輸氣管道內(nèi)減阻涂料性能參數(shù)對(duì)噴涂質(zhì)量影響的研究

王　磊，段紹明，劉楊宇，崔燦燦，郭曉軍?。ㄖ袊图瘓F(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451）

探索研究

輸氣管道內(nèi)減阻涂料性能參數(shù)對(duì)噴涂質(zhì)量影響的研究

王磊，段紹明，劉楊宇，崔燦燦，郭曉軍（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451）

通過對(duì)輸氣管道內(nèi)減阻涂料細(xì)度、觸變性、黏度、溫度等基本性能參數(shù)的研究，分析了噴涂試板的光澤、表觀形態(tài)、抗流掛性等特性，并確立了涂料性能參數(shù)與噴涂質(zhì)量之間的關(guān)系，為減阻涂料的噴涂施工提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

減阻涂料；性能參數(shù)；噴涂質(zhì)量

0　引言

21世紀(jì)初，我國首次將涂層減阻技術(shù)應(yīng)用于西氣東輸管道，此后又在陜京二線等大型輸氣管道上實(shí)現(xiàn)成功的工業(yè)化應(yīng)用［1］。根據(jù)減阻涂層在西氣東輸管道的實(shí)際應(yīng)用效果［2］，在實(shí)際輸送壓力下，減阻涂層減阻效果優(yōu)異，具有良好的耐磨性、耐久性，其中AW-01減阻耐磨涂料在“西氣東輸一線工程”中的應(yīng)用效果表明：管道摩阻因數(shù)降低26%～31%，輸氣量增加20%以上，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益可觀。隨后陜京線、中亞天然氣管道（A/B/C三段）、川氣東送線、中俄輸氣管線等均設(shè)計(jì)使用了內(nèi)減阻涂層技術(shù)。

西氣東輸工程有關(guān)專家對(duì)涂層減阻效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在同等輸送量的條件下，增壓站輸量減少，總功率消耗降低，總?cè)細(xì)庀囊泊蠓陆?。天然氣管道?nèi)涂層實(shí)際應(yīng)用效果［3］也表明，若選用合適的減阻涂料和正確的涂裝方法，在長輸天然氣管道中可以防止施工期間管線腐蝕，減少沉積物，改善清管效果，減少增壓站的數(shù)量，提高管道輸氣效率，降低管道綜合投資。

目前我國對(duì)減阻涂料配方的研究已基本成熟，但少有研究涉及涂料制備過程中的工藝因素對(duì)涂料施工性能的影響。由于工藝因素對(duì)減阻涂料的性能影響至關(guān)重要，相同的配方在不同工藝下制得的涂料其性能有很大差異。同時(shí)，詳細(xì)的涂料工藝性能參數(shù)一方面能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)有效地進(jìn)行，另一方面有利于對(duì)現(xiàn)有涂料配方進(jìn)行改進(jìn)。本研究以減阻涂料為主要研究對(duì)象，在符合技術(shù)指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，通過對(duì)涂料細(xì)度、觸變性、環(huán)境溫度等性能參數(shù)對(duì)涂料噴涂質(zhì)量的影響研究，為現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)提供參考。

1　試驗(yàn)部分

1.1原材料及主要儀器

E20環(huán)氧樹脂、改性聚酰胺固化劑、觸變劑、防沉劑、氧化鐵紅、硅灰石粉等。

Prona R-200噴槍、FG-20空壓機(jī)、NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、錐形磨、光澤度測(cè)試儀、QXD型刮板細(xì)度計(jì)等。

1.2試板的制備

根據(jù)減阻涂料配方制備用于噴涂的涂料基料，調(diào)整部分樣品組分后，用錐形磨研磨至指定的涂料細(xì)度。根據(jù)試驗(yàn)需要，分別將配制好的不同涂料基料與固化劑進(jìn)行充分混合攪拌，并按照《CDP-S-OGPAC-001-2011-2輸氣管道工程內(nèi)減阻涂層技術(shù)規(guī)格書》（以下簡(jiǎn)稱技術(shù)規(guī)格書）的要求在噴砂除銹后的75 mm×150 mm×0.80 mm的低碳鋼試板表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室噴涂試驗(yàn)。

