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石油管道及设备用水性防腐涂料的研究

2019-05-16 13:54:55
作者:吴军萍
来源:浙江双屿实业有限公司

油田开采量的增加也导致注水水质恶化变差的问题,石油管道及设备部分长期暴露在污水环境中,使得受腐蚀现象日益严重,长此以往会导致管道及设备穿孔、起泡、开裂等问题的产生,降低管道及设备的使用寿命,影响石油的开采及运输。本文从防腐涂料出发,在分析防腐涂料发展的基础上,重点剖析用水性防腐涂料对石油管道及设备的防腐效果,对用水性防腐涂料作重点实验研究。

1 防腐涂料的发展

 

我国每年因为腐蚀造成的经济损失达到国民经济总产值的 5%,不仅造成严重的环境污染,还严重影响着经济的发展,所以近几年我国对于防腐涂料的研究进入快速发展阶段,随着科学技术的进步,防腐涂料也开始朝着高效、环保的材料方向发展。根据应用领域和防腐要求、程度的不同,目前主要有三大类防腐涂料 :


(1)重防腐涂料。重防腐涂料的适用领域是腐蚀性很强,特别恶劣的环境中,该涂料的使用寿命很长,如果是用于海洋环境设备或者化工环境中,其使用的寿命有 10-15 年,而用在酸碱性很强的环境中使用寿命也在5 年以上。目前重防腐涂料的种类有聚硅氧烷重防腐涂料、锌铝基重防腐涂料以及新型绿色生物基重防腐涂料等,这些重防腐涂料一般被广泛应用在化工企业各种成品油等溶剂的储罐中,也适用于海上石油平台,港湾码头和船舶工程的各种设备中。


(2)环氧树脂防腐涂料。传统的环氧树脂防腐涂料虽然具有较好的稳定性、粘接性和强度等优点,但是该涂料无法溶于水溶液中,如果添加有机溶剂于涂料中一方面有机溶剂价格较高,经济成本较大,另一方面有机溶剂容易挥发,含有毒性,并不适合环境保护要求。所以需要研发环保型的环氧树脂防腐涂料。在研究方面目前吴雪梅等人使用交流阻抗技术研究了二氧化钛改性的环氧树脂防腐涂料的性能,发现该涂料具有较强的耐腐蚀性和耐水性 ;李明等人研制了一种含有 25% ~ 35%环氧树脂、25% ~ 35% 玻璃鳞片、25% ~ 35% 固化剂和颜添料为基本配方的长效防腐涂料,在经过耐盐雾和耐湿热的反复实验中发现,该防腐涂料没有发生异常,说明涂料有较强的耐腐蚀能力,可以被应用在海洋石油平台以及其他石油化工产业的金属构件防腐保护中。


(3)水性防腐涂料。随着环境保护观念的深入人心,以及防腐涂料的进一步研究发展,发现过去大多数防腐涂料都是以溶剂型为主,但是溶剂型的防腐涂料含有苯类等易发挥物质,会对环境造成污染,而且转化效率也并不高。所以目前随着研究的发展,已经开始使用用水性防腐涂料来代替溶剂型的防腐涂料,尤其在化工石油领域,用水性防腐涂料被广泛应用在石油管道及其设备的防腐工程中。


孙秀萍等研制了主要原料为自制水性丙烯酸树脂 50%~60%、钛白粉 15%~25%、稀释剂 15%~20%及少量添加剂的面漆和防锈颜料 25%~30%、填料20%~25%、水 10%~15% 及其他助剂底漆的新型涂料。


经过研究发现该涂料具有很强的耐水性、耐酸性和耐碱性等,能被用于船舶内部钢制结构的防腐蚀工程中。蔡继权等用水性改性胺环氧固化剂和液体环氧树脂 828 中加入三聚磷酸铝、滑石粉、云母氧化铁红、磷酸锌及助剂研制了一种水性环氧防腐涂料。经过研究表明该涂料的耐水性能和耐腐蚀性能在同类产品中具有明显的优势,可用于储油罐、蓄水池、船舱等的内壁防腐保护。张晓娜以水性环氧乳液 40%~50%、三聚磷酸铝15%~20%、氧化铁黑 8% · 10% 及多种助剂制备的双组分水性环氧防腐涂料,经过测试研究,发现该合成的水性氧化树脂乳液和水性氧化固化加成物具有较高的相容性,物理和化学性能优越,适用于船舶、集装箱、石油化工管道等钢铁构件的防锈和防腐涂装。刘宗晨以环氧树脂、煤沥青、助剂和乳化剂为 A 组份,以固化剂、颜填料、助剂和水为 B 组份研制的水性环氧煤沥青防腐涂料,其防腐性能与溶剂型环氧煤涂料相当,而且具有不燃不爆,使用方便的优点,特别适用于地下室、水下设施中,不过其中的助剂也可能存在毒性,而目前在该涂料生产中无法解决毒性扩散的问题。


2 石油管道及设备用水性防腐涂料的实验研究

 

