架空管道和储罐外防腐涂层-修改

1、氟碳涂料在架空管道和储罐外防腐涂层中应用的可行性分析一、介 绍架空管道及储罐是石油工业中的重要组成部分，也是管道运输中的主要设施。建国以来，随着我国石油工业的发展，特别近几年，管道及储罐的建设速度是很快的。腐蚀与防护问题一直是关系到管道及储罐可靠性及使用寿命的关键因素，估计因管道外腐蚀造成的石油事故占总事故的42。我国管道及储罐的腐蚀与防护技术主要始于20世纪50年代，80年代以后用于管道及储罐的防腐层与阴极保护技术得到了较为广泛的应用。90年代以后，此两项技术逐步完善，走向成熟。架空管道和储罐由于属于露天建筑物，因此架空管道和储罐防腐蚀涂层主要的性能要求是作为管道及储罐的防腐层应具备以下性能

2、：（1）. 较好的耐大气老化性；（2）. 良好的耐化学腐蚀性；（3）. 良好的耐水性；（4）. 足够的抗冲击、抗弯曲、耐磨等机械性能；（5）. 与金属有良好的粘结性；（6）. 耐温性；（7）. 具有良好的易修复性。目前国内较多应用的防腐涂层有聚氨酯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶、热喷涂锌铝及其合金、氯磺化聚乙烯防腐涂层，据我们所知国内还没有氟碳涂料应用的报道，少量聚脲的成功应用。在国外，特别在日本，氟碳涂料的应用是已经有相当成熟的应用。我们首先来比较这些防腐涂层的性能。表1 不同架空管线和储罐的外防腐涂层的性能比较涂层优 点缺 点使用温度(°C)相对价格（元/kg）聚氨酯优良的耐化学介质性

3、能；优良的机械性能；耐热性及电绝缘性能良好；耐候性好，特别是HDI；可在低温下（如0°C）良好成膜，装饰性好，漆膜饱满；可做成无溶液体涂料或粉末涂料；耐候性8年左右储存性能较差，必须隔绝水< 10040-80高氯化聚乙烯优良的化学稳定性，耐酸、碱、盐、化学药剂、水、油；良好的耐温及耐候性；耐菌及耐火性能 阻止细菌等生长，阻燃；优异的机械性能，抗冲击，柔韧性好；施工性能好 施工方便、费用低、成膜厚、价格适中、维修方便。漆膜较薄，需要多次涂装；金属的附着力稍差，多配套底漆；耐候性差。< 8010氯化橡胶化学稳定较性好，耐水、耐潮、耐磨。不耐紫外线，容易释放HCl，黄变；不耐溶

4、剂和氧化性酸，施工容易咬底；施工污染较大，工业国家已限制生产。< 7015-25热喷涂锌铝及其合金综合防腐性能好基底预处理要求高，到Sa3.0；施工不便；原料金属要求纯度高（Zn99.99，Al99.95）；施工费用高；表面需要封闭层，如环氧或聚氨酯。< 100-氯磺化聚乙烯有明显的耐候性及耐离子辐射，抗氧化作用；优良的耐酸、碱、盐，耐水、油；良好的韧性和粘结性，耐磨、防霉。固含量低，需要多次涂装；涂料存储期较短；传统溶剂型涂料，施工污染大。< 10014氟碳涂料超耐候性，耐候性大于20年；耐腐蚀和耐化学品性；耐污染性；优异的施工性能；高装饰性<150100-150聚脲

5、涂料不含催化剂，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂而不产生流淌现象；对水分、湿气不敏感，施工不受环境影响；100固含量，环保；1次施工达到厚度要求；涂层致密、无接缝，耐化学腐蚀；附着力好；耐击穿电压高，与阴极保护配套性好；伸长率可达300，耐候性与普通聚氨酯涂料相当。无法获得较薄的涂层（一般大于1mm），原料需要进口，单价较高，单位面积原料成本较高；需要专业喷涂设备<120-60从以上的比较来看，综合性能较为优越的涂料是聚氨酯、高氯化聚乙烯、热喷涂金属层、氟碳涂料和聚脲涂料。国内较多应用的是高氯化聚乙烯和热喷涂金属层，比较的典型的工程例子就是90年代在华北油田的储罐上的大规模应用

