彎管減阻內涂層施工工藝研究

鞏忠旺， 楊鵬飛， 陳 順， 李樹軍， 張曉慧

（渤海石油裝備巨龍鋼管公司， 河北 青縣062658）

0 前 言

彎管作為長距離油氣輸送管道的重要組成部分， 在管道敷設過程中起到了平面變向和縱向爬坡的作用， 由于其使用位置的特殊性， 在使用過程中彎管受力與直管相比更為復雜。 為了減緩輸送介質對管道內壁的腐蝕和磨損， 我國從西氣東輸一線開始首次將減阻內涂層技術應用于長距離輸氣管線， 根據減阻內涂層在西氣東輸管道的實際應用效果， 在輸送壓力不變的情況下， 減阻涂層效果優異， 具有良好的耐磨性、 耐久性， 與沒有做內減阻涂層的管道相比， 摩擦因數降低26%～31%， 輸氣量增加20%以上， 可節約輸送費用7%～14%， 社會效益和經濟效益非常可觀。 天然氣管道內涂層實際應用效果也表明， 選用合適的減阻涂料和正確的涂裝方法， 在長輸天然氣管道施工期間可以防止管線腐蝕， 減少沉積物， 改善清管效果， 減少增壓站數量， 提高管道輸氣效率， 降低管道綜合投資。

目前我國對減阻涂料成分的研究已基本成熟，但少有研究涉及工藝參數和施工方法對涂膜性能的影響。 同一種涂料采用不同的溫度、 流量、 壓力以及烘干溫度， 對減阻涂層的性能都有一定的影響。 本研究在符合技術標準要求的前提下， 對施工過程中涉及到的變量進行了研究， 并總結出了可以指導現場施工作業的相關參數[1-3]。

1 彎管內減阻涂層工藝流程及設備選型

由于彎管的形狀特殊， 在內壁除銹和減阻涂層成膜過程中， 只能將其擺放在固定的軌道上， 通過旋轉噴頭完成除銹和噴涂作業。 因此在減阻涂層施工過程中， 彎管本身是固定不動的， 這樣就容易造成涂層厚度不均勻， 涂層濕膜太薄則達不到標準要求， 起不到減阻效果；涂層濕膜太厚會造成涂層表面流淌、 垂滴等缺陷， 不能滿足外觀要求。 因此確定彎管噴涂工藝流程， 選定恰當的噴涂設備、 確定涂料的環境溫度范圍以及與設備匹配的噴涂參數成為研究彎管內減阻涂層施工工藝的關鍵。 彎管內減阻涂層工藝流程如圖1 所示。

圖1 彎管內減阻涂層工藝流程

內減阻涂層成型過程要求涂料噴涂平穩均勻，壓力穩定， 并且A、 B 組份涂料在噴涂到彎管內表面前要混合均勻。 通過多次試驗最終確定供料系統選用固瑞克XP70 高壓無氣噴涂設備， 噴涂小車選用防傾覆輪組， 保證小車在彎管內部運行時可以自動調平， 行走平穩。 懸杯選用雙層結構， 內杯孔徑為2 mm， 外杯孔徑為1 mm， 經驗證上述設備可以滿足彎管內減阻涂層對設備性能的需求。

2 溫度對涂料黏度的影響

涂料黏度對內減阻涂層的膜厚和外觀質量起著決定性作用， 將涂料從15 ℃逐步加熱到65 ℃，按照ASTM D562－01—2010 《斯氏粘度計測定涂料稠度的試驗方法》 中規定的檢測方法進行檢測，減阻涂層黏度隨溫度變化的關系曲線如圖2 所示。

圖2 減阻涂層黏度隨溫度變化的關系曲線

由圖2 可以看出， 涂料黏度隨著溫度的升高不斷降低。 當溫度從35 ℃升高到40 ℃時， 涂料黏度變化率最大； 當溫度高于55 ℃時涂料黏度基本保持不變。 這主要是因為相對分子質量較低的環氧樹脂對溫度比較敏感， 是典型的非牛頓流體， 隨著溫度的升高， 黏度呈指數級下降。 環氧涂料最適宜的噴涂黏度為65～70 KU， 黏度太大不利于涂料流動， 涂料經噴嘴噴出后達不到理想的霧化效果，漆膜成型較差。 黏度太小會造成A、 B 組份涂料快速反應固化， 留給噴涂作業的時間比較有限， 同時漆膜成型后抗流掛性較差， 由于重力作用， 容易發生流淌、 垂滴現象[4-8]（如圖3 所示）。

