(南通好的防腐裝備有限公司 中匯金源(北京)科技發(fā)展有限公司 中天合創(chuàng)能源有限責任公司)
摘 要:主要介紹了新型鋼襯塑(EAA)管道及其在石油、化工、煤化等行業(yè)中的工業(yè)應用,并與傳統(tǒng)的鋼襯塑管道進行了性能對比。新型鋼襯塑(EAA)材料具有附著力強、防腐性能優(yōu)異、塑化性強、耐老化性能優(yōu)異的特點,與傳統(tǒng)襯塑材料相比具有突出的優(yōu)勢;EAA襯塑管便于加工和現(xiàn)場施工,適于大口徑管道,可采用法蘭和無法蘭連接,具有使用壽命長、綜合性價比高的優(yōu)勢。EAA襯塑用于超大型容器防腐也取得了較好效果。
關(guān)鍵詞:新型;襯塑管;EAA 應用
引 言
鋼襯塑管道以普通碳素鋼管作為基體,內(nèi)襯化學性質(zhì)穩(wěn)定的樹脂材料,經(jīng)滾塑成型或冷拉復合,不僅具有鋼管的機械強度,且兼有塑料管的耐腐蝕性能,同時降低了生產(chǎn)成本。由于其表面光潔度達到0.3-1μm,輸送各種流體時阻力系數(shù)小,不滋生細菌霉菌,有良好的防結(jié)垢能力,在同比條件下比鋼管的輸送能力提高7-12%,能耗降低15%[1]。可以說,鋼襯塑管道具有強度高、耐腐蝕、成本低、壽命長的綜合優(yōu)勢,是一種高效節(jié)能、環(huán)保防腐、極具潛力的輸送管道。自問世以來,廣泛應用于石油、化工、電力、礦山、市政等多個行業(yè)。
隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,各行業(yè)對流體傳輸管道的需求與日俱增,在性能和成本上提出了更高的要求,原有的鋼襯塑管道難以滿足新的挑戰(zhàn)。此外,隨著材料科學的不斷發(fā)展,開發(fā)了眾多性能優(yōu)異的樹脂產(chǎn)品,為新型鋼襯塑管道的開發(fā)和應用提供了材料基礎(chǔ)。通過鋼襯塑行業(yè)的不懈努力,開發(fā)了一系列性能優(yōu)異、適應性廣、性價比高的新型鋼襯塑管道,拓寬了鋼襯塑管道的適用范圍。
本文對近年來新開發(fā)的EAA(乙烯-丙烯酸共聚物)、ETFE(又稱F40,乙烯-四氟乙烯共聚物)鋼襯塑管道及其應用做一概要介紹,并與傳統(tǒng)的鋼襯塑管道進行性能對比,以期為鋼襯塑管道的選擇與應用提供借鑒。
1 EAA鋼襯塑管道
1.1 EAA材料特性
EAA(Ethylene-Acrylic Acid)為乙烯(E)和丙烯酸(AA)的共聚物,具有良好的低溫性能和柔軟性,優(yōu)良的耐彎曲開裂及耐環(huán)境應力開裂性,具有較大彈性等。1961年,美國UCC公司和陶氏DOW化學公司開發(fā)生產(chǎn)了 EAA 樹脂,目前多個發(fā)達國家可以生產(chǎn)EAA 樹脂。2022年8月,國內(nèi)衛(wèi)星化學全資子公司山特萊公司與韓國SKGC公司簽署合資合同,共同建設運營國內(nèi)首套EAA裝置。
與聚乙烯相比,EAA共聚物的熔點和剛性較低,由于氫鍵的作用,有利于改進其對金屬、紙、玻璃、鋁及其它金屬和非金屬材料的粘結(jié)性。羧酸基對性能的影響可歸納為以下幾點:(1)附著力強,與金屬、玻璃和纖維有優(yōu)異的粘合性,普通內(nèi)襯PE/PO襯里層與鋼的附著力一般在30N/cm2,而EAA內(nèi)襯材料襯里層與鋼的附著力高達80N/cm2,是普通PE的2-3倍;(2)耐腐蝕性能強,適用于大多數(shù)無機酸、堿和鹽,包括污水、鹽水和凈水的輸送。因其出色的耐氯離子性能,適于高鹽廢水、海水淡化、礦井水項目,包括管道、水箱、儲罐等;(3)耐候性、抗老化能力強,普通內(nèi)襯PE/PO材料,放在露天不到1年,塑料密封面開始與鋼體脫層,內(nèi)襯EAA放在露天5年,也未發(fā)現(xiàn)密封面與鋼體脫層,充分說明該材料抗老化與耐候性能優(yōu)越;(4)塑性好、延伸性能優(yōu)越,眾所周知,塑料的線彭脹系數(shù)大于鋼的15到20倍,如果塑料層沒有很好的塑性變形能力,最終導致襯塑層與鋼體脫層,正因為EAA材料優(yōu)異的延伸率和抗蠕變能力,其膨脹與收縮所產(chǎn)生的變化利用了EAA很好的彈性變形所消化吸收。破壞性試驗表明,EAA鋼襯塑管經(jīng)上百次折彎,也未發(fā)生脫層現(xiàn)象;(5)耐低溫效果優(yōu)越,EAA鋼襯塑管適合應用于北方寒冷地區(qū)及溫差較大的地區(qū),在-50℃可長期使用。
