输气管道用无溶剂内减阻防腐涂料的制备与性能研究

郑军生  田学辉  魏梦凯  张亚  何志彤  

石家庄市油漆厂，河北省高固体分涂料技术创新中心

摘要：对照SY/T 6530—2010标准的要求,利用无溶剂环氧防腐涂料技术基础,结合天然气输气管道腐蚀的特点,制备了无溶剂环氧内减阻防腐涂料。重点讨论了成膜树脂对涂层性能的影响、固化剂对涂层性能影响、颜填料对涂料性能的影响,最终得到了一款性价比良好的适合输气管道用无溶剂内减阻防腐涂料,并成功实现规模化应用。

关键词：输气管道，无溶剂，内减阻

0 前 言
随着近年来清洁能源需求的急剧上涨，国家对天然气能源开采、运输和利用能力也不断增强。与石油相比，天然气具有密度小、流动性好、可压缩性的特点，因此，管道运输是天然气的输送方式。但对天然气管道运输来讲，必须考虑到天然气在管道中的压力损失问题，天然气在长距离管道流动过程中，由于管道内壁的表面作用以及天然气的内摩擦，会产生摩擦阻力，而引起大量的能量损耗，使得管道输送效率下降；同时管道内壁磨损严重，会减少管道的使用寿命，对管道运输系统的可靠性和安全性造成严重威胁。这个问题在天然气长距离输送过程中尤为重要。
对输气管道来说，要减少内壁粗糙度的方法有很多，目前从经济性和实用性的角度而言，涂覆内壁减阻涂层是最有效的方法之一。据相关研究表明，在同等天然气输送效率的情况下，涂覆了内减阻涂层的输气管道可提高6%～30%的输气量。天然气输气管道内减阻涂层应具有较高的光泽、优异的附着力、良好的耐磨性以及柔韧性等性能，经过大量实践证明，环氧树脂涂料被认为是最适合应用于天然气管道内壁用涂料。传统环氧内减阻涂料为溶剂型产品，对工人和环境产生一定的危害。无溶剂环氧内减阻涂料不挥发物含量接近100%，VOC含量极低，且涂料喷涂效率高，降低了施工成本，同时其耐磨、抗剪切性能也优于溶剂型内减阻涂料，因此逐渐被市场所重视。
本文研制了一种无溶剂环氧内减阻涂料，其具有良好的耐磨性、柔韧性与耐腐蚀性能，涂料固体含量≥98%，涂层表面光滑，所测性能满足SY/T 6530—2010规定要求。
1 实验部分
1.1 实验用主要原料
DER 331环氧树脂，陶氏化学；828EL环氧树脂，德国汉森；NPEL128环氧树脂，昆山南亚；SM618，江苏三木；柔性树脂，浙江；分散剂，毕克；消泡剂、流平剂，华夏；聚四氟乙烯蜡粉，三美；氧化铁红，新乡；活性稀释剂，美东；改性胺固化剂，卡德莱。
1.2 实验仪器
电多功能搅拌机，U450/80-220，上海微达工贸有限公司；电子天平，TC3K，常熟市双杰测试仪器厂；砂磨机，QSM-Ⅱ型，天津市精科联材料试验机有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，TST202A-1B，成都特斯特仪器有限公司；智能型全自动盐雾试验机，F-120S，东莞市精卓仪器设备有限公司；锚杆拉拔仪，SW-300，北京海创高科科技有限公司；接触角测量仪，OCA200，北京奥德利诺仪器有限公司。
1.3 基础配方
无溶剂环氧内减阻涂料用原材料及参考配方如表1所示。

1.4 涂料制备工艺
1.4.1 涂料的制备工艺
按表1配方中要求将环氧树脂、柔性树脂、活性稀释剂与助剂依次加入到配料罐中，以600 r/min的速度高速分散，在搅拌程中，按比例依次加入颜填料，以1 200 r/min左右的速度高速分散至无大块物料后，经砂磨机研磨，达到细度低于50 μm的要求，用60目绢丝过滤后包装。
1.4.2 检测样板的制备工艺
将A组分与B组分按计算的配比混合后喷涂测试板，按 SY/T 6530要求，常温干燥10 d后在50 ℃循环空气炉中烘烤24 h，再冷却至常温待测。测试板为符合SY/T 6530要求的低碳钢板，规格75 mm×150 mm×0.81 mm，达到该标准规定的表面处理要求。
1.5 涂料及涂膜性能检测

1.6 实验思路
输油气管内低表面处理防腐减阻涂料应该具有以下特性：
(1)涂膜致密性好，化学结构稳定；
(2)混合黏度低，涂装施工方便；
(3)附着力强，防腐性优异；
(4)耐磨性好，具有一定硬度，光滑阻力小；
(5)具有一定的柔韧性。
因此在设计实验配方时应考虑使涂料具有以上几点性能，并在耐盐雾性、耐磨性、柔韧性以及施工性取得平衡关系。

2 实验结果与讨论
2.1 环氧树脂对涂层性能的影响
2.1.1 环氧树脂型号的选择
常用的无溶剂环氧树脂主要是E44和E51，相较于E44环氧树脂，E51环氧树脂的分子量更小，制备的涂料黏度更低，涂覆的涂层更加致密、硬度更高、防腐性更加优异，因此本实验初步选用E51作为无溶剂环氧内减阻防腐涂料的主体成膜物质。
目前常用的E51环氧树脂有陶氏的DER331、汉森的828EL、南亚的NPEL128和三木的SM618树脂，在树脂含量(40%)与固化剂相同的情况下，本实验对这4种树脂制备的涂料黏度、附着力、耐盐雾性和弯曲性进行测试。具体测试结果如表3所示。