圖3 漆膜流淌照片

3 溫度對固化速度和漆膜質量的影響

固化是指液體涂料涂在物體表面， 從流體層變成固體漆膜的物理或化學的變化過程， 通稱為涂料的干燥。 干燥過程一般分為表面干燥、實際干燥和完全干燥3 個階段。 本研究按照GB/T 1728—1989 《漆膜、 膩子膜干燥時間測定法》 進行測定， 對 “海虹老人87831 環氧涂料”的測定結果見表1， 漆膜干燥時間隨溫度變化的關系曲線如圖4 所示。

試驗結果表明， 對于無溶劑環氧涂料這種熱固性聚合物而言， 溫度越高， 固化反應越快， 當溫度達到一定值時， 涂料一混合即迅速固化， 基本沒有時間實現噴涂作業。 這主要是因為溫度升高后， 環氧樹脂基料與固化劑的反應速率加快，在樹脂濃度相同的情況下， 體系的反應速度與反應速率常數成正比。 反應速率常數與溫度的關系可用Arrhenius 方程表示為

表1 不同溫度下“海虹老人87831 環氧涂料”的固化時間測定結果

圖4 漆膜干燥時間隨溫度變化的關系曲線

式中： Ea——活化能；

A——指前因子；

R——摩爾氣體常量；

T——熱力學溫度。

對于同牌號的無溶劑環氧涂料， Ea和A 為定值， 從公式（1） 可以看出， 溫度升高必將導致體系反應速率常數變大， 涂料的適用期隨溫度升高而縮短。 當涂料溫度高于45 ℃時， 留給噴涂作業的混合使用期時間不足20 min。 在工廠實際生產過程中， 噴涂前需要對彎管外觀和除銹質量進行多項檢測， 需要較長的準備時間， 因此過高的施工溫度反而不利于彎管內減阻涂層噴涂作業， 根據生產實際情況正常施工溫度應控制在35～40 ℃為宜。

通過表1 可以看出， 環氧涂料在常溫下的固化比較緩慢， 因此噴涂作業完成后需要選擇合適的固化溫度加速漆膜固化。 本研究以5 ℃為一個溫度間隔， 設定固化時間為1 h， 觀察固化溫度從40 ℃升高到65 ℃時對鋼制試片漆膜質量的影響。 把在6 種不同固化溫度下得到的鋼制試片在稀釋劑中浸泡4 h， 然后在室溫中放置30 min， 其漆膜變化效果照片如圖5 所示。

圖5 不同固化溫度下漆膜浸泡試驗照片

從圖5 可以看出， 漆膜在40 ℃和45 ℃溫度下的固化試片經浸泡試驗后漆膜光澤度降低， 質地變軟， 主要是因為固化溫度低， 漆膜固化不徹底； 隨著溫度的升高， 在50～60 ℃溫度區間固化的試片經浸泡試驗后漆膜光澤度和質地沒有明顯變化， 說明漆膜固化比較徹底； 當溫度繼續升高到65 ℃時， 試片經浸泡后有明顯的起泡現象，這是因為涂料中的揮發物質還未全部揮發， 漆膜表面已經固化， 殘留的揮發性物質留在試片與漆膜表面之間形成氣泡。

因此在減阻涂層噴涂作業完成后， 必須選擇適宜的固化溫度加速漆膜固化， 溫度太低則固化時間延長， 不能滿足工廠施工進度要求。 溫度太高固化太快， 對漆膜的內在質量和外觀都會產生影響， 不能滿足使用要求， 經試驗證明生產時固化溫度應控制在50～60 ℃為宜[9-12]。