6、。而在这几种涂料性能中，最优异的无疑是国内在架空管道和储罐外防腐涂层中还未大规模应用的氟碳涂料和聚脲涂料。二、氟碳涂料简介 氟碳树脂是以含氟烯烃，如四氟乙烯（TFE）、三氟氯乙烯（CTFE）、偏二氟乙烯（VDF）氟乙烯（VF）等为基本单体进行均聚或共聚，或以此为基础与其他单体进行共聚以及侧链含有氟碳化学键的单体自聚或共聚而得到的分子结构中含有较多C-F化学键的一类树脂。氟碳涂料是以氟碳树脂为主成膜物，辅以各种改性树脂、颜料、填料，经分散、研磨、调色等加工而成的涂料。1. 氟碳涂料的分类 从1938年美国合成聚四氟乙烯树脂至今，已有60多年历史，美国、日本等国已开发出不同品牌和不同用途的数百种氟

7、碳涂料。氟碳涂料按形态的不同可分为水分散型，溶剂分散型，蒸发溶液型，可交联固化溶液型，粉末涂料等；按其功能可分为防腐型，耐温型， 装饰型，不粘型和低磨擦型等；按组成涂料树脂的不同又可分为聚氟乙烯涂料（PVF）， 聚偏二氟乙烯（PVDF）涂料，聚三氟氯乙烯（PCTFE）涂料，聚四氟乙烯（PTFE）涂料，聚全氟丙烯（FEP）涂料，乙烯/ 四氟乙烯共聚物（ETFE）涂料，乙烯/三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）涂料，四氟乙烯 /全氟烷基乙烯基醚共聚体（PFA ）涂料，氟烯烃-乙烯基醚共聚物涂料，氟橡胶涂料及各种改性氟树脂涂料。2. 氟碳涂料在建筑领域的发展历程 氟碳涂料从上世纪60年代就开始应用于建筑领

8、域，在建筑领域的发展已经历了热熔型、溶剂可溶型和水分散型三个阶段。 热熔型氟碳涂料需高温烘烤成膜。以PVF、PVDF、PTFE为代表的热塑性氟碳树脂为主成膜物。由于具有优良的耐溶剂性，不能在常温下溶解于通常溶剂中，只能制成水分散型涂料、粉末涂料或有机溶胶（非水分散体）涂料。其中建筑应用主要以Pannwalt公司于1965年开发的KYNAR 500 PVDF涂料为代表，由于热熔型 PVDF 氟碳涂料需在高温通过热熔融流平成膜，这一要求使其应用面受到限制，主要应用于建筑铝幕墙、铝型材、涂层铝板和涂层钢板等金属基材上，目前全世界有数亿平方米的建筑采用这种涂层。 溶剂溶解可交联型氟碳涂料是上世纪80年

9、代发展出来的一种带官能团，特别是（羟基OH）及（羧基COOH）官能团的新型含氟涂料，如氟烯烃乙烯基醚共聚物（FEVE）。 与PVDF 相比，它们被赋予了一定的活性官能团，它们不但保留了氟碳树脂的优良性能，而且由于官能团的引入，增加了在有机溶剂中的溶解性，提高了与颜料的分散性、包裹性及与交联剂的反应性，提高了光泽、柔韧性、固含量及施工性能。代表产品如：日本旭硝子公司三氟氯乙烯乙烯基醚多元共聚物Lumiflon 200和日本大金公司的四氟乙烯乙烯基醚多元共聚物（GK-570）。 20世纪90年代末，日本的Daikin公司合成了PVDF乳液共聚物，其性能特点是耐水性和耐候性与溶剂型PVDF涂料无明显

10、差异。日本的Asahi Glass开发出FEVE水分散体，是三氟氯乙烯/乙烯基单体/烯醇/烯酸四元共聚物，最后树脂中有相当多的OH，可以与异氰酸脂做成单组分和双组分热固性交联型涂料，但储存稳定性还有问题，无大规模产品化涂料问世。氟碳涂料的研究目前已经达到分子设计水平，可以根据实际的需要进行结构设计，在吸取氟碳树脂优异性能的同时赋予其他功能基团千差万别的个性，使其能满足各种使用条件的要求，如电子束固化涂料等。3. 氟碳涂料的典型特性氟碳树脂的诸多优异特性，取决于树脂中大量的C-F化学键。由于氟的电负性大，氟原子上带有较多负电荷，相邻氟原子之间相斥，使含氟烃链在氟原子沿着锯齿状的碳键作螺线型分布，