分析表3中测试结果可以看出，南亚NPEL128树脂和三木SM618树脂制备的涂料黏度最低；而汉森的828EL树脂和陶氏的DER331树脂在附着力和耐盐雾性要高于剩下两款树脂，但是比南亚NPEL128树脂提高并不明显，属于可接受范围。综合成本价格来说，本实验选用南亚NPEL128树脂作为本实验用的无溶剂环氧树脂。
2.1.2 环氧树脂的用量
环氧树脂添加量越高，涂料中树脂的交联密度越高，涂层的致密性也随之增强，不同树脂含量对涂料的光泽、附着力、防腐性具有显著的影响，本实验设计5种不同树脂含量的实验方案，对制备的涂层光泽、附着力、耐盐雾性进行测试，具体测试结果如表4所示。

从表4中实验结果可以看出，随着NPEL128树脂含量的增加，制备的涂层光泽、附着力和耐盐雾性也随之升高，但弯曲性却有所降低，至添加量达到40%左右时，这些性能增强幅度趋于平缓，加之树脂含量的增多会导致涂层的硬度变大、涂料的综合成本升高且弯曲试验中发生开裂现象，综合考虑，本实验选择添加量为40%(质量分数)的NPEL128树脂作为涂料的主体树脂。
2.2 柔性树脂的选择
单独使用NPEL128树脂涂层硬度较大，柔韧性较差，为满足SY/T 6530—2010标准中弯曲试验要求，需采用添加增韧材料的方法对涂料涂膜韧性进行改善，但是为了满足涂料的耐磨性要求，所选择的增韧材料不应降低涂层的硬度，本实验选用3种增韧剂进行实验，具体测试结果如表5所示。

从表5中可以看出采用大分子链的碳氢石油树脂、E12树脂和带有柔性官能团的改性环氧树脂对涂料的弯曲性均有所提高，但添加量过多的情况下会出现硬度降低的现象，此类情况不符合筛选要求。为保证涂料为无溶剂体系，E12树脂需采用活性稀释剂进行稀释，且添加量达10%，最先舍弃。改性环氧树脂虽然使用较少，但黏度相对于碳氢石油树脂较大，不利于施工，且价格成本也高于碳氢石油树脂。而碳氢石油树脂不挥发物含量为100%，黏度为3 000～3 500mPa · s，因此本实验选用8%的碳氢石油树脂作为本实验的增韧材料。
2.3 固化剂对涂层性能影响
研究表明，环氧固化剂对涂料的凝胶时间、干燥性、附着力、柔韧性及防腐性有着显著的影响，通过采用不同类型的固化剂对上述性能进行检测，筛选最佳的固化剂种类。表6为不同种类固化剂对涂料上述性能影响的检测结果，其中：1#固化剂为改性聚醚胺加成物；2#固化剂为改性脂环胺加成物；3#固化剂为改性脂肪胺加成物；4#固化剂为酚醛酰胺加成物。

从表6中检测结果可以看出，1#固化剂的凝胶时间和干燥性较差，低温适用性不佳，防腐性较差；2#固化剂和3#固化剂综合性能相差不大，虽然其适用性与干燥性较好，但附着力和防腐性不如4#固化剂。4#固化剂是一种无溶剂、黏度低的酚醛酰胺固化剂，为涂料提供了聚酰胺和酚醛胺两种固化剂的优势，具有优异的低温适用性、干燥性、柔韧性、附着力和防腐性。故本实验选用酚醛酰胺类固化剂作为无溶剂环氧内减阻防腐涂料的固化剂。
2.4 颜填料对涂料性能的影响
确定好成膜物质后，颜填料的选择及其用量就成了决定涂料防腐减阻性能好坏的关键因素之一。防腐涂料的作用机理是：(1)涂层的隔离屏蔽作用；(2)涂膜的钝化缓蚀作用；(3)电化学保护作用。减阻涂料的作用机理是：(1)提高涂膜光滑度、减小粗糙度、降低摩阻系数；(2)涂膜表面能低，减少流体中杂质沉淀与附着，保持表面光洁。目前，无溶剂内减阻涂料常为铁红色，且对涂料的防腐性有较高的要求，因此，本实验的防锈颜料为氧化铁红，另基于以上几点要求，本实验初步选择磷酸锌、三聚磷酸铝、沉淀硫酸钡、硅灰石、聚四氟乙烯蜡粉。
设计4种填料不同用量的实验，并对制备的涂层进行耐盐雾性、耐磨性、光泽性、疏水角等性能测试，具体实验设计方案如表7所示。

从表8可以看出，当磷酸锌和三聚磷酸铝总量较多时，二者复配时可以为涂料提供较好的耐盐雾性，但是这两种填料对涂料起到一定的消光作用；添加了沉淀硫酸钡对涂层的耐磨性和硬度有着显著的提高，且对涂层的光泽几乎没有影响；添加了聚四氟乙烯蜡粉可以有效地提高涂层的疏水角，进而赋予涂膜疏水性、耐沾污性、防杂质附着性，提高了天然气的输气效率，添加量为6%～8%较为合适。

3 结 语
采用E51和大分子链碳氢石油树脂作为涂料的成膜物，搭配具有聚酰胺和酚醛胺双重优势的酚醛酰胺固化剂进行干燥固化，同时选择防锈性能和内减阻性能较好的颜填料，制备了无溶剂环氧内减阻防腐涂料。该涂料具有良好的综合性能，满足市场和环保使用要求，对无溶剂环氧技术在天然气管道内减阻领域的应用和推广提供了一定的推动作用。