引 言

目前熱力管道內(nèi)壁均為裸管設(shè)計和運行，沒有涂層保護且表面粗糙。隨著供熱年限的延長，熱力管道逐漸被熱介質(zhì)腐蝕，造成管道內(nèi)壁減薄，甚至穿孔，易引起爆管造成人員傷亡等重大安全事故，給供熱企業(yè)帶來巨大的安全風(fēng)險和經(jīng)濟損失。供熱管道設(shè)計使用年限一般為 30 a 以上，但因管道腐蝕產(chǎn)生的穿孔、爆管等事故大大降低了其使用年限。另外，對于大口徑長距離供熱管內(nèi)壁粗糙，管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)生的銹垢越來越嚴(yán)重，粗糙度不斷增加，引起輸送阻力不斷增加，同時引起換熱器結(jié)垢、換熱效率下降。

因此，針對以上問題開發(fā)了一種具有良好防腐蝕性能、優(yōu)異內(nèi)壁減阻節(jié)能效果的涂料應(yīng)用在供熱管道領(lǐng)域。該技術(shù)通過在熱力管道內(nèi)表面涂敷一層有機-無機雜化并經(jīng)納米功能材料改性的防腐疏水涂層，該涂層具有良好的防腐性能和機械強度、表面光潔度、疏水性，從而確保了該涂層對熱力管道具有良好的耐高溫防腐蝕保護、提高管道運行的安全性、延長管道運行壽命、降低工程初期投資、降低管道輸送壓力、提高輸送流量、提高供熱效率、節(jié)省能源消耗、降低供熱運行成本。經(jīng)評價，該技術(shù)對熱力管道減阻率和輸送能耗降低達到33%~39%。

1、實驗部分

1.1 原材料

溶劑二甲苯，正丁醇：分析純，國藥集團；顏填料磷酸鋅、鈦酸鉀晶須、三聚磷酸鋁、酞青綠、滑石粉等：市售；改性環(huán)氧樹脂、改性氟聚合物及胺固化劑：自制 ；分 散 劑 BYK163、消 泡 劑 BYK052、流 平 劑BYK358N：畢克化學(xué)；膨潤土SD-2：海明斯公司。

1.2 儀器設(shè)備

多功能分散機、沖擊試驗器：上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；錐形磨：天津市精科聯(lián)材料試驗機有限公司；制樣罐、高壓無氣噴涂機：深圳市阿爾法工業(yè)設(shè)備有限公司；差示掃描量熱儀：梅特勒托利多；表面張力測試儀：德國 KRUSS；高溫高壓釜：海安石油科研儀器有限公司；電化學(xué)工作站：美國CAMRY600；恒溫水浴鍋：蘇州威爾實驗用品有限公司；Q-FOG 鹽霧箱：美國Q-LAB。

1.3 涂層的制備

按表 1 配方計量向制樣罐中邊分散邊加入二甲苯、正丁醇、改性環(huán)氧樹脂、改性氟聚合物，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹尤胫鷦〣YK163、BYK052、BYK358N、PM1510分散5~10 min后，再加入SD-2，高速分散10~15 min。然后再邊分散邊依次加入剩余 5 種顏填料，中速攪拌分散 20 min 左右。進入錐形磨研磨細度至60 μm左右。即得到涂料A組分。B組分為胺固化劑。測試樣板使用規(guī)格 150 mm×75 mm×6 mm 的碳鋼板，事先經(jīng)過鋼丸噴砂處理。A組分與B組分按照一定的比例混合均勻后進行高壓無氣噴涂，制備樣板。樣板在室溫下放置7 d，即可達到彎曲固化，進行測試。

2、結(jié)果與討論

2.1 涂層的熱特性分析

由于涂層中含有 F-C 鍵和苯環(huán)結(jié)構(gòu)、Si-C 鍵等，形成的涂層熱力學(xué)穩(wěn)定性好。通過差示掃描量熱儀DSC 對涂層的熱性能進行評價，結(jié)果如圖 1 所示，得到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 T g ＞130 ℃，證明了該材料具有優(yōu)異的耐溫性，適合應(yīng)用于熱力管道的防腐保護。

