引 言

目前热力管道内壁均为裸管设计和运行，没有涂层保护且表面粗糙。随着供热年限的延长，热力管道逐渐被热介质腐蚀，造成管道内壁减薄，甚至穿孔，易引起爆管造成人员伤亡等重大安全事故，给供热企业带来巨大的安全风险和经济损失。供热管道设计使用年限一般为 30 a 以上，但因管道腐蚀产生的穿孔、爆管等事故大大降低了其使用年限。另外，对于大口径长距离供热管内壁粗糙，管道内壁腐蚀产生的锈垢越来越严重，粗糙度不断增加，引起输送阻力不断增加，同时引起换热器结垢、换热效率下降。

因此，针对以上问题开发了一种具有良好防腐蚀性能、优异内壁减阻节能效果的涂料应用在供热管道领域。该技术通过在热力管道内表面涂敷一层有机-无机杂化并经纳米功能材料改性的防腐疏水涂层，该涂层具有良好的防腐性能和机械强度、表面光洁度、疏水性，从而确保了该涂层对热力管道具有良好的耐高温防腐蚀保护、提高管道运行的安全性、延长管道运行寿命、降低工程初期投资、降低管道输送压力、提高输送流量、提高供热效率、节省能源消耗、降低供热运行成本。经评价，该技术对热力管道减阻率和输送能耗降低达到33%~39%。

1、实验部分

1.1 原材料

溶剂二甲苯，正丁醇：分析纯，国药集团；颜填料磷酸锌、钛酸钾晶须、三聚磷酸铝、酞青绿、滑石粉等：市售；改性环氧树脂、改性氟聚合物及胺固化剂：自制 ；分 散 剂 BYK163、消 泡 剂 BYK052、流 平 剂BYK358N：毕克化学；膨润土SD-2：海明斯公司。

1.2 仪器设备

多功能分散机、冲击试验器：上海现代环境工程技术有限公司；锥形磨：天津市精科联材料试验机有限公司；制样罐、高压无气喷涂机：深圳市阿尔法工业设备有限公司；差示扫描量热仪：梅特勒托利多；表面张力测试仪：德国 KRUSS；高温高压釜：海安石油科研仪器有限公司；电化学工作站：美国CAMRY600；恒温水浴锅：苏州威尔实验用品有限公司；Q-FOG 盐雾箱：美国Q-LAB。

1.3 涂层的制备

按表 1 配方计量向制样罐中边分散边加入二甲苯、正丁醇、改性环氧树脂、改性氟聚合物，充分搅拌均匀后加入助剂BYK163、BYK052、BYK358N、PM1510分散5~10 min后，再加入SD-2，高速分散10~15 min。然后再边分散边依次加入剩余 5 种颜填料，中速搅拌分散 20 min 左右。进入锥形磨研磨细度至60 μm左右。即得到涂料A组分。B组分为胺固化剂。测试样板使用规格 150 mm×75 mm×6 mm 的碳钢板，事先经过钢丸喷砂处理。A组分与B组分按照一定的比例混合均匀后进行高压无气喷涂，制备样板。样板在室温下放置7 d，即可达到弯曲固化，进行测试。

2、结果与讨论

2.1 涂层的热特性分析

由于涂层中含有 F-C 键和苯环结构、Si-C 键等，形成的涂层热力学稳定性好。通过差示扫描量热仪DSC 对涂层的热性能进行评价，结果如图 1 所示，得到玻璃化转变温度 T g ＞130 ℃，证明了该材料具有优异的耐温性，适合应用于热力管道的防腐保护。

