PP、PVC和丁腈橡膠對鋼塑復(fù)合管耐腐蝕的影響*

游革新，梅淑琴，張術(shù)寬，郭 峰，李茂東，段興璋，劉 暢，曾 敏， 戴 卓，楊 浩，梁乃夫7

（1 華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640； 2 廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東廣州 510663）

管道輸送流體具有運行成本低的優(yōu)點，是應(yīng)用最為廣泛的流體輸送方式。鋼管是應(yīng)用最廣泛的壓力管道，其強度高、制作安裝方便、經(jīng)濟適用等特性是目前其他材料無法替代的。但管道輸送的流體多種多樣，如含油氣田污水[1]，含H+離子、溶解氧、溶解鹽、CO2、H2S、細菌的油田污水[2]，含有環(huán)烷酸等有機羧酸和CO2、H2S、SO2等的石油[3]，以及其他各種酸、堿、鹽溶液。這些流體對鋼管都具有腐蝕作用，導(dǎo)致管壁變薄，甚至穿孔泄漏，最終使管道失效[4]。

內(nèi)涂襯里技術(shù)[5]是鋼管常用的防腐技術(shù)之一，如水泥砂漿襯里、環(huán)氧樹脂襯里、內(nèi)襯橡塑材料[6-8]。襯塑技術(shù)是一種新型內(nèi)防腐技術(shù)，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用，而最常用的防腐材料有塑料、橡膠等高分子材料，如聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)等。

我國從上個世紀七、八十年代開始制定了一系列內(nèi)襯管件的行業(yè)標準和國家標準，為這類產(chǎn)品在我國化工、制藥等行業(yè)的應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)和支持，如HG 20538-92《襯塑（PP、PE、PVC）鋼管和管件》、HG 21501-1993《襯膠鋼管和管件》、HG/T3705-2003《金屬網(wǎng)聚四氟乙烯復(fù)合管與管件》、HG/T3704-2003《氟塑料襯里閥門通用技術(shù)條件》等。但隨著科技的發(fā)展，目前內(nèi)襯防腐蝕管道元件的產(chǎn)品檢驗的方法和標準明顯滯后于其制造和使用的現(xiàn)狀。

我國現(xiàn)行對內(nèi)襯防腐蝕管道的標準要求的檢驗試驗方法著重于產(chǎn)品的外觀尺寸、強度等方面[9-13]。但目前國內(nèi)外尚未見對其防腐蝕性研究的報道。

內(nèi)襯防腐壓力管道的防腐性能主要取決于內(nèi)襯材料的對腐蝕性溶液阻隔性。本文通過對其阻隔性的研究，進而對其防腐蝕性展開研究。這對該類管道元件的安全使用、降低裝置的停車和維修造成的經(jīng)濟損失都有著重要的意義，也有助于開展對此類產(chǎn)品的安全評價和壽命評估。

1 試驗方法及過程

1.1 試驗原料

K8003 聚丙烯(PP)由獨山子石化生產(chǎn)；聚氯乙烯(PVC)由東莞市塑邦塑膠原料有限公司生產(chǎn)；丁腈橡膠和直徑8mm、長度119mm 的鋼棒由廣州宜旺五金有限公司生產(chǎn)。

實驗所用主要化學(xué)試劑從市場購買，各試劑的純度和生產(chǎn)廠家如表1 所示。

表1 實驗所用主要化學(xué)試劑 Table 1 Chemical reagents mainly used in the experiment

1.2 試驗儀器和設(shè)備

Optima 8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)由美國珀金埃爾默制造，F(xiàn)e 的檢出限為0.0005mg/L，分析精密度：CV<0.5%；SA1600/540 塑料注射成型機由寧波海天塑機集團有限公司生產(chǎn)；DHG-9240A型鼓風(fēng)干燥箱由上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)；ML204 型電子分析天平由瑞士梅特勒托利多制造。

