20世紀70年代，中國第一代管道人修建了著名的大慶至鐵嶺的輸油管道，由于當時的技術(shù)條件比較落后，這條管線全線采用熱澆石油瀝青防腐。30多年后，很多地段的防腐層已經(jīng)嚴重老化，甚至出現(xiàn)嚴重穿孔現(xiàn)象，因此對于老管道防腐層大修材料的研究成為一個重要課題。近年來，出現(xiàn)的管道防腐層大修的材料有很多，如環(huán)氧煤瀝青、冷纏帶、無溶劑液體環(huán)氧、100%固體剛性聚氨酯等，這些材料在確保管線不停輸?shù)臈l件下對防腐層的大修起到了重要作用。本文旨在討論一種新型的管道防腐層大修防腐材料———無溶劑環(huán)氧玻璃鋼，該材料不僅可以起到防腐作用，還在一定程度上彌補了管道石油瀝青防腐層因失效、老化帶來的嚴重銹蝕、穿孔等造成管體強度下降的缺陷。
材料研制部分
1.1 原材料及實驗設(shè)備
實驗原材料包括環(huán)氧樹脂、改性胺類固化劑、環(huán)氧活性稀釋劑、體質(zhì)顏料、中堿無捻無蠟玻璃纖維布、助劑。實驗設(shè)備有烘箱、電子秤、攪拌器、膠體磨、燒杯、玻璃棒等。
1.2 膠粘劑的制備
先將環(huán)氧樹脂加熱到80～110℃將其黏度降低，然后將環(huán)氧樹脂、環(huán)氧活性稀釋劑稱量后加入燒杯攪拌均勻，依次加入助劑和體質(zhì)顏料，高速攪拌30min，研磨包裝制成膠粘劑的甲組分；把環(huán)氧固化劑過濾包裝為膠粘劑的乙組分。甲乙組分按比例混合后即得無溶劑環(huán)氧玻璃鋼的膠粘劑。
1.3 試板制備
先將樣板進行噴砂處理，使其表面達到GB/T8923規(guī)定的Sa2.5級以上，然后用有機溶劑將表面擦凈，待溶劑完全揮發(fā)后即可進行玻璃鋼試板的制作。試板制作時膠粘劑應(yīng)浸透玻璃布，嚴禁出現(xiàn)漏涂現(xiàn)象。此過程除第一道膠粘劑需要表干后再進行下一工序，其他過程均可濕碰濕涂裝。制作的試板實干后，經(jīng)烘箱110℃加熱40min即可進行各項性能的檢測。試板的制作流程為：樣板噴砂→涂第1道膠粘劑→涂第2道膠粘劑→貼第1道玻璃布→涂第3道膠粘劑→貼第2道玻璃布→涂第4道膠粘劑。
1.4 性能指標
性能的檢測委托國家級實驗室中國石油管道公司科技中心綜合實驗室進行，檢測結(jié)果見表1。
結(jié)果與討論
2.1 成膜物質(zhì)的選擇
環(huán)氧樹脂是制備無溶劑玻璃鋼最重要的成膜物質(zhì)之一，其分子結(jié)構(gòu)中大量的羥基和醚鍵能對鋼鐵表面提供良好的粘接力，分子結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)能提供良好的耐化學性。環(huán)氧樹脂固化后形成高密度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)格可透過水分子，因而能透過陰極保護電流。文獻介紹，透水率低的覆蓋層的防腐性能較好，但透水率并不是覆蓋層防腐性能的決定控制因素，而覆蓋層的透氧率可能會控制腐蝕速度，加速覆蓋層的失效過程，環(huán)氧樹脂固化后形成高密度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)恰好能夠阻擋氧氣的輸送，從而使鋼質(zhì)管道的陰極因沒有足夠的氧氣，腐蝕不能進行。因為相對分子質(zhì)量大、分子鏈長的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基和甲基，但羥基的親水性，造成其耐介質(zhì)浸泡性能差；相反，相對分子質(zhì)量小的環(huán)氧樹脂，體現(xiàn)的性能正好與前者相反。而且研究還表明大分子的環(huán)氧樹脂固化后的表面電阻率高于小分子環(huán)氧樹脂。經(jīng)大量實驗篩選，最終確定選擇環(huán)氧值為0.50～0.54的低黏度的環(huán)氧樹脂作為成膜物質(zhì)。
2.2 稀釋劑的選擇
活性稀釋劑參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，降低環(huán)氧樹脂的黏度，增加了固化交連后分子鏈段長度，提高交聯(lián)密度，改進了韌性、耐腐蝕性能。所以選擇1%～20%用量的活性稀釋劑來降低環(huán)氧樹脂的黏度，提高機械性能。