 2.2 涂层的耐盐雾腐蚀性能评价

将A组分与固化剂配成涂料，制得漆膜。涂层干膜厚度 400 μm 左右，进行中性盐雾测试 5 000 h 后，其漆膜状态如图2所示。从图 2 可以看出，耐中性盐雾测试 5 000 h 后，涂层仅在划线处有较轻微的生锈现象，耐盐雾性能优异。这是因为涂料配方中选择的树脂酸值较低，颜填料的电阻值比较大且 pH 值较高，这样形成的涂膜电阻大，不容易形成腐蚀电流；同时体系玻璃化温度（ T g ＞130 ℃）远远高于盐雾实验温度 35 ℃,这样涂膜不容易软化受到侵蚀；该体系形成的涂层非常致密且由于钛酸钾晶须的添加，起到了水阻换剂的作用，即涂膜覆盖在基材表面后能够与金属原子紧密结合，阻止水分子到达基材表面并与之结合，这样就降低了水氧原子与铁原子发生阴阳极反应产生气体鼓泡和生锈现象，能够显著提高耐盐雾和防锈性能；该涂层具有较好的干湿态附着力，尤其是湿态附着力大于锈蚀时气泡产生的压力，涂膜的生锈和气泡现象会降到最低，从而提高了耐盐雾性。综合以上原因，该涂料涂层具有优异的耐盐雾性能。

2.3 涂层的耐高温水煮性能评价

将A组分与固化剂配成涂料，制得漆膜。涂层干膜厚度400μm 左右，放入 95 ℃水中浸泡 900 d 后取出，测试水煮后的涂层附着力。具体如图3所示。由图3可知，900 d测试结束后，取出涂层，测试其附着力依然在 7.61~9.14 MPa 之间。说明涂层具有优异的耐高温水煮性能，可以长期服役于热力管道内壁。这是因为涂层的Tg达到130 ℃以上，远高于95 ℃的水煮环境，涂层在水煮中不会出现软化情况；其次，使用自制的树脂和固化剂复配体系，交联密度比较高，同时加入了附着力促进剂 PM1510 烷基丙烯酸磷酸酯，使得涂层与底材形成了部分的 N-H 以及 P-H之间的氢键，这两种氢键不容易被水分子的-OH氢键取代，因此涂层的湿态附着力较高，不容易出现起泡现象；另外，体系有比较合理的颜基比，孔隙率较低，抗水汽渗透性能好，耐水煮性能较高。

2.4 电化学阻抗评价

电化学交流阻抗测试采用美国GAMRY Reference600电化学工作站进行。三电极体系，涂层/碳钢板为工作电极，辅助电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极，测量温度为室温，工作液选用质量分数为 3.5%的NaCl溶液。

以 A 组分与固化剂配成涂料，制得涂层。将该涂层浸泡入3.5%的NaCl溶液中，分别在未浸泡时、浸泡360 d 以及 720 d 测试其电化学阻抗。其阻抗谱如图图4所示。由图4可以看出，0~360 d的阻抗谱图表现为一个高阻抗的单容抗弧，这一阶段对应的涂层劣化过程为涂层渗水阶段。时间增大，抗弧对应的圆的半径减小，涂层电容值增大，说明水不断地向涂层内部渗透。

720 d的阻抗谱图表现为一个高阻抗的容抗弧和较低阻抗的容抗弧，表现出明显的两个半圆弧。阻抗谱高频段圆弧半径迅速减小，低频段信号发生明显波动，开始出现两个时间常数特征。第二个时间常数的出现说明此时腐蚀介质已经渗透到涂层和基材的界面，界面区基底金属腐蚀反应开始发生。涂层劣化的这段时间为基底金属腐蚀发生阶段。一般来讲，涂层电阻＜106 Ω∙cm2 即认为其基本失去了防护作用。而涂层在浸泡720 d时，此时电阻仍然＞107 Ω∙cm2 ，说明涂层仍然可以起到有效的防护作用。