1.3 標準試件的設(shè)計和制作

實際應(yīng)用中的鋼塑復(fù)合管直徑、重量都比較大，而且形狀和大小各異，因此需要設(shè)計制作出簡便易行的標準試件。若標準試件設(shè)計成管式標準試件（如圖1 所示），即在鋼管管段內(nèi)襯一層厚度均勻的阻隔層，不利于評價實驗。如果只在管道試件內(nèi)裝滿溶液，兩段封住，與實際管道傳輸?shù)囊后w相比，溶液量太少。如果將管道試件參與液體傳輸，則實驗環(huán)節(jié)過多，會影響實驗結(jié)果的準確性。若標準試件設(shè)計成棒狀標準試件（如圖2 所示），則可以很方便的插入所需要量的溶液中，而且實驗環(huán)節(jié)少，實驗結(jié)果的可靠性則可大幅度提高。雖然棒狀標準試件其外形不同于管式，但在用于評價有機高分子材料對金屬材料的保護效果時，有機高分子材料在管式標準試件和棒狀標準試件中的作用完全等價，都是將金屬與溶液阻隔開。因此，完全可以采用棒狀標準試件對鋼塑復(fù)合管的耐腐蝕性進行評價。故本文將標準試件設(shè)計成棒狀（如圖2 所示），其中阻隔層的材料為鋼塑復(fù)合管內(nèi)襯層常用高分子材料PP、PVC 和丁腈橡膠，阻隔層的厚度為鋼塑復(fù)合管內(nèi)襯層的常用厚度，即3mm。

塑料類耐蝕標準試件采用注塑方法加工。首先制作標準模具，將鋼芯置于模具中心、固定，然后用擠出機將熔融狀態(tài)的塑膠擠入模具中。

橡膠類耐蝕標準試件采用加熱、硫化方法加工。首先制作標準模具，其外形和尺寸與塑料類相同。將鋼芯置于模具中心、固定，然后將與硫化劑混合均勻的橡膠在模具中充滿、搗實，然后加熱至硫化溫度進行硫化。

1.4 標準試件(棒狀)的封裝與清洗

由于標準試件(棒狀)制作過程中必須留一段鋼芯用于機械緊固，才能保證鋼芯外面包裹的高分子材料各處厚度均一。為了防止浸泡過程中溶液直接接觸或其蒸汽接觸鋼芯，對鋼芯造成腐蝕，需在標準試件的裸露鋼芯表面涂上一層AB 膠，再用防水膠帶將其包裹嚴實(圖3 中的斜線部)。

圖1 管式標準試件示意圖 Fig.1 The schematic diagram of tube type standard specimen

圖2 棒狀標準試件示意圖 Fig.2 The schematic diagram of bar type standard specimen

圖3 封裝示意圖 Fig.3 Package diagram

將封裝后的標準試件用20mL 乙醇溶液清洗2~3 次，然后用大量清水沖洗3~4 次，直至洗凈，接著再用超純水洗凈。

1.5 浸泡過程

分別取200mL 的30%稀硫酸溶液、25%氯化鈉溶液注入兩個洗凈的細口帶塞玻璃瓶中，取200mL的15%氫氧化鈉溶液注入細口帶蓋PP 塑料瓶中。

圖4 標準試件的浸泡深度 Fig.4 The immersion depth of Standard specimen

將經(jīng)封裝和清洗過的標準試件分別浸泡于上述三種溶液中，樣條上包裹的防水膠帶與溶液液面應(yīng)保持3mm 的距離，樣條浸沒深度為62mm，并將樣條固定好，如圖4 所示。每種樣條浸泡于每種溶液中的平行試驗為3 組，空白試件(不含鋼芯)的平行試驗也為3 組。

將所有試驗瓶放入60℃烘箱中，20 天后取出。

1.6 測定浸泡前后溶液中的Fe 含量

用ICP 分析浸泡前后溶液中的Fe 含量，對于15%氫氧化鈉溶液，先用1%鹽酸將其pH 值調(diào)節(jié)至3~5 之間，再用ICP 分析溶液中的Fe 含量。

1.7 腐蝕速率的計算

標準件中鋼芯的腐蝕速率按公式（1）計算。

u 為年平均腐蝕速率，單位mm/a；c 為浸泡后溶液中Fe 含量，單位mg/L；c0為空白值，單位mg/L；V 為浸泡溶液體積，單位L（升）；7.8 為鋼芯的密度，單位g/L；S 為浸沒在溶液中的鋼芯面積，單位cm2；t 為浸泡時間，單位a（年）。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 PP 防腐層對各溶液的耐蝕能力研究