2　結(jié)果討論

2.1細(xì)度對(duì)涂料施工性能的影響

涂料細(xì)度亦稱作研磨細(xì)度，表示涂料中的顏料、填料等粉狀物質(zhì)被研細(xì)分散在其中的程度，也可以用于檢測(cè)涂料中是否含有影響漆膜外觀平整度的雜質(zhì)。顆粒細(xì)、分散度好的涂料，其顏填料能較好地被潤濕，顆粒間未被漆料填充的空間較少。因此，研磨細(xì)度是防腐蝕涂料的重要內(nèi)在質(zhì)量之一，對(duì)漆膜的抗?jié)B性能、光澤度、黏度、表面狀態(tài)等均有較大的影響。同時(shí)，細(xì)度高、分散度好的涂料在貯存過程中，顏填料不易發(fā)生沉淀、結(jié)塊等現(xiàn)象，提高了涂料的貯存穩(wěn)定性。

2.1.1細(xì)度對(duì)噴涂試板光澤度的影響

漆膜光澤度是評(píng)價(jià)輸氣管道涂層減阻效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。漆膜光澤度測(cè)試原理如圖1所示，光源發(fā)射的光束經(jīng)透鏡L1后，在被測(cè)表面反射并到達(dá)透鏡L2，會(huì)聚后的光束在光柵B處經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，形成電信號(hào)，在顯示屏幕上輸出結(jié)果。

我們對(duì)相同配方的涂料進(jìn)行4遍不同程度的研磨，得到細(xì)度差異的試樣，依照技術(shù)規(guī)格書的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試板制備并烘干固化，同時(shí)增加常溫（25℃，60%相對(duì)濕度）下試板固化試驗(yàn)作對(duì)比，光澤度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖1　 漆膜光澤度測(cè)試原理圖Figure 1　The testing principle diagram of film gloss

表1　 不同研磨細(xì)度的涂料漆膜光澤度Table 1　The film gloss of coatings with different grind fineness

由表1可見：涂料細(xì)度的提高對(duì)漆膜光澤有較好的改善效果。試樣A中顏填料粒徑較大，大顆粒在表面的排布會(huì)導(dǎo)致經(jīng)光源發(fā)出的光線發(fā)生漫散射現(xiàn)象，影響反射光線的傳播，導(dǎo)致漆膜光澤度較差；隨著涂料細(xì)度的提高，試樣B、C的漫散射現(xiàn)象逐漸減弱，漆膜光澤度得到大幅提高；當(dāng)達(dá)到一定的細(xì)度后，由于研磨過程中溶劑揮發(fā)及超細(xì)顆粒吸油量提高等因素影響，導(dǎo)致試樣D表面光澤度較差。同時(shí)通過常溫及烘干固化結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)常溫固化時(shí)漆膜固化速度及溶劑揮發(fā)速度均較慢，使漆膜逐漸流平，導(dǎo)致常溫固化試板光澤度普遍較好。

2.1.2細(xì)度對(duì)涂料黏度的影響

涂料細(xì)度變化會(huì)對(duì)涂料體系中的顏填料、稀釋劑等產(chǎn)生較大影響，改變涂料的黏度導(dǎo)致施工后漆膜厚度及形態(tài)發(fā)生改變。涂料細(xì)度過高，會(huì)導(dǎo)致體系中的助劑等在高溫下失效、顏填料分散不均勻等，進(jìn)而影響涂料的性能。對(duì)比不同細(xì)度下的基料黏度，并對(duì)噴涂適用性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)?；橡ざ忍匦砸姳?。

由表2可見：涂料細(xì)度的提高會(huì)導(dǎo)致基料黏度增大。分析認(rèn)為，經(jīng)4遍研磨過程后，錐形磨溫度升高，會(huì)導(dǎo)致助劑體系破壞及溶劑揮發(fā)，使試樣D黏度有較大提高，噴涂過程中的霧化效果差。經(jīng)3遍研磨的涂料，黏度變化較小，對(duì)噴涂霧化效果的影響不明顯，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。