(1)石油管道及设备的防腐工程简析。化学反应或电化学反应引起的石油管道及设备腐蚀一方面将降低金属设备的使用寿命,使得有用的金属变成废品,造成资源浪费,影响石油的生产及运输 ;另一方面如果有毒、易燃易爆的石油管道及设备被腐蚀以后会造成有害物质的泄漏,从而造成环境污染,对人们的生命安全也构成威胁。所以需要对石油管道及设备采取防腐措施,一般的防腐措施有金属镀层、金属纯化和阴极保护等,对地上的石油管道及设备采取的是油漆涂料的涂料工艺,对地下管道及设备采取的是沥青涂料。


在防腐工程施工前,首先应该对管道及设备未刷过底漆的表面做清洁除污工作,可先使用汽油类溶剂进行除油,然后采用喷砂、化学酸洗的办法进行除锈。


(2)用水性防腐涂料的实验。用水性防腐涂料将水性环氧乳液作为种子乳液,然后通过添加组分丙烯酸单体、引发剂、交联剂等合成乳胶互穿网络,配合合适的闪蚀抑制剂及活性颜料,可以很好地解决水性涂料的易闪蚀问题。


在实验部分,所需的实验原材料包括双酚 A 环氧树脂、多元酚、脂肪族多环氧化物、二乙烯三胺、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、邻苯二甲酸二烯丙酯等。在实验探究中首先应该完成水性环氧乳液、互穿网络等的合成工艺。在制作水性环氧树脂固化剂时,第一步先将双酚 A 环氧树脂和足量的二乙烯三胺放入三口烧瓶中,加热搅拌,保持温度在 120~130 ℃,加热保温 2 h 后制成环氧树脂加成物 ;第二步将多余的二乙烯三胺去除,并放入脂肪族多环氧化物,将温度上调至140 ℃左右并保温2 h;第三步将温度控制在100 ℃左右,然后放入乙酸保温1 h后便可制得水性环氧树脂固化剂。


在制作水性环氧乳液时,第一步将双酚A环氧树脂、多元酚和此前已经制成的水性环氧固化加成剂放入三口烧瓶中,然后加入催化剂搅拌加热到 150 ℃,在出现放热反应后使用冷凝器将温度冷却保持在 150~160 ℃,并保温 1 h。第二步当混合反应物的放热反应结束后,应该继续加热将温度上调至 190,并保持一段时间。第三步继续冷却到 160 ℃,并放入稳定剂搅拌。


在合成聚合物互穿网络的时候,第一步将制成的环氧乳液与交联剂放入烧瓶中加热搅拌,并加入丙烯酸丁酯、苯乙烯等 ;第二步继续加热将温度保持在 50 ℃,并保温 2 h ;第三步缓慢升温并控制在 80 ℃左右,保温2 h,从而制成较为稳定的互穿网络。


在所有的合成制成完毕后,开始制作涂料漆浆,将已经制得的加成物与其他补助剂一起混合搅拌,继续加入闪侵蚀抑制剂中速搅拌 20 min 后,用离子水稀释,然后再研磨、过滤。


(3)用水性防腐涂料的实验结果。在上述的实验中,首先是固化剂等基料的合成,在比如水性环氧加成物的反应制作过程中,因为其反应原理和其他外界因素的影响会干扰加成物的合成稳定性,继而影响其存储、运输的稳定性。其中,影响合成物稳定性的最关键因素是反应中剩余的有机胺,其会和产物发生反应从而影响产物的水溶性,所以必须注意将反应物中剩余的有机胺去除干净。关于水性环氧乳液的合成,在本文实验中,基于环氧乳液的合成工艺和化学反应,直接将自制的环氧加成物作为乳化剂乳化环氧树脂,比加入传统的乳化剂优越性更强,能避免乳化剂对产物性能的影响。而为了解决水性涂料的闪蚀问题,本实验中使用了闪蚀抑制剂和活性颜料。


此外,在本实验中加入了有机助溶剂,是为了改进水性涂料的冻融稳定性,使得水性涂料的涂层变得光泽。


在实验中加入功能性助剂是为了解决水性涂料涂层表面有微孔,表面张力大的问题,在张力降低以后可以对石油管道的内壁起到防结垢和防结蜡的作用。最后关于引发剂和交联剂的作用,实验表明引发剂在前期使用量增多后,转化率提高,对聚合反应具有明显的促进作用,但是在量加入过多以后,反应速度和转化率下降,所以在实际的制作过程中要注意引发剂量的控制。


3 结语

 

综上,石油管道及设备的用水性防腐涂料是一种环保性能强,耐腐蚀、耐老化强以及强度高的环保型防腐涂料,该防腐涂料既解决了传统的溶剂型防腐涂料容易挥发,造成环境污染的问题,也解决了水性涂料闪蚀的问题,稳定性较强,适用范围广。


本文通过用水性防腐涂料生产的实验表明生产的原料、补助剂、颜填料、引发剂和交联剂等均对用水性防腐涂料起着不可小觑的作用,所以在实际的防腐涂料生产中必须改进生产工艺,注意各种反应物使用的量和顺序等。

 

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 石油管道及设备, 用水性防腐涂料, 实验研究

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