起初我國引進該材料主要應用于超音速火焰噴涂使用,經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)該材料通過火焰加熱而不老化,證明該材料具有優(yōu)越的抗老化與耐候性能。國內(nèi)南通好的防腐裝備有限公司2013年首次把該材料應用于熱滾襯里防腐管道產(chǎn)品,獲得了非常理想的應用成果。
1.2 EAA鋼襯塑管的特性
EAA材料出色的塑化性能,使鋼塑復合體具有以下優(yōu)異的特性:
(1)便于加工和現(xiàn)場施工, EAA鋼襯塑管道通常采取熱滾塑加工方式,一般鋼件溫度控制在200-220℃,不需將改制段運回生產(chǎn)車間而直接在使用現(xiàn)場加工改制,便于現(xiàn)場施工,節(jié)省成本;尤其可滿足緊急情況下的現(xiàn)場施工要求。
(2)EAA材料的高附著力,使襯塑管道適用于大口徑管道,在不設龜甲網(wǎng)的情況下,最大管徑可達DN1600(大于DN1600應設龜甲網(wǎng)),高于其他襯塑管道;管道長度可達6m,降低了管道成本。此外,EAA鋼襯塑管道還具有耐負壓性能強的特點,優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼襯PO/PE產(chǎn)品,拓寬了襯塑管道的使用范圍。
(3)管道連接方式靈活,與其他傳統(tǒng)的襯塑管道不同,EAA鋼襯塑管可采用法蘭連接或無法蘭連接,可實現(xiàn)地埋安裝,采用無法蘭連接時有效克服了法蘭連接中易出現(xiàn)的問題,更好地適應各種現(xiàn)場安裝條件[2]。
(4)使用壽命長,綜合性價比高。與PO/PP鋼襯塑管相比,雖其成本高約5-10%,但使用壽命卻可延長一倍左右,達40-50年。
2 ETFE鋼襯塑管道
2.1 ETFE材料性能
乙烯與四氟乙烯共聚物(ETFE,又稱F40)是繼聚四氟乙烯(PTFE) 和聚全氟乙丙烯(FEP)之后的第三大氟樹脂品種。ETFE兼有聚四氟乙烯與聚乙烯(PE)的優(yōu)點,在具有聚四氟乙烯高耐候性、高化學穩(wěn)定性、高介電性基礎(chǔ)上,又具有聚乙烯的優(yōu)良加工性,克服了只能模壓加工的缺點,可用通常熱塑性塑料加工的方法進行加工成型,如擠出、模壓、注塑、噴涂等。同時因ETFE含有C-H 鍵,與其他只有C-F鍵的含氟材料不同,其優(yōu)良的耐輻照性能更接近于PE。另外,ETFE保持了PTFE優(yōu)良的耐化學腐蝕性能,同時又有對金屬特有的較強的粘著特性,克服了PTFE對金屬不粘合缺陷,并且該材料的平均線膨脹系數(shù)接近碳鋼的線膨脹系數(shù),因此成為和金屬復合的理想材料,具有優(yōu)良的耐負壓特性[3]。ETFE樹脂能夠耐受眾多的化學品,常溫下不溶于所有溶劑,耐酸堿和有機溶劑,但是對氧化劑、含氯溶劑、酮和酯的耐受性稍差[4]。
表1:幾種鋼襯塑管道性能對比
2.2 ETFE鋼襯塑管特性
(1)ETFE鋼襯塑管采取熱滾塑加工方式,熱滾塑襯溫度控制要求高,一般燒接溫度在285-290℃,正負溫差控制在5℃以內(nèi)(不同的原料溫度控制有差異),一般適用于大口徑管道和容器襯里加工。
(2)ETFE鋼襯塑管耐腐蝕性能強、耐溫中高檔、耐負壓性能好,使用壽命長,使用條件為+140℃-負40℃,工作壓力1.6-2.5MPa。
(3)ETFE鋼襯塑管的不足是,需要采用法蘭連接,調(diào)整段需返廠處理,不便于現(xiàn)場施工。此外,ETFE鋼襯塑管價格較高,投資費用較大,一般在特殊場合下使用。
3 常用鋼襯塑管道性能及經(jīng)濟性對比
3.1幾種鋼襯塑管道性能及經(jīng)濟性對比
幾種常用的鋼襯塑管適用的介質(zhì)及條件見表1,不同內(nèi)襯材料管道長度/口徑見表2。對比幾種鋼襯塑管道性能和使用條件可以看出,對強腐蝕和高溫介質(zhì)而言,PTFE、ETFE襯塑管較為適宜,ETFE襯塑管更適合于大口徑及負壓條件,但費用相對較高。就耐腐蝕性而言,PO/PE、PP、EAA性能基本相當,適合于一般的耐腐蝕環(huán)境應用。在上述襯塑管中,EAA襯塑管耐低溫性能最優(yōu),更加適合于北方低寒環(huán)境,同時適應于大口徑、負壓條件,更易于加工和現(xiàn)場施工,盡管其成本稍高于PO/PE、PP襯塑管,但使用壽命可延長一倍,因此其綜合性價比更優(yōu)。