表2　 不同研磨細(xì)度的基料黏度Table 2　The viscosity of binder with different grind fineness

2.2觸變性對(duì)噴涂試板質(zhì)量的影響

觸變性是指涂料受到剪切時(shí)黏度變小，而停止剪切后黏度增大的性能。涂料具有良好的觸變性，可使其獲得較好的抗流掛能力，同時(shí)兼顧漆膜的流平性。對(duì)不同觸變劑用量（a>b>c>d）的減阻固化劑配用基料進(jìn)行噴涂試驗(yàn)，觀察觸變性對(duì)漆膜表觀形態(tài)的影響。

表3　 不同觸變劑用量對(duì)涂料觸變指數(shù)的影響Table 3　The influence of different amount of thixotropic agent on the thixotropic index of coatings

噴涂后的試板進(jìn)行烘干固化，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：觸變劑用量較大（a）時(shí)，漆膜表觀較差，產(chǎn)生嚴(yán)重的橘皮現(xiàn)象。同時(shí)由于涂料黏度較高，噴涂時(shí)漆膜厚度較難控制，導(dǎo)致漆膜烘干后出現(xiàn)較多針孔，嚴(yán)重影響噴涂施工的質(zhì)量；觸變劑用量為b時(shí)，由于噴涂霧化效果得到較大改善，漆膜橘皮現(xiàn)象有了明顯改善，但仍對(duì)漆膜的表觀形態(tài)產(chǎn)生一定的影響；觸變劑用量為c時(shí)，漆膜表觀良好；而觸變劑用量為d時(shí)，則出現(xiàn)明顯的漆膜流掛現(xiàn)象。同時(shí)通過光澤度對(duì)比發(fā)現(xiàn)：觸變劑的添加對(duì)漆膜具有一定的消光作用。結(jié)合漆膜表面的橘皮現(xiàn)象，導(dǎo)致觸變劑用量為a、b的試樣光澤度較差。

圖2　 不同觸變指數(shù)涂料固化后漆膜表面形態(tài)Figure 2　The film surface morphology of coatings with different thixotropy index

2.3涂料溫度及固化溫度對(duì)噴涂質(zhì)量的影響

涂料的溫度與黏度有直接關(guān)系。隨溫度的升高，涂料黏度下降，反之，溫度降低會(huì)使涂料黏度增大，導(dǎo)致噴涂涂料流量及霧化特性的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響漆膜外觀。固化溫度對(duì)于噴涂后漆膜的質(zhì)量影響較大，若達(dá)不到其所需的固化溫度，漆膜的力學(xué)性能和化學(xué)性能會(huì)大大降低，并且其外觀也受到很大影響?？疾炝送苛蠝囟燃肮袒瘻囟葘?duì)噴涂試板干燥固化的影響。

2.3.1涂料溫度對(duì)漆膜表觀形態(tài)的影響

涂料溫度對(duì)體系的黏度及觸變性產(chǎn)生影響。在噴涂作業(yè)時(shí)，由于需要經(jīng)噴槍霧化后在工件表面形成漆膜，導(dǎo)致不同溫度的涂料形成漆膜的厚度及表觀形態(tài)產(chǎn)生較明顯的差異，經(jīng)過烘干固化后，得到不同外觀的漆膜。因此選擇較為合適的涂料溫度或根據(jù)涂料溫度適當(dāng)調(diào)整噴涂作業(yè)工藝，能夠極大地改善現(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量。通過選擇5℃、15℃、25℃3種不同溫度的涂料在15℃環(huán)境下進(jìn)行噴涂施工，對(duì)噴涂情況進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4　不同溫度下涂料黏度及觸變指數(shù)的變化Table 4　The change of viscosity and thixotropic index of coatings under different temperature