防腐層為PP 的標準試件和空白樣品（不含鋼芯）在各種溶液中浸泡240h，用ICP 測試浸泡后溶液中的Fe 含量，結(jié)果如表2 所示。在整個實驗過程中，只有標準試件中含有Fe 元素，溶液中Fe 含量的增量只能是耐蝕試件中Fe 的腐蝕所致，因此表2 中浸泡后溶液中Fe 含量的增量可用于表示鋼芯的腐蝕情況。

表2 浸泡后溶液中的Fe 含量 Table 2 The Fe content in solution after soaking

由表2 可知三種溶液中鐵含量增量都很小，都在0.02 mg/L 左右，說明PP 耐腐蝕層起到了很好的阻隔作用，均能有效地防止鋼芯被溶液所侵蝕。

PP 的溶度參數(shù)為19 (J· cm-3)1/2，純水的溶度參數(shù)為47.874 (J· cm-3)1/2，酸、堿、鹽水溶液的溶度參數(shù)比純水還要大。因此，PP 不會被酸、堿、鹽的水溶液溶脹。而且PP 表面是疏水的，會向外排斥水溶液，因此可以很好地保護標準試件里面的鋼芯。

2.2 PVC 防腐層對各溶液的耐蝕能力研究

防腐層為PVC 耐蝕標準試件和空白樣品在各種溶液中浸泡240h，用ICP 測試浸泡后溶液中的Fe含量，結(jié)果如表3 所示。

表3 浸泡后溶液中的Fe 含量 Table 3 The Fe content in solution after soaking

由表3 可知浸泡后溶液中鐵含量增量都很小，最高為0.0938mg/L，說明PVC 防腐層起到了很好的阻隔作用，均能有效地防止鋼芯被溶液所侵蝕。

PVC 的溶度參數(shù)為20 (J· cm-3)1/2，與酸、堿、鹽水溶液的溶度參數(shù)相差很大。因此，PVC 也不會被酸、堿、鹽的水溶液溶脹。

但相對而言，PVC 對氫氧化鈉溶液的阻隔性不如對稀硫酸和氯化鈉溶液的阻隔性好。這是因為PVC 會被氫氧化鈉溶液水解，生成相應(yīng)的醇類化合物，而降低其阻隔性，如反應(yīng)式（1）所示。

2.3 丁腈橡膠防腐層對各溶液的耐蝕能力研究

防腐層為丁腈橡膠的耐蝕標準試件和空白樣品在各種溶液中浸泡240h，用ICP 測試浸泡后溶液中的Fe 含量，結(jié)果如表4 所示。

表4 浸泡后溶液中的Fe 含量 Table 4 The Fe content in solution after soaking

由表4 可知，標準試件經(jīng)30%稀硫酸溶液浸泡后，溶液中的Fe 含量增加很多，為29.7128 mg/L，說明橡膠層已經(jīng)喪失了對稀硫酸溶液的阻隔功能。該溶液已經(jīng)穿過橡膠層和鋼芯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Fe 離子。因此，丁腈橡膠與鋼管的復(fù)合管道不適于傳輸酸性溶液。

標準試件經(jīng)15%氫氧化鈉溶液浸泡后，溶液中Fe 含量也明顯增加了。增加量為0.2812mg/L，說明氫氧化鈉對橡膠層有了一定的腐蝕，也有少量的氫氧化鈉穿過橡膠層與鋼芯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成少量Fe 離子。說明丁腈橡膠與鋼管的復(fù)合管道不適于長期傳輸堿性溶液。

但丁腈橡膠對氯化鈉有很好的阻隔性，因此，丁腈橡膠與鋼管的復(fù)合管道適于長期傳輸氯化鈉溶液。

3 結(jié)論

（1）PP 對稀硫酸、氫氧化鈉、氯化鈉溶液均有較好的阻隔性，因此PP 與鋼管的復(fù)合管道可以長時間輸送酸、堿、鹽溶液。

（2）PVC 對稀硫酸和氯化鈉溶液均有較好的阻隔性，對氫氧化鈉溶液的阻隔性稍差，因此PVC與鋼管的復(fù)合管道可以長時間輸送酸性和中性鹽溶液，但只能短時間輸送堿性溶液。

（3）丁腈橡膠僅對氯化鈉有較好的阻隔性，對稀硫酸完全沒有耐蝕性能，對氫氧化鈉的阻隔性也不強，因此丁腈橡膠與鋼管的復(fù)合管道僅可以長時間輸送中性鹽溶液和短時間輸送堿性溶液，而不能輸送酸性溶液。

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