 2.2 涂層的耐鹽霧腐蝕性能評價

將A組分與固化劑配成涂料，制得漆膜。涂層干膜厚度 400 μm 左右，進行中性鹽霧測試 5 000 h 后，其漆膜狀態(tài)如圖2所示。從圖 2 可以看出，耐中性鹽霧測試 5 000 h 后，涂層僅在劃線處有較輕微的生銹現(xiàn)象，耐鹽霧性能優(yōu)異。這是因為涂料配方中選擇的樹脂酸值較低，顏填料的電阻值比較大且 pH 值較高，這樣形成的涂膜電阻大，不容易形成腐蝕電流；同時體系玻璃化溫度（ T g ＞130 ℃）遠遠高于鹽霧實驗溫度 35 ℃,這樣涂膜不容易軟化受到侵蝕；該體系形成的涂層非常致密且由于鈦酸鉀晶須的添加，起到了水阻換劑的作用，即涂膜覆蓋在基材表面后能夠與金屬原子緊密結(jié)合，阻止水分子到達基材表面并與之結(jié)合，這樣就降低了水氧原子與鐵原子發(fā)生陰陽極反應(yīng)產(chǎn)生氣體鼓泡和生銹現(xiàn)象，能夠顯著提高耐鹽霧和防銹性能；該涂層具有較好的干濕態(tài)附著力，尤其是濕態(tài)附著力大于銹蝕時氣泡產(chǎn)生的壓力，涂膜的生銹和氣泡現(xiàn)象會降到最低，從而提高了耐鹽霧性。綜合以上原因，該涂料涂層具有優(yōu)異的耐鹽霧性能。

2.3 涂層的耐高溫水煮性能評價

將A組分與固化劑配成涂料，制得漆膜。涂層干膜厚度400μm 左右，放入 95 ℃水中浸泡 900 d 后取出，測試水煮后的涂層附著力。具體如圖3所示。由圖3可知，900 d測試結(jié)束后，取出涂層，測試其附著力依然在 7.61~9.14 MPa 之間。說明涂層具有優(yōu)異的耐高溫水煮性能，可以長期服役于熱力管道內(nèi)壁。這是因為涂層的Tg達到130 ℃以上，遠高于95 ℃的水煮環(huán)境，涂層在水煮中不會出現(xiàn)軟化情況；其次，使用自制的樹脂和固化劑復(fù)配體系，交聯(lián)密度比較高，同時加入了附著力促進劑 PM1510 烷基丙烯酸磷酸酯，使得涂層與底材形成了部分的 N-H 以及 P-H之間的氫鍵，這兩種氫鍵不容易被水分子的-OH氫鍵取代，因此涂層的濕態(tài)附著力較高，不容易出現(xiàn)起泡現(xiàn)象；另外，體系有比較合理的顏基比，孔隙率較低，抗水汽滲透性能好，耐水煮性能較高。

2.4 電化學(xué)阻抗評價

電化學(xué)交流阻抗測試采用美國GAMRY Reference600電化學(xué)工作站進行。三電極體系，涂層/碳鋼板為工作電極，輔助電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極，測量溫度為室溫，工作液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.5%的NaCl溶液。

以 A 組分與固化劑配成涂料，制得涂層。將該涂層浸泡入3.5%的NaCl溶液中，分別在未浸泡時、浸泡360 d 以及 720 d 測試其電化學(xué)阻抗。其阻抗譜如圖圖4所示。由圖4可以看出，0~360 d的阻抗譜圖表現(xiàn)為一個高阻抗的單容抗弧，這一階段對應(yīng)的涂層劣化過程為涂層滲水階段。時間增大，抗弧對應(yīng)的圓的半徑減小，涂層電容值增大，說明水不斷地向涂層內(nèi)部滲透。

720 d的阻抗譜圖表現(xiàn)為一個高阻抗的容抗弧和較低阻抗的容抗弧，表現(xiàn)出明顯的兩個半圓弧。阻抗譜高頻段圓弧半徑迅速減小，低頻段信號發(fā)生明顯波動，開始出現(xiàn)兩個時間常數(shù)特征。第二個時間常數(shù)的出現(xiàn)說明此時腐蝕介質(zhì)已經(jīng)滲透到涂層和基材的界面，界面區(qū)基底金屬腐蝕反應(yīng)開始發(fā)生。涂層劣化的這段時間為基底金屬腐蝕發(fā)生階段。一般來講，涂層電阻＜106 Ω?cm2 即認(rèn)為其基本失去了防護作用。而涂層在浸泡720 d時，此時電阻仍然＞107 Ω?cm2 ，說明涂層仍然可以起到有效的防護作用。