由表4可見：當(dāng)溫度較低時(shí)，涂料黏度高、觸變性差，導(dǎo)致噴涂漆膜厚度大，且易發(fā)生流掛。而隨著溫度升高，涂料黏度降低，噴涂霧化效果得到改善，噴涂漆膜厚度適宜，同時(shí)隨觸變性的提高，體系的抗流掛性得到改善，漆膜表觀也得到提升。因此適當(dāng)提高涂料溫度，有利于減阻涂料現(xiàn)場(chǎng)噴涂工藝的控制與調(diào)節(jié)，冬季施工時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)涂料進(jìn)行加熱保溫，提高環(huán)境溫度以改善噴涂效果。其次，針對(duì)低溫施工，必要時(shí)進(jìn)行固化劑或基料觸變性的改善，以適應(yīng)低溫噴涂施工的抗流掛性要求。

2.3.2固化溫度對(duì)漆膜固化效果的影響

減阻涂料常溫固化緩慢，因此一般需要采取一定的加熱措施加速漆膜固化，固化溫度在40～60℃為宜。在4種固化溫度下，對(duì)試板的固化過程進(jìn)行觀察，并進(jìn)行4 h的耐溶劑（二甲苯與正丁醇配比為7∶3的混合溶劑）浸泡試驗(yàn)，觀察漆膜表觀變化，其結(jié)果如圖3所示。

圖3　 不同固化溫度對(duì)漆膜固化效果的影響Figure 3　The influence of different curing temperature on the curing effect of film

由圖3可見：較低的固化溫度（40℃）會(huì)導(dǎo)致漆膜的固化不徹底，經(jīng)溶劑浸泡后表面出現(xiàn)一定的脫色現(xiàn)象，且漆膜質(zhì)地軟、光澤差。同時(shí)由于固化溫度較低，漆膜完全固化需要5～6 h，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。而隨固化溫度升高（50～60℃），漆膜的固化效果較好，溶劑浸泡后無明顯變軟現(xiàn)象，并能夠得到符合光澤要求的表面。當(dāng)固化溫度達(dá)到80℃時(shí)，試板表面出現(xiàn)明顯起泡，這與溶劑未及時(shí)揮發(fā)，并在漆膜中留存形成氣泡有關(guān)，因此采用高溫固化時(shí)，建議將噴涂后的漆膜在室溫下放置0.5～1 h后，再進(jìn)行高溫固化。經(jīng)結(jié)果對(duì)比，理想的噴涂固化溫度以50～60℃為宜。

3　結(jié)語

通過以上研究可以看出，涂料細(xì)度、觸變性、涂料溫度、固化溫度等對(duì)減阻涂料的噴涂質(zhì)量均產(chǎn)生一定的影響：減阻涂料基料細(xì)度的提高，能夠極大地改善漆膜表面光澤，同時(shí)細(xì)度會(huì)對(duì)助劑體系及涂料黏度產(chǎn)生一定影響，存在最佳涂料研磨細(xì)度。通過調(diào)節(jié)固化劑的觸變性來改善涂料的噴涂效果，得到較為理想的觸變劑用量范圍。涂料溫度、固化溫度均對(duì)固化后漆膜的表觀產(chǎn)生影響，提高涂料溫度能夠改善噴涂的霧化效果，固化溫度的適宜范圍在50～60℃之間。

通過對(duì)涂料細(xì)度、黏度、觸變性、溫度、固化溫度等因素對(duì)噴涂試板表觀形態(tài)及光澤的影響研究，獲得了減阻涂料生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)噴涂施工環(huán)節(jié)的控制因素，從而為現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

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Study on the In f uences of Performance Parameters of Drag Reduction Coatings for the Gas Transmission Pipeline on the Spraying Quality

Wang Lei，Duan Shaoming，Liu Yangyu，Cui Cancan，Guo Xiaojun
（CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin，300451，China）

Through study on the basic performance parameters，such as fineness，thixotropy，viscosity，temperature etc. of drag reduction coatings for the gas transmission pipeline，the gloss，apparent morphology and sagging resistance etc. of spraying test plate were analyzed. And the relationship between the performance parameters of coatings and spraying quality was established，which can provide the corresponding technical support for the spraying construction of drag reduction coatings.

drag reduction coatings；performance parameter；spraying quality

TQ 630.7

A

1009-1696（2016）04-0001-05

2016-05-10

王磊，中國石油大學(xué)（華東）碩士畢業(yè)，助理工程師，主要從事防腐蝕工程涂料的研發(fā)工作。