11、中间的一条碳链四周被一系列带负电的氟原子所包围，形成高度屏蔽的保护墙；分布对称结构，整个分子是非极性的；氟的极化率小；因此在化学上突出地表现为高度的稳定性和化学隋性。FC-S200系列氟碳涂料是以大金公司的四氟乙烯烃基乙烯基醚共聚物（FEVE）GK-570为主要成膜基料的氟碳涂料，它具有氟碳涂料所共有的优异性能，其户外耐候性可与PVDF涂料相媲美，甚至更佳。它侧链上的羟基使它克服了其它氟碳涂料必须高温烘烤的缺点，可以制成常温固化型涂料。FC-S200系列氟碳涂料具有良好的光泽，突出的耐候、耐酸碱、耐污染性，高装饰性，以及在混凝土、瓷砖、金属、塑料等表面的良好附着性，使FC-S200氟碳涂料成为

12、可广泛应用氟碳涂料秉承了氟碳树脂的优异特性，表现为：n 超耐候性涂层经长期的户外使用，涂层颜色可能改变，光泽会劣化，表面发生剥蚀、粉化，而氟碳涂料中氟树脂分子链上的氟碳键能够抵抗紫外线的降解作用，能在户外长期使用外观不变。一般的涂料户外寿命很短，只1-3年，就是丙烯酸树脂和有机硅改性树脂等所谓高档涂料在户外也只能保持数年的美观和对底材的保护作用，而氟碳涂料经户外长期使用和人工加速老化试验表明，可在户外使用二十年以上，外观仍完美如初。目前衡峰的常温氟碳涂料已经通过6000小时的人工加速老化实验，色差1.04；大金公司的超级人工老化实验2000小时后（相当于普通人工老化QUV8000小时），采用G

13、K-570四氟氟碳树脂的白色涂料，光泽保持率80以上，色差小于3。图1 氟碳涂料与其它涂料的超级人工加速老化比较（大金公司的资料）n 耐腐蚀和耐化学品性 实验表明氟碳涂料的耐酸、耐碱、耐化学品腐蚀性是其他涂层所无法相比的。树脂中含氟原子数比例最高的聚四氟乙烯涂料，其耐化学品腐蚀性能在所有的涂料中是最优异的，它耐所有的强酸、强碱、强氧化剂，仅与熔融的碱金属、高温下的F2等少数物质起反应。建筑用的氟碳涂层也可通过3000小时以上中性盐雾试验。氟碳涂层和其他涂层配合使用，通过多层次涂装，利用各涂层的装饰作用、隔热作用、屏蔽作用、缓蚀作用和阴极保护作用，达到对底材数十年以上的防腐装饰目的。n 耐污染性

14、采用大金GK-570树脂的氟碳涂层，具有亲水表面性能，具有自我润滑的表面，表面光滑，粘附性小，不易被污染，即使被污染也非常容易清洗。图2 不同涂料与衡峰氟涂料耐污性的比较（四年时间，左边一般涂料，右边衡峰公司氟碳涂料）n 优异的施工性能 氟碳涂料可以喷涂、辊涂、刷涂，具有优异的附着力和硬度，新型的氟碳涂料还克服了以前氟碳涂料不能常温固化的技术难题，实现了在施工现场涂装氟碳涂层的理想。能在几乎所有的材质上良好紧密的附着。氟碳涂料的长寿命，使涂一次可以维持许多年，维修工程简单，省去大量维修费和脚手架搭拆费。n 高装饰性 氟碳涂料可调配出实体色、金属色、珠光色、特殊色等各种色彩和低、中、高等各种光泽

15、，为设计师和业主提供了丰富的想象空间和奇异的装饰效果。n 耐温性氟碳涂层的耐温性很好。聚四氟乙烯涂层，能长期在-250C+250下使用，瞬间能耐300。其他氟碳涂层的耐温范围也极宽，能在-50-150下使用。三、氟碳涂料用于架空管道和储罐外防腐涂层的工艺方案针对架空管道和储罐的外防腐工艺，我们提出两种长效方案（*表示可选工艺，当氟碳面漆为普通铝粉漆，需要罩光漆）1. 普通氟碳涂料钢结构的管线和储罐防腐工艺对于普通的钢结构的管线和储罐氟碳涂料重防腐工艺，我们有比较成熟的一套工艺，已经有应用超过5年的时间，在室外对钢结构可以达到20年以上的防腐效果。其基本的工艺流程如下：基材的前处理涂环氧富锌底漆