2.3 固化劑的選擇
環(huán)氧樹脂固化劑主要有脂肪胺類、聚酰胺類、酚醛胺類、改性脂環(huán)胺類等。脂肪胺類固化劑固化性能良好，但它與環(huán)氧樹脂混合時易揮發(fā)，毒性大，不宜用于環(huán)保型涂料體系中；聚酰胺類固化劑雖然具有良好的彈性粘接力和耐酸堿性能，但它固化緩慢且黏度大，不適合做無溶劑涂料；酚醛胺類固化劑可以使環(huán)氧樹脂在低溫、潮濕的條件下固化，耐蝕性良好，但黏度較大；改性脂環(huán)胺類固化劑由于分子結(jié)構(gòu)的特殊，黏度低，毒性很小，固含量達到100%，且耐化學性優(yōu)良，克服了脂肪胺類固化劑毒性大，酚醛胺黏度大的缺點，機械性能、耐蝕性能均有所提高，因此選用酚醛胺類和改性脂環(huán)胺類固化劑進行復配，既保證了涂層的綜合防腐性能又降低了成本。
2.4 玻璃纖維布的選擇
耐腐蝕玻璃制品所采用的玻璃纖維為無堿纖維、中堿纖維。玻璃纖維物理機械性能符合表2的規(guī)定。為了提高涂層的性能，考慮到環(huán)氧樹脂具有較好的耐堿性，所以采用含堿量不大于12%中堿且無捻無蠟的平紋玻璃纖維布。
2.5其他材料的選擇
體質(zhì)填料選擇了可以提高涂層強度，又能降低涂膜因固化產(chǎn)生收縮的惰性體質(zhì)填料和提高抗?jié)B性的鱗片狀填料；助劑方面，選擇了分散劑和消泡劑改善無溶劑環(huán)氧玻璃鋼膠粘劑的貯存穩(wěn)定性和施工性，另外有研究表明，在環(huán)氧涂料中加入2%左右的硅烷偶聯(lián)劑能夠顯著提高涂層與基材的附著力。
推薦防腐層等級與結(jié)構(gòu)
無溶劑環(huán)氧玻璃鋼的等級與結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境和工程的具體要求，按表3的規(guī)定選定。
無溶劑環(huán)氧玻璃鋼具有良好的附著力，優(yōu)異的機械力學性能、耐腐蝕性和抗陰極剝離性能，所以特別適合作為采用涂層和陰極保護聯(lián)合防護的埋地管道防腐層大修的材料。尤其是無溶劑環(huán)氧玻璃鋼對老化管線的增強、補強作用更突出了其作為管道防腐層大修材料的優(yōu)越性。(end)
材料研制部分
1.1 原材料及實驗設(shè)備
實驗原材料包括環(huán)氧樹脂、改性胺類固化劑、環(huán)氧活性稀釋劑、體質(zhì)顏料、中堿無捻無蠟玻璃纖維布、助劑。實驗設(shè)備有烘箱、電子秤、攪拌器、膠體磨、燒杯、玻璃棒等。
1.2 膠粘劑的制備
先將環(huán)氧樹脂加熱到80～110℃將其黏度降低，然后將環(huán)氧樹脂、環(huán)氧活性稀釋劑稱量后加入燒杯攪拌均勻，依次加入助劑和體質(zhì)顏料，高速攪拌30min，研磨包裝制成膠粘劑的甲組分；把環(huán)氧固化劑過濾包裝為膠粘劑的乙組分。甲乙組分按比例混合后即得無溶劑環(huán)氧玻璃鋼的膠粘劑。
1.3 試板制備
先將樣板進行噴砂處理，使其表面達到GB/T8923規(guī)定的Sa2.5級以上，然后用有機溶劑將表面擦凈，待溶劑完全揮發(fā)后即可進行玻璃鋼試板的制作。試板制作時膠粘劑應(yīng)浸透玻璃布，嚴禁出現(xiàn)漏涂現(xiàn)象。此過程除第一道膠粘劑需要表干后再進行下一工序，其他過程均可濕碰濕涂裝。制作的試板實干后，經(jīng)烘箱110℃加熱40min即可進行各項性能的檢測。試板的制作流程為：樣板噴砂→涂第1道膠粘劑→涂第2道膠粘劑→貼第1道玻璃布→涂第3道膠粘劑→貼第2道玻璃布→涂第4道膠粘劑。
1.4 性能指標
性能的檢測委托國家級實驗室中國石油管道公司科技中心綜合實驗室進行，檢測結(jié)果見表1。
表1無溶劑環(huán)氧玻璃鋼性能指標
結(jié)果與討論
2.1 成膜物質(zhì)的選擇
