National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Gas Tubular Goods, Baoji 721008, Shaanxi,China; 2.Steel Pipe Research Institute, Baoji Petroleum Steel Pipe Co., Ltd., Baoji 721008, Shaanxi, China; 3.Shanghai Hilong Shine New Material Co., Ltd., Shanghai 200949, China; 4.Zhengzhou Heating Company, Zhengzhou 450000, China)

Abstract: In view of the corrosion problem of thermal pipeline with service temperature above 100 ℃, the operation condition and corrosion mechanism of pipeline were studied.A new high temperature resistant coating was adopted to develop a high temperature resistant internal anticorrosion thermal pipeline, and the adhesion, chemical corrosion resistance, high temperature and high pressure resistance of the anticorrosion coating were compared.The results showed that the high temperature resistant internal anticorrosion thermal pipeline has good smoothness and compactness, the coating is closely bonded with the base material, and the adhesion exceeds 7 MPa.The samples soaked in 10%H2SO4 solution, 10%NaOH solution and 3%NaCl solution for 720 h did not foam and the surface was bright.When the conversion temperature of coating glass reached 142.78 ℃and the suitable temperature for thermal decomposition reached 319.4 ℃, the coating transition still has good thermal stability.The thermal pipe with high temperature resistant and internal anticorrosion has been applied in a heating system for the first time in China, which provides a new solution for internal anticorrosion of high temperature resistant thermal pipe.

Key words: thermal pipeline; internal anticorrosion; high temperature and pressure resistance; adhesion

中圖分類號:TG174.2

文獻標識碼:A

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.006

*基金項目:國家重點研發計劃“低溫高壓服役條件下高強度管線用鋼” (項目編號2017YFB0304900)。

作者簡介:畢宗岳(1962—),男,博士,教授級高級工程師,主要從事新型管材開發技術研究工作。

收稿日期:2019-05-31

編輯:袁雪婷

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