一種搪瓷復(fù)合管的制造方法及耐蝕性檢測(cè)

畢文軍,姜姝,張溪明,肖坷

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué),沈陽(yáng)110142；2.遼河油田經(jīng)濟(jì)貿(mào)易置業(yè)總公司特石集輸站,盤錦124010）

目前我國(guó)已形成了十分龐大的油氣管道集輸網(wǎng),但油氣中大多含水分和一些腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì),使得輸油管網(wǎng)的管壁腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1-2］。為了能在最大程度上抑制腐蝕,減少事故的發(fā)生,必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?］。采用適當(dāng)?shù)墓艿婪栏g涂層能夠解決這一問題。

由于加工方便、成型良好等原因,目前國(guó)內(nèi)主要采用有機(jī)涂層進(jìn)行管道腐蝕防護(hù),但有機(jī)涂層材料都存在一些不足［4］。有機(jī)涂層涂敷在金屬表面后,一方面溶劑揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生很多針孔,另一方面高分子鏈結(jié)構(gòu)自身存在微間隙,這些都會(huì)給水、氧氣及其他腐蝕性離子形成擴(kuò)散通道,從而引發(fā)涂層下金屬界面上的腐蝕。而且,有機(jī)涂層耐冷性和耐熱性較差,容易老化,這樣就會(huì)縮短管道的使用壽命［5-6］。

無機(jī)非金屬材料以其耐蝕、耐磨、耐溫以及耐老化等方面的優(yōu)勢(shì)逐漸引起了人們的注意,世界各國(guó)均將無機(jī)非金屬?gòu)?fù)合防腐蝕管道作為重點(diǎn)研究課題［7-8］。搪瓷涂層是無機(jī)涂層的一種,搪瓷是金屬制品與無機(jī)材料經(jīng)過特殊工藝加工構(gòu)成的金屬-玻璃體復(fù)合材料［9］。據(jù)相關(guān)資料［10-12］顯示,搪瓷的綜合防護(hù)性能是其他材料所不能比擬的。它可以耐除氫氟酸外各種濃度的有機(jī)酸和無機(jī)酸,也可以耐各種鹽,用搪瓷對(duì)管道進(jìn)行防腐蝕,可以極大地提高管道的防腐蝕水平。

1 試驗(yàn)

1.1 搪瓷復(fù)合管的制備

由于搪瓷釉料軟化溫度高（＞800℃）,成型條件要求高,工件易變形,使得搪瓷復(fù)合管的加工難度大,成本高,成品率低,傳統(tǒng)的搪瓷工藝方法存在涂覆不均勻、機(jī)械化程度低、加工長(zhǎng)度受限等問題。在傳統(tǒng)的搪瓷涂搪工藝基礎(chǔ)上,研制了自動(dòng)化程度高的涂搪工藝設(shè)備,改進(jìn)了涂搪工藝方法,從而解決了這一系列問題。開發(fā)了一種吊燒天然氣加熱爐,保證了管道不變形,用于集輸?shù)某Ｒ?guī)管道均可加工成搪瓷復(fù)合管。

本工作開發(fā)了一種制造成本低、自動(dòng)化程度高的搪瓷復(fù)合管的制造方法：

（1）無機(jī)釉料的混磨 按釉料∶水＝5∶3質(zhì)量比將無機(jī)釉料和水放入球磨機(jī)內(nèi)混磨30min后,備用。

（2）表面處理 采用中頻加熱方式對(duì)鋼管內(nèi)外壁除油脫脂,鋼管內(nèi)壁經(jīng)噴砂（丸）處理達(dá)到噴射或拋射除銹的Sa3級(jí)或手工和動(dòng)力工具除銹的St3級(jí)要求。

（3）無機(jī)釉料的噴涂 采用無氣旋噴設(shè)備將步驟1制成的無機(jī)釉料噴至鋼管內(nèi)壁,通過搖勻裝置自動(dòng)控制鋼管搖擺、旋轉(zhuǎn)以調(diào)整內(nèi)壁無機(jī)釉料的表面質(zhì)量。

（4）低溫烘干 利用懸掛鉤將內(nèi)壁涂有無機(jī)釉料的鋼管懸掛在行走線上,利用天然氣燒成爐余溫對(duì)無機(jī)釉料進(jìn)行低溫烘干1～3h。

（5）燒成 將經(jīng)步驟4低溫烘干后的鋼管送入天然氣燒成爐內(nèi),經(jīng)800～900℃高溫?zé)?～20min后出爐。

（6）冷卻 室溫下自然冷卻。

重復(fù)（4）、（5）、（6）步驟。得到搪瓷涂層厚度為（200±20）μm的搪瓷復(fù)合管。

1.2 耐蝕性檢測(cè)

按有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和特定要求進(jìn)行試驗(yàn)來檢測(cè)搪瓷復(fù)合管的涂層結(jié)合性、耐油氣介質(zhì)適用性、耐酸性、耐堿性。

1.2.1 樣品制備

從生產(chǎn)的搪瓷復(fù)合管中隨機(jī)抽取四根,并切成12個(gè)方形作為本次試驗(yàn)的樣品,其中尺寸分別為40mm×40mm×10mm和40mm×10mm×3mm。樣品情況如表1所示。

表1 樣品情況Tab.1 Condition of samples

1.2.2 涂層結(jié)合性能試驗(yàn)

參考ASTM D 3359-2009e2,采用劃“×”法測(cè)試搪瓷涂層的附著力。標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種狀態(tài)供參考,其中5A級(jí)～3A為附著力可接受狀態(tài)。5A級(jí)：沒有脫落或脫皮；4A：沿刀痕有脫皮或脫落的痕跡；3A：刀痕兩邊都有缺口狀脫落達(dá)1.6mm；2A：刀痕兩邊都有缺口狀脫落達(dá)3.2mm；1A：膠帶下“×”區(qū)域內(nèi)大部分脫落；0A：脫落面積超過了“×”區(qū)域。