表2:不同內(nèi)襯材料管道長度/口徑參考
3.2幾種用于循環(huán)水輸送管道的經(jīng)濟性對比
從EAA防腐特性及目前的應用來看,其用于循環(huán)水輸送管道表現(xiàn)出更加突出的優(yōu)勢,為此,我們搜集了市面上常用的循環(huán)水輸送管道,對其供應商報價進行了粗略的對比分析(詳見圖1)。
僅從單位價格對比來看,在小管徑(DN800)以下,EAA襯塑管價格與其他管道基本相當;在DN800~DN1600 的范圍內(nèi),處于中間價格;而 DN1600 以上,其他管道價格顯著高于鋼襯 EAA 管道。若從應用壽命綜合分析,由于EAA襯塑管優(yōu)異的附著力及耐老化性,其使用壽命高于其他管道,因此其綜合性價比高于其他管道。當大口徑管道占比大、彎管段多,要求施工進度快以及維修便利時,鋼襯 EAA 管道的優(yōu)勢將更加明顯。
4 特大型EAA襯塑容器
在石油/化工/煤化等行業(yè)生產(chǎn)過程中,常使用特大型防腐襯塑容器,受多種因素的制約,常規(guī)襯塑材料/工藝難以滿足工業(yè)實際需要。EAA材料因其出色的塑化性能,尤其是采用熱滾塑工藝進行襯塑,這就為特大型容器的現(xiàn)場施工創(chuàng)造了條件。
由于特大型儲罐無法整體進行一次性熱滾塑,我公司采取分塊式襯塑后進行現(xiàn)場拼裝。鋼板下料根據(jù)儲罐直徑所需板材弧長進行下料,先對鋼板進行熱滾塑加工,鋼板邊緣預留100mm不襯塑作為鋼板焊接區(qū)域?;⌒武摪瀣F(xiàn)場拼裝后再對焊縫預留區(qū)進行現(xiàn)場襯塑?;⌒武摪宓臒釢L塑過程,在專用熱滾塑平臺上進行。
采用以上施工方式具有以下顯著優(yōu)點:①節(jié)省工作量和安裝周期;②襯塑材料運輸方便;③確保品控滿足要求;④檢維修方便。
5 EAA襯塑管道在石油/化工/煤化行業(yè)中的應用
由于EAA鋼襯塑管道的優(yōu)異性能,產(chǎn)品已廣泛用于污水、酸堿、海水、化工工藝輸送管道及容器等,在神華集團污水處理、宜都興發(fā)磷酸、越南燒堿、青海鹽湖集團水處理、新疆伊利煤制氣、塔里木油田等數(shù)十家項目中獲得成功應用。
我公司為國內(nèi)首家將EAA引入襯塑管及工業(yè)應用的廠家,目前已生產(chǎn)銷售10余年,產(chǎn)品已廣泛用于污水、酸堿、海水、化工工藝輸送管道及容器等。公司獲得神華集團2015年-2016年優(yōu)秀供應商稱號,取得中核集團供應商資格。
某煤化工含鹽廢水內(nèi)襯管更換項目,原使用內(nèi)襯PE管不到1年出現(xiàn)大面積脫層,我公司為其更換約2000M,最大口徑DN1000mm,2017年9月投入運行,至今運行良好。寧煤煤化工基地污水項目,應用內(nèi)襯EAA,一階段2018年7月投入運行,使用量12000M,最大口徑DN900,地面管道法蘭連接,地埋管道無法蘭連接。宜都興發(fā)化工有限公司磷酸項目,應用內(nèi)襯EAA,2012年投入運行,使用量4000M,最大口徑1400mm,連接方式法蘭連接。塔里木油田2020年使用8000M無法蘭EAA涂塑管道。EAA襯塑管道在石油/化工/煤化行業(yè)的典型應用情況詳見表3。
6 結(jié)語
新型鋼襯塑管道的開發(fā)為各行業(yè)流體輸送提供了更多的選擇,同時對鋼襯塑管道提出了更高的要求,除滿足高強度、耐腐蝕等基本要求外,鋼襯塑管道的發(fā)展將更加追求適應范圍寬、易于施工和維護、成本和運行費用低等綜合性能,隨著材料科學的不斷發(fā)展,新的襯塑材料將不斷開發(fā),應用范圍也將不斷擴大,鋼襯塑管道行業(yè)將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。
圖1:用于循環(huán)水輸送常用管道報價與通徑對比
表3:EAA襯塑管道在石油/化工/煤化行業(yè)的典型應用
參考文獻:
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第一作者介紹:瞿海德(1957-),男,1977年7月畢業(yè)于南通河運學校輪機專業(yè),任職南通好的防腐裝備有限公司董事長。