 2.5 减阻效果研究

2.5.1 从涂层表面能方面探讨减阻效果

使用接触角测量仪Kruss DSA100测定涂层与液滴之间的接触角，计算得出表面能。图5是裸钢板、普通环氧涂层以及该涂层所测得的与水滴之间的接触角。

通过DSA测试所得该涂层的接触角为113°，远远高于裸钢板与普通环氧涂层，与疏水性较强的聚四氟乙烯（PTFE）材质的接触角相似。敬加强等人为了测试和对比水在具有不同接触角管道内的流动阻力，自主设计并加工了一套室内小型循环管路实验平台，分别测试自来水在不锈钢管（ θ =62.2°）、有机玻璃管（ θ =86.7°）、聚丙烯管（PP 管， θ =92°）和聚四氟乙烯管（PTFE 管， θ =115.8°）中的流量和压降，计算出自来水在4种不同管道内流动的雷诺数 R e和摩阻系数λ，发现随着接触角的增大，实测的摩阻系数值越来越小。相比裸钢表面，接触角115.8°的材料表面摩阻系数降低了 60%~70%。该项目的涂层材料测试接触角为113°，与PTFE管的值非常接近，可以推论涂覆该项目涂层的热力管比未涂覆涂层的热力管在输送热水介质时，大大降低了水在输送过程中的阻力，根据国内某研究机构测试结果可知，平均减阻率达到了30%以上。

2.5.2 从表面粗糙度方面探讨减阻效果

通过对已锈蚀的钢板基材与刚覆涂该项目涂层的钢板以及经过 900 d×95 ℃水煮测试后的涂层进行表面粗糙度（Rz）测试比较，测得表面粗糙度值分别为 72 μｍ、2.27 μｍ及 8.52 μｍ。从以上测试数据可以看出，涂覆该材料涂层以及水煮 900 d 后涂层的表面粗糙度大大低于未处理钢板基材，相比较未做减阻涂层的管道，随着供热年限的延长，管道锈蚀的程度越来越强，严重时会有腐蚀坑出现，其表面的粗糙度远远大于涂覆该材料涂层的粗糙度值，导致摩擦阻力系数变大和阻力增加。该涂层光滑平整，表面粗糙度低，可以降低输送管道内壁摩擦阻力，有效改善液体流动性，提高输运效率，从而可增大管输量，起到了良好的减阻效果。

2.5.3 从实际应用方面探讨减阻效果

该研究项目已在某热力工程一次管网项目得到实际应用，按照实际工况运行。该项目的管网设计管径DN1420，管道里程约10 km（一供一回合计约20 km），焊接方式采用半自动焊接工艺，供水管道设计温度130 ℃ ，设 计 压 力 2.5 MPa；回 水 管 道 设 计 温 度 为70 ℃，设计压力2.5 MPa，均采用直埋方式铺设。该项目通过高压无气喷涂设备喷涂热力管道内防腐减阻涂料，膜厚为400～500 μm。从图 6 可以看出，涂覆所制备涂层后，供水和回水运行压差明显减小，有涂层管道阻力大小同无涂层管道计算相比明显减小且变化规律较为一致，其中实际值相比计算值（未做涂层处理）减小38.7 %，即减阻涂层减阻率为38.7 %。

涂层处理后的管线输配能耗相比未做处理的管线减小约 39 %（见图 7），折合整个采暖季按照121d节省能耗约1928.8MW·h。运行能耗的明显减小对于热力行业的低碳发展具有重要参考意义。

3、结语

本研究制备的热力管道减阻耐磨涂料，具有良好的防腐性能、机械强度、表面光洁度以及疏水性能。通过 EIS 法可以看出，即使经过长达 720 d 的盐水浸泡，涂层的阻抗仍高于107 Ω∙cm2，表明涂层具有优秀的防护作用。通过对其减阻效果研究，可以看出该涂层表面光滑、疏水性优良，大大降低输送过程中的水与管道的摩擦阻力，增大了管道的流通量；同时该涂层优良的耐温浸泡性能可有效减少高温浸泡环境下腐蚀及起泡现象的产生，保护管道设施的长久运行，具有显著的经济效益。该涂料后续将继续在更大的热力管道上进行使用、试验和研究。