4 噴涂壓力對流量的影響

經過對涂料黏度和混合使用期時間的綜合考慮， 我們將涂料施工溫度控制在35 ℃， 噴涂作業時間設定為1 min， 來研究噴涂壓力對流量的影響。 由于彎管形狀的特殊性， 只能用懸杯的方式進行噴涂作業， 由于沒有管道和噴嘴造成的壓力損失， 所以流量大小只與設備壓力有關。 固瑞克XP70 設備要求最低工作壓力為0.1 MPa， 最高工作壓力為0.8 MPa。 在恒定溫度， 相同時間內， 不同壓力下測得的流量大小見表2。

表2 不同壓力下測得的流量

由表2 可見， 流量隨著泵壓的增加而增大，當壓力大于0.45 MPa 時， 流量基本穩定在6 L/min左右， 這是因為壓力逐漸增加， 涂料經過吸料泵的抽吸作用充滿整個噴涂管， 從而形成不間斷充實的涂料柱。 繼續增加泵壓， 因涂料已經充滿整個噴涂管， 此時流量因受到缸體尺寸、 吸料泵型號和噴涂管內徑大小的共同作用， 使流量變化趨于穩定。

5 設備工作速度和壓力對漆膜質量的影響

彎管內減阻噴涂小車主要是由車體、 行進電機、 自動調整輪組成， 噴涂小車結構如圖6所示。

圖6 噴涂小車結構示意圖

噴涂小車最高工作速度為0.2 m/s， 按照CDP－S－NGP－AC－001—2015－2 《輸氣管道工程內減阻環氧涂層技術規格書》 標準， 內減阻涂層干膜厚度一般要求為80 μm， 以規格為Φ1 422 mm×28.2 mm， 長度為9 m 彎管為例，彎管內表面面積計算公式為

S=L×（D－2δ）×π=38.61 m2（3）

式中： S——內表面面積， m2；

L——彎管中性線長度， m；

D——彎管直徑， m；

δ——彎管壁厚， m。

結合油漆廠商給定的理論涂布率， 即可算出任一角度的彎管所需的油漆用量。 “海虹老人87831 環氧涂料” 的理論涂布率為10.2 m2/L （以80 μm 干膜計）， 因此該彎管內減阻涂層需涂料3.785 L。 將小車在彎管內的運動近似地看作是勻速直線運動， 根據公式v=s/t， 通過小車運動速度v（m/s） 和距離s（m）， 就可算出小車噴涂所需時間t（s）。 根據行走電機轉速和車輪直徑， 通過空載試驗， 當小車的運動速度控制在0.13～0.17 m/s 時， 小車運行平穩， 不會出現傾覆現象， 據公式t=s/v 可以推算出小車在彎管內的運行時間為53～69 s。 對照表2 可以得出作業時間為1 min、 流量為3.785 L 時， 噴涂壓力設定在0.25～0.3 MPa 時與理論所需流量最接近。 將小車速度按照0.01 m/s 的速度遞增， 測得在相同壓力、 不同速度下， 5 個點的干膜平均厚度和漏點情況見表3， 膜厚隨噴涂小車速度變化的關系曲線如圖7 所示。

表3 相同壓力、不同速度下的干膜厚度和漏點情況

圖7 膜厚隨噴涂小車速度變化的關系曲線

由表3 可以看出， 在噴涂壓力為0.25 MPa、噴涂速度為0.15 m/s 時， 漆膜無漏點， 無垂滴，產品質量最佳。 當噴涂壓力提高到0.3 MPa、 噴涂速度需要提高到0.16 m/s 時， 漆膜質量同樣可以滿足要求[13-15]。

6 結束語

彎管內減阻涂層的施工工藝特別復雜， 影響因素眾多， 從試驗可以得出溫度對涂料黏度、 漆膜固化速度、 漆膜成型質量都有重要影響， 因此在彎管減阻內涂層施工過程中首先要控制好各施工環節的溫度， 設定合適的噴涂壓力以及與其匹配的小車行進速度是非常重要的， 只有從各工序環節嚴格把關， 才能確保最終的產品質量。