聚脲涂料在长输管道上应用的可能性
摘要：对几种管道防腐蚀涂料的技术标准进行了解读和对比，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
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。聚脲涂料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。
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。
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，因此引起了严重的管道腐蚀，所以，三层结构还有效吗？
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，聚脲涂料利用其瞬间固化，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/T3831—2006喷涂聚脲防护涂料、GB/T23446—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；
(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？
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有《SY/T0315—2005钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层技术规范》，《Q/CNPC38—2002埋地钢质管道双层熔结环氧粉末外涂层技术规范》，聚脲涂料《SY/T0413—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/T3831—2006喷涂聚脲防护材料》和《Q/CNPC-GD0273—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。
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1mm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，聚脲涂料无论环氧粉末涂层、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，三层聚乙烯具有的抗冲击值，而喷涂聚脲防护涂料的14.7J的最小抗冲击值也非常优异。
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10MPa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，聚脲涂料常温28d阴极剥离为8.5mm，而高温48h阴极剥离为6.5mm，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12mm和15mm。
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25MV/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。
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300~500μm的涂层厚度下进行了实验比较，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48h阴极剥离指标，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15mm的技术要求，但是10.9mm的结果比起环氧粉末涂料的3.4mm显然有点偏大。
李荣光[2]等人对喷涂聚脲涂层的耐阴极剥离性能进行了研究，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，聚脲涂料文中提供的不同配方的阴极剥离数据为大于等于25mm、20mm和14.5mm。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20mm、18mm和4.1mm。朱杰[4]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5mm。
以上数据均为65℃、48d阴极剥离数据，但在新颁布的《GB/T23257—2009埋地钢质管道聚乙烯防腐层》标准中，在保留《SY/T0413—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℃、30d阴极剥离小于15mm的指标项，而对于整个防腐层来说，增加了使用温度下30d阴极剥离小于15mm的指标项，另外对48h阴极剥离指标也从8mm降低为6mm。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℃、30d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。
粉末涂层的阴极剥离值为11.8mm，满足标准要求，而天门冬氨酸酯聚脲涂层的阴极剥离值为20.7mm，远远超过15mm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。
3·环氧粉末涂料底层+聚脲涂料面层的管道涂层结构
由于三层聚乙烯管道防腐层结构容易出现焊缝空鼓或焊缝涂层厚度减薄，挤出聚乙烯层容易出现剥离和胶粘剂漏涂，剥离后的涂层会对阴极保护形成屏蔽，补口质量较难控制等缺点，在这种防腐层结构过去大量的应用中出现一些问题后，新的涂层系统或解决办法逐渐引起人们的关注和兴趣。聚脲涂料如将三层聚乙烯结构中的聚乙烯施工法由挤出法改为聚乙烯粉末喷涂法而形成的高性能复合涂层系统，已在北美一些地区被使用[1]。
而环氧粉末涂料底层上覆盖聚脲涂料面层也不失为一种可能的改进方式，由环氧粉末涂料提供长期抗阴极剥离性能和附着力，由聚脲涂层提供抗冲击、抗磨损等物理机械保护。图5所示为环氧粉末涂料底层上涂覆聚天门冬氨酸酯聚脲涂料的一些性能参数。
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15.52MPa，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℃、30d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8.2mm，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氧底漆外罩辐射交联聚乙烯热收缩套(带)的三层结构。但由于主管线外层聚乙烯的低极性表面，环氧底漆或热收缩套(带)的热熔胶对聚乙烯表面的附着力很难让人满意，这也导致了新管线投运后即发生补口涂层失效的案例。而环氧粉末底层+聚脲面层的这种涂层结构的补口材料可采用环氧粉末(或无溶剂环氧)+聚脲涂层的结构，补口材料与主体管道相同，补口搭接处涂层附着力优异，聚脲涂料质量较为可靠。因此，从这几方面来看，这种新的涂层结构具有一定的应用前景。
4·结语
综上所述，三层聚乙烯管道防腐涂层结构在新世纪的管道建设工程里得到了广泛的应用，而聚脲涂层也在防腐、防水等领域具有良好的业绩，考虑管道涂料应用的实际情况，结合这两种涂料的优点，对现有涂层体系出现的问题进行改进是一种有益的尝试和探讨。