1.2.3 耐油氣介質(zhì)適用性試驗(yàn)

模擬油氣田現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)介質(zhì)環(huán)境（流速為1.0 m/s）,將三個(gè)平行試樣相互絕緣安裝在特制的試樣架上,置入高溫高壓釜后,確保浸入NaCl溶液液面以下。隨后通入各組分氣體,調(diào)整試驗(yàn)溫度開始試驗(yàn)。經(jīng)過一定的時(shí)間后,測(cè)試試樣的形貌變化、質(zhì)量變化及涂層附著力變化,以此表征樣品的耐油氣介質(zhì)適用性能。耐油氣介質(zhì)適用性評(píng)價(jià)條件見表2。

表2 搪瓷涂層樣品耐蝕性能試驗(yàn)環(huán)境Tab.2 Evaluation conditions of corrosion resistance of enamel coating samples

1.2.4 耐酸性能試驗(yàn)

參考BS 1344-3-1967,將掛片試樣浸泡在8%的硫酸溶液中168h（室溫）,測(cè)試樣品的質(zhì)量變化、形貌變化和附著力變化。

1.2.5 耐堿性能試驗(yàn)

參考GB/T 9988-1988,將掛片試樣浸泡在4%氫氧化鈉溶液中煮沸5h,測(cè)試樣品的質(zhì)量變化、形貌變化和附著力變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)合性能

依照1.2.2節(jié)要求對(duì)搪瓷涂層平整試樣進(jìn)行涂層附著力檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果見表3,試樣測(cè)試前后的表面形貌見圖1。

表3 涂層結(jié)合性能檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The test results of binding properties of coatings

圖1 搪瓷涂層平整試樣附著力試驗(yàn)前后表面形貌Fig.1 The surface morphology of the enamel coating coupon before（a）and after（b）the adhesion test

2.2 耐油氣介質(zhì)適用性

依照1.2.3節(jié)要求對(duì)搪瓷涂層掛片試樣進(jìn)行耐油氣介質(zhì)適用性評(píng)價(jià)。測(cè)試結(jié)果見表4,評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后掛片試樣的表面形貌見圖2。

表4 涂層耐油氣介質(zhì)適用性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The test results of oil and gas medium usability evaluation of coatings

圖2 搪瓷涂層掛片試樣耐油氣介質(zhì)適用性評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后表面形貌Fig.2 The surface morphology of the enamel coating coupons before（a）and after（b）the oil and gas medium usability evaluation test

搪瓷涂層掛片在模擬油氣田介質(zhì)（含H2S、CO2、Cl-）適用性評(píng)價(jià)后的重量基本無變化（表4）,涂層也并未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象（圖2）,試驗(yàn)后涂層附著力同樣均為5A級(jí),表明搪瓷復(fù)合管具有良好的油氣介質(zhì)適用性。

2.3 耐酸性能

依照1.2.4節(jié)要求對(duì)搪瓷涂層掛片試樣進(jìn)行耐酸性能檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果見表5,評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后掛片試樣的表面形貌見圖3。

表5 涂層耐酸性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 The test results of acid resistance

圖3 搪瓷涂層掛片試樣耐酸性能試驗(yàn)前后表面形貌Fig.3 The surface morphology of the enamel coating coupons before（a）and after（b）the acid resistance test

搪瓷涂層掛片在8%硫酸溶液中浸泡168h后的質(zhì)量基本無變化（表5）,涂層并未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象（圖3）,試驗(yàn)后涂層附著力同樣均為5A級(jí),表明搪瓷復(fù)合管具有良好的耐酸性能。

2.4 耐堿性能

依照1.2.5節(jié)要求對(duì)搪瓷涂層掛片試樣進(jìn)行耐堿性能檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果見表6,評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后掛片試樣的表面形貌見圖4。

表6 涂層耐堿性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 The test results of alkali resistance of coatings

搪瓷涂層掛片在4%氫氧化鈉溶液中煮沸5h后的質(zhì)量基本無變化（表6）,涂層并未發(fā)現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象（圖4）,試驗(yàn)后涂層附著力同樣均為5A級(jí),表明搪瓷復(fù)合管具有良好的耐堿性能。

圖4 搪瓷涂層掛片試樣耐堿性能試驗(yàn)前后表面形貌Fig.4 The surface morphology of the enamel coating coupons before（a）and after（b）the alkali resistance test

3 結(jié)論

（1）用于集輸管線內(nèi)防腐蝕的涂層有從無機(jī)到有機(jī)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

（2）本工作提供的搪瓷復(fù)合管制造方法解決了傳統(tǒng)搪瓷工藝方法中存在的涂覆不均勻、機(jī)械化程度低、加工長(zhǎng)度受限等問題。

（3）搪瓷涂層樣品耐油氣介質(zhì)適用性能評(píng)價(jià)、耐酸堿腐蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后的質(zhì)量和形貌均未發(fā)生明顯變化,涂層與金屬基體的附著力在試驗(yàn)前后也未發(fā)生明顯變化（均為5A級(jí)）,結(jié)果表明按該方法制造的管線有良好的涂層結(jié)合性能、油氣介質(zhì)適用性能、耐腐蝕性能。

該方法制造的搪瓷復(fù)合管已經(jīng)在盤錦中際防腐科技有限公司得到應(yīng)用,產(chǎn)品在遼河油田某集輸管線應(yīng)用效果良好。

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