16、（70100um）环氧云铁中间漆（70100um）涂氟碳面漆（2530um）*涂氟碳罩光漆（1015um）室温7天或100°C30分钟烘烤，完全固化。（*表示可选工艺）这些涂层的作用如下：基材前处理-除去底材面的铁锈、油污、灰尘，提高涂料与金属基材的结合力。涂环氧富锌底漆提供涂层与底材面的附着力和对底材的阴极保护作用，提高涂层耐蚀性。涂环氧云铁底漆提供涂层对底材的屏蔽作用，提高涂层耐蚀性，提高面漆涂层与底材面的附着力。涂氟碳面漆主要的防护、装饰保护层，提供涂层对底材的屏蔽作用，提供涂层强耐蚀性、耐候性。涂氟碳罩光漆提高涂层装饰保护性，提供涂层强耐蚀性、耐候性。当氟碳面漆为铝粉金属漆时

17、采用，当面漆为实色漆或珠光金属漆，氟碳罩光漆不涂。涂层稳定和固化氟碳涂料涂装完成后的涂层需经7天的成熟反应才能达到使用要求。 表2 户外架空管道和储罐氟碳涂装材料耗量：（以平方米计算）材 料推荐耗量（公斤/平方）环氧富锌底漆（工艺B）0.30环氧富锌固化剂（固化比10：1）0.03环氧云铁底漆0.30环氧云铁固化剂（固化比7：1）0.04氟碳金属色面漆（固化比10：1）0.20G2固化剂0.02氟碳罩光漆（固化比10：1）0.20G2固化剂0.02稀释剂0.202. 涂装工艺过程及要求A普通氟碳涂料钢结构的管线和储罐防腐工艺1) 喷砂除锈：喷砂厂对有氧化皮钢材喷砂处理至Sa2.5级；无氧化皮钢

18、材喷砂处理至Sa2.5级或弹性砂轮片打磨除锈至St3级；涂有车间底漆的钢材采用清扫喷砂或弹性砂轮片打磨除锈至St3级。2) 喷砂厂涂装环氧富锌底漆：在喷砂除锈处理至Sa2.5级后，立即涂装环氧富锌底漆，涂装厚度30um左右，干燥48小时以上方可运输。3) 涂装环氧富锌底漆：车间焊接、火焰切割或火工校正烧损部位，吹扫除去焊渣、飞溅物，喷涂环氧富锌底漆一道，厚度40-70um。4) 涂装环氧云铁中间漆：喷涂环氧云铁底漆一道，厚度70100um。5) 涂装氟碳面漆：涂氟碳面漆二道，厚度30um。6) 涂装氟碳罩光漆：涂氟碳罩光漆一道，厚度15um。7) 涂装间隔：底漆涂装后需要固化48小时再涂装下一

19、道，每一道面漆的涂装间隔不小于1小时。8) 涂层稳定与固化：室温7天或100°C30分钟烘烤，完全固化3. 氟碳涂层的性能我公司的氟碳涂料可以达到AAMA2605（2002）氟碳涂料的标准，其基本性能列在下表。表3 衡峰氟碳涂层的各种性能性能与品质采用标准FC-S200型氟碳涂料性能基材钢颜色具实体、珠光、金属光泽的各种色彩远近观察均匀一致无色差60 光泽ASTM D-523无光、半光、高光膜厚(干膜)ASTM D-1400底涂 100+100um面涂 20-30 um罩光 10-15 um硬度(铅笔)ASTM D-3363最小 F附着力划格法100/100 耐温性-30-100无变

20、化耐盐雾性ASTM B-1173000小时耐酸性ASTM D-130810%HCL 15min20% 硫酸 18h无影响 无影响耐碱性ASTM C-207混凝土灰浆 24h无影响耐洗涤剂性3% 40 72h无影响耐候性(日光加速)ASTM E423000小时 光泽损失小于20% 颜色变化不大于5NBS单位四、采用全寿命经济分析法分析钢结构管道和储罐的外防腐涂装工艺“全寿命经济分析法”是在成本效益分析基础上，将工程的使用年限作为主要考察指标的一种经济分析方法。它起源于美国，美国法典（USC）对于“全寿命经济分析法”的定义是“这是一种程序和方法，用于评价可行计划项目的总经济价值。包括初始成本和经折

21、扣的进一步成本整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理的费用”。建立在全寿命经济分析法分析基础上的钢结构防腐蚀设计和施工，与传统的涂层相比，在技术、经济上要更为合理、更具竞争性。钢结构涂装不仅应重视初期投资，而且更应该重视钢结构在运转、维修、保养、停工等费用。我们应该避免走“眼前少花钱，而后花大钱”的老路。因此，钢结构管道和储罐要求采用半永久性涂装甚至永久性涂装，即在整个服役期间只进行一次大修或不进行大修，只需进行维护涂装，就能保证管道和储罐的防腐蚀效果，即要求钢结构管线和储罐的涂层寿命在20年以上。为了达到以上目的，新建管线和储罐宜采用表面涂装富锌类防腐漆或进行喷金属处理，再涂装其它配套