環(huán)氧樹脂是制備無溶劑玻璃鋼最重要的成膜物質(zhì)之一，其分子結(jié)構(gòu)中大量的羥基和醚鍵能對鋼鐵表面提供良好的粘接力，分子結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)能提供良好的耐化學性。環(huán)氧樹脂固化后形成高密度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)格可透過水分子，因而能透過陰極保護電流。文獻介紹，透水率低的覆蓋層的防腐性能較好，但透水率并不是覆蓋層防腐性能的決定控制因素，而覆蓋層的透氧率可能會控制腐蝕速度，加速覆蓋層的失效過程，環(huán)氧樹脂固化后形成高密度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)恰好能夠阻擋氧氣的輸送，從而使鋼質(zhì)管道的陰極因沒有足夠的氧氣，腐蝕不能進行。因為相對分子質(zhì)量大、分子鏈長的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基和甲基，但羥基的親水性，造成其耐介質(zhì)浸泡性能差；相反，相對分子質(zhì)量小的環(huán)氧樹脂，體現(xiàn)的性能正好與前者相反。而且研究還表明大分子的環(huán)氧樹脂固化后的表面電阻率高于小分子環(huán)氧樹脂。經(jīng)大量實驗篩選，最終確定選擇環(huán)氧值為0.50～0.54的低黏度的環(huán)氧樹脂作為成膜物質(zhì)。
2.2 稀釋劑的選擇
活性稀釋劑參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，降低環(huán)氧樹脂的黏度，增加了固化交連后分子鏈段長度，提高交聯(lián)密度，改進了韌性、耐腐蝕性能。所以選擇1%～20%用量的活性稀釋劑來降低環(huán)氧樹脂的黏度，提高機械性能。
2.3 固化劑的選擇
環(huán)氧樹脂固化劑主要有脂肪胺類、聚酰胺類、酚醛胺類、改性脂環(huán)胺類等。脂肪胺類固化劑固化性能良好，但它與環(huán)氧樹脂混合時易揮發(fā)，毒性大，不宜用于環(huán)保型涂料體系中；聚酰胺類固化劑雖然具有良好的彈性粘接力和耐酸堿性能，但它固化緩慢且黏度大，不適合做無溶劑涂料；酚醛胺類固化劑可以使環(huán)氧樹脂在低溫、潮濕的條件下固化，耐蝕性良好，但黏度較大；改性脂環(huán)胺類固化劑由于分子結(jié)構(gòu)的特殊，黏度低，毒性很小，固含量達到100%，且耐化學性優(yōu)良，克服了脂肪胺類固化劑毒性大，酚醛胺黏度大的缺點，機械性能、耐蝕性能均有所提高，因此選用酚醛胺類和改性脂環(huán)胺類固化劑進行復配，既保證了涂層的綜合防腐性能又降低了成本。
2.4 玻璃纖維布的選擇
耐腐蝕玻璃制品所采用的玻璃纖維為無堿纖維、中堿纖維。玻璃纖維物理機械性能符合表2的規(guī)定。為了提高涂層的性能，考慮到環(huán)氧樹脂具有較好的耐堿性，所以采用含堿量不大于12%中堿且無捻無蠟的平紋玻璃纖維布。
表2 玻璃纖維的物理機械性能
2.5其他材料的選擇
體質(zhì)填料選擇了可以提高涂層強度，又能降低涂膜因固化產(chǎn)生收縮的惰性體質(zhì)填料和提高抗?jié)B性的鱗片狀填料；助劑方面，選擇了分散劑和消泡劑改善無溶劑環(huán)氧玻璃鋼膠粘劑的貯存穩(wěn)定性和施工性，另外有研究表明，在環(huán)氧涂料中加入2%左右的硅烷偶聯(lián)劑能夠顯著提高涂層與基材的附著力。
推薦防腐層等級與結(jié)構(gòu)
無溶劑環(huán)氧玻璃鋼的等級與結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境和工程的具體要求，按表3的規(guī)定選定。
表3 推薦防腐層等級與結(jié)構(gòu)
無溶劑環(huán)氧玻璃鋼具有良好的附著力，優(yōu)異的機械力學性能、耐腐蝕性和抗陰極剝離性能，所以特別適合作為采用涂層和陰極保護聯(lián)合防護的埋地管道防腐層大修的材料。尤其是無溶劑環(huán)氧玻璃鋼對老化管線的增強、補強作用更突出了其作為管道防腐層大修材料的優(yōu)越性。(end)
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