 2.5 減阻效果研究

2.5.1 從涂層表面能方面探討減阻效果

使用接觸角測量儀Kruss DSA100測定涂層與液滴之間的接觸角，計算得出表面能。圖5是裸鋼板、普通環(huán)氧涂層以及該涂層所測得的與水滴之間的接觸角。

通過DSA測試所得該涂層的接觸角為113°，遠遠高于裸鋼板與普通環(huán)氧涂層，與疏水性較強的聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)的接觸角相似。敬加強等人為了測試和對比水在具有不同接觸角管道內(nèi)的流動阻力，自主設(shè)計并加工了一套室內(nèi)小型循環(huán)管路實驗平臺，分別測試自來水在不銹鋼管（ θ =62.2°）、有機玻璃管（ θ =86.7°）、聚丙烯管（PP 管， θ =92°）和聚四氟乙烯管（PTFE 管， θ =115.8°）中的流量和壓降，計算出自來水在4種不同管道內(nèi)流動的雷諾數(shù) R e和摩阻系數(shù)λ，發(fā)現(xiàn)隨著接觸角的增大，實測的摩阻系數(shù)值越來越小。相比裸鋼表面，接觸角115.8°的材料表面摩阻系數(shù)降低了 60%~70%。該項目的涂層材料測試接觸角為113°，與PTFE管的值非常接近，可以推論涂覆該項目涂層的熱力管比未涂覆涂層的熱力管在輸送熱水介質(zhì)時，大大降低了水在輸送過程中的阻力，根據(jù)國內(nèi)某研究機構(gòu)測試結(jié)果可知，平均減阻率達到了30%以上。

2.5.2 從表面粗糙度方面探討減阻效果

通過對已銹蝕的鋼板基材與剛覆涂該項目涂層的鋼板以及經(jīng)過 900 d×95 ℃水煮測試后的涂層進行表面粗糙度（Rz）測試比較，測得表面粗糙度值分別為 72 μｍ、2.27 μｍ及 8.52 μｍ。從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，涂覆該材料涂層以及水煮 900 d 后涂層的表面粗糙度大大低于未處理鋼板基材，相比較未做減阻涂層的管道，隨著供熱年限的延長，管道銹蝕的程度越來越強，嚴(yán)重時會有腐蝕坑出現(xiàn)，其表面的粗糙度遠遠大于涂覆該材料涂層的粗糙度值，導(dǎo)致摩擦阻力系數(shù)變大和阻力增加。該涂層光滑平整，表面粗糙度低，可以降低輸送管道內(nèi)壁摩擦阻力，有效改善液體流動性，提高輸運效率，從而可增大管輸量，起到了良好的減阻效果。

2.5.3 從實際應(yīng)用方面探討減阻效果

該研究項目已在某熱力工程一次管網(wǎng)項目得到實際應(yīng)用，按照實際工況運行。該項目的管網(wǎng)設(shè)計管徑DN1420，管道里程約10 km（一供一回合計約20 km），焊接方式采用半自動焊接工藝，供水管道設(shè)計溫度130 ℃ ，設(shè) 計 壓 力 2.5 MPa；回 水 管 道 設(shè) 計 溫 度 為70 ℃，設(shè)計壓力2.5 MPa，均采用直埋方式鋪設(shè)。該項目通過高壓無氣噴涂設(shè)備噴涂熱力管道內(nèi)防腐減阻涂料，膜厚為400～500 μm。從圖 6 可以看出，涂覆所制備涂層后，供水和回水運行壓差明顯減小，有涂層管道阻力大小同無涂層管道計算相比明顯減小且變化規(guī)律較為一致，其中實際值相比計算值（未做涂層處理）減小38.7 %，即減阻涂層減阻率為38.7 %。

涂層處理后的管線輸配能耗相比未做處理的管線減小約 39 %（見圖 7），折合整個采暖季按照121d節(jié)省能耗約1928.8MW·h。運行能耗的明顯減小對于熱力行業(yè)的低碳發(fā)展具有重要參考意義。

3、結(jié)語

本研究制備的熱力管道減阻耐磨涂料，具有良好的防腐性能、機械強度、表面光潔度以及疏水性能。通過 EIS 法可以看出，即使經(jīng)過長達 720 d 的鹽水浸泡，涂層的阻抗仍高于107 Ω?cm2，表明涂層具有優(yōu)秀的防護作用。通過對其減阻效果研究，可以看出該涂層表面光滑、疏水性優(yōu)良，大大降低輸送過程中的水與管道的摩擦阻力，增大了管道的流通量；同時該涂層優(yōu)良的耐溫浸泡性能可有效減少高溫浸泡環(huán)境下腐蝕及起泡現(xiàn)象的產(chǎn)生，保護管道設(shè)施的長久運行，具有顯著的經(jīng)濟效益。該涂料后續(xù)將繼續(xù)在更大的熱力管道上進行使用、試驗和研究。