22、漆。由于氯化橡胶中氯的质量分数高达65%以上，在受紫外线照射时，常析出氯化氢而降解。用于钢结构表面，这种面漆的装饰性较差，其外观寿命一般不超过五年，在户外使用一、二年后就会严重失光、失色，装饰性能极差，无法适应现代社会同时强调防腐和装饰的新要求。高氯化聚乙烯和氯磺化聚乙烯都是传统的单组分防锈漆，都是污染较重的热素性涂料，耐候性较差，耐化学腐蚀性能上也与交联型氟碳涂料有很大的差距。丙烯酸聚氨酯涂料的耐候性较佳，但它的户外使用寿命也只有8年左右，在恶劣的沙漠、荒野环境下，其耐久性就更短。在现有有机涂料中，只有耐候性最佳的氟碳涂料，能够在户外寿命超过过20年。表4 常见氟碳涂料的主成膜物及其结构编号

23、氟碳涂料主成膜物理论含氟量（）分子结构1聚偏二氟乙烯PVDF59.3(CH2CF2)n2三氟氯乙烯乙烯基酯共聚物26-28%(CFClCF2)n(CH2HCOOR)m3三氟氯乙烯乙烯基醚共聚物26-28%(CFClCF2CH2HCOR)n4四氟乙烯乙烯基酯共聚物32-34%(CF2CF2)n(CH2HCOR)m5四氟乙烯乙烯基醚共聚物32-34%(CF2CF2CH2HCOR)n不同的氟碳涂料所采用的氟碳树脂也不一样。衡峰公司室温固化氟碳涂料所采用的氟树脂是大金化学特许提供的四氟乙烯乙烯基醚氟碳树脂GK-570。以往日本进口氟涂料常用的三氟氯乙烯乙烯基醚共聚物（如旭硝子公司的Lumiflon），

24、由于单体竞速率原因，不会发生醚与醚的接枝，是严格的交替共聚物（ABABAB），分子链节上稳定性较差的乙烯基醚片断为稳定性较好的三氟氯乙烯片断所屏蔽和包围，因此耐老化性能好，含氟量约26，耐人工老化超过4000小时以上。而三氟氯乙烯乙烯基酯共聚物的分子结构为非严格的交替共聚物（ABABBAB），存在连续的乙烯基酯共聚片断，这是耐化学性和耐候性不佳的地方，这种链节也降低了其含氟量为到约25（国产约23.5）。尽管从含氟量来看仅仅比三氟氯乙烯乙烯基醚共聚物降低约1，其耐老化性能差很多，仅仅只能耐人工老化到20003000小时，差1000小时以上。目前国内氟涂料生产厂商主要采用的还是三氟氯乙烯乙烯基酯

25、共聚物为氟碳涂料的成膜物。衡峰公司目前所采用的四氟乙烯乙烯基醚由于氟烯烃链节中不存在氯原子，因此提高了其在防腐蚀领域的效果。由于氟含量的进一步提高（>35），四氟乙烯乙烯基醚涂料具有比三氟型涂料更优异的耐候性、耐化学品性、防腐性和防污性。从综合性能来看，四氟乙烯乙烯基醚交替共聚物树脂（如日本大金GK-570）为目前常温固化氟碳涂料中性能最佳的氟树脂。从其分子结构而言，四氟乙烯链节保证了树脂所需要的耐候性、耐久性，而其它不同官能基团的烃基乙烯基醚则赋予树脂在有机溶剂中的溶解性、与颜料的相容性、光泽、柔韧性、硬度与底材的附着力等。而乙烯基醚与氟烯烃之间的严格交替排列共聚可以使化学性能稳定的氟乙烯链节形成空间屏蔽，保护较低稳定性的乙烯基醚链节受到化学能介质的侵袭。因而，FC-S200采用日本大金Zeffle GK-570为主成膜物衡峰公司采用全寿命经济分析法，在总结国内外钢结构防腐设计上的各种经验基础上，在2001年就提出了以超耐候的常温固化FC-S200氟碳涂料为面漆的FUVITST钢结构涂装系统，其中所采用的涂层体系就是环氧富锌底漆环氧云铁涂层FC-S200氟碳涂料面漆，估计室外使用寿命可达20年以上。已经达到全寿命经济分析法要求的钢结构架空管道和储罐的使用寿命要求。五、衡峰钢结