油气管道内涂层始于20世纪50年代的美国，起初仅用于防腐，后来发现内涂管道有减阻增输的作用。1958年，美国田纳西天然气管线公司首次进行了典型的Refugio天然气管道内涂层试验，试验结果证明：管道内涂层输送效率提高6%。此后，欧美国家逐渐认识到管道内涂层减阻的优越性，新管线大多采用内涂层技术，也制定了一系列的标准。如美国石油协会制定的APIRP5L2《输气管道内涂层的推荐准则》;英国CM1，CM2等。

我国对管道内涂层的研究已有30多年，在2002年“西气东输”工程中[1]开始工业化应用。“西气东输”工程所采用的内涂涂料AW-01由中国石油集团公司塘沽工程技术研究院主持开发，取得了良好的效果，随后，陕京二线也采用了内减阻涂层涂覆工艺。随着中俄、中缅、川气东送等管道的建设和投产，未来数年内，我国将建成超过10000km的输气管线。因此，天然气管道内涂减阻技术受到相关决策、科研、施工等部门的广泛关注。

目前国内外使用的减阻内涂涂料大多为液态双组分环氧涂料。如英国E.WOOD公司的COPONEP2306HF、荷兰式玛的FLOWCOAT03、德国杜邦公司的SikaPermacor等，以及我国塘沽工程技术研究院开发的AW-01涂料和沈阳金属研究所开发的SLF-01涂料。该类涂料由成膜物、颜料、助剂、溶剂等组成，其中有机溶剂(常用二甲苯、正丁醇等混合溶剂)的使用有一定的弊端，不仅会造成环境污染，而且有火灾隐患;有机溶剂的挥发还会对施工人员的健康造成危害，故而在施工过程中要保证通风;此外，有机溶剂的挥发可能使涂层出现针孔等弊病，破坏涂层性能。因此无溶剂涂料、水性涂料以及粉末涂料有代替溶剂型环氧涂料的趋势。无溶剂涂料[2]具有以下优点：可一道厚涂，提高效率;不含挥发分，避免固化时溶剂的挥发而造成火灾隐患、溶剂中毒以及环境污染，可形成无孔涂层，提供优越的防腐性能。但这种涂料也存在缺点，如漆膜过厚，加之所用的树脂相对分子质量低，反应基团间距小，导致交联密度过高，漆膜发脆、耐冲击性差等，而且黏度过高，操作不便，需要采用专用设备进行施工。

本研究开发的无溶剂环氧涂料成本低，综合性能好，具有优异的减阻增输效果。

1· 实验部分

1.1 原材料与仪器

成膜树脂：液态环氧树脂E-51;固化剂：聚酰胺类;稀释剂：丁基缩水甘油醚、C12~14烷基缩水甘油醚;颜填料：氧化铁红，超细硫酸钡，玻璃微珠，聚四氟乙烯[3];助剂：流平剂BYK-320，消泡剂BYK-530，分散剂BYKP-104S;固化促进剂：DMP-30;增韧剂：邻苯二甲酸二丁酯;偶联剂：硅烷偶联剂KH560。

实验仪器：FA1004型电子天平;磁力搅拌器;HWS24恒温水浴箱;超声波清洗仪;抽滤装置等;扫描电子显微镜;干燥箱。

1.2 涂料的制备

本研究的涂料为双组分涂料，其中A组分包括E-51、丁基缩水甘油醚、氧化铁红、超细硫酸钡、玻璃微珠、聚四氟乙烯和助剂;B组分为聚酰胺300#和固化促进剂DMP-30。由于组分A中，氧化铁红、硫酸钡、玻璃微珠等粉体粒径较小，表面能大，在自然条件下易发生团聚，且无机粉体与树脂体系相容性较差易发生沉降，造成涂料性能下降，故在体系混合之前需对粉体进行改性。改性实验采用硅烷偶联剂KH-560，用量为颜填料的0.5%~1.5%，且m(偶联剂)∶m(甲醇)∶m(水)=1∶2∶0.5。加入偶联剂前，用醋酸调整pH至3~5，水解5~10min，然后将水解液喷撒到粉体表面，将粉体置入接有冷凝管的三口烧瓶中，并加入一定量的甲醇，在80℃恒温箱里高速搅拌2h。然后抽滤，将抽滤后的粉体置入烤箱，在120℃下干燥1h，即得改性粉体(图1)。

图1 粉体扫描电镜照片

由图1可见：改性后的粉体团聚明显减少，颗粒粒径较小，且与成膜树脂相容性也大大提高。硅烷偶联剂改性无机粉体的机理是硅烷偶联剂分子(R-SiX3)中的X部分首先在水中水解成反应活性强的多羟基硅醇，然后与粉体表面的羟基缩合而牢固结合，另一端则被吸附或与有机物分子发生反应。

将A组分包括改性后的颜填料按质量百分比混合，用磁力搅拌器高速搅拌60~80min，再加入B组分固化剂与固化促进剂，A组分与B组分的配比为4∶1，搅拌并熟化30min即可涂装。

实验中采用30mm×15mm×3mm低碳钢试片，试片表面处理达到Sa2.5级的要求。工业中涂覆绝大多数采用无气喷涂，少量使用空气喷涂机，本研究由于试件较小采用浸涂和刮涂。涂覆完毕，在室温下进行固化，固化时间小于24h;加热至60℃，固化时间为2h。

2·性能测试

性能测试在2个以上的试验试片上进行，且有两个测试试片的结果通过，才视为合格。

经检测，涂层厚度70~80μm，平均粗糙度约为1μm，表面非常光滑，涂层的剪切强度大于14MPa，综合性能良好(表1)。

表1 性能指标

3·涂层与减阻

减阻主要包括：光滑减阻[4]、形貌减阻、低表面能减阻等。管道内壁粗糙度对流体运行效率有着非常大的影响，流体流过平直管道所受到的阻力称为沿程阻力，沿程阻力是油气运输过程中压降的主要原因，如Darcy-Weisbach[5]公式(式1)所示。

式1

式中，p为管道两端的压降，单位为MPa;L、D分别为管长和管径，单位为mm;ρ为流体的质量密度，单位为kg/m3;v为流体平均速度，单位为m/s;f为摩阻系数，无量纲。

摩阻系数是由管道相对粗糙度及雷诺数Re共同决定的。当雷诺数Re<2000时，流态为层流，层流的特征是流体的边界层完全覆盖了管道内壁粗糙凸起，粗糙度不影响摩阻系数的大小;当3000Re2时，流态为阻力平方区，层流边界层很薄，f值完全取决于管道内壁粗糙度。而油气管道中，流体的雷诺数一般在105~107之间，属于混合摩擦区和阻力平方区，因此减小管道粗糙度能降低摩阻系数，从而减小沿程阻力。

实验采用自主搭建的流阻测试装置[7]，粗略计算涂层的减阻性能。式2和式3划分流态的第一临界雷诺数Re1和第二临界雷诺数Re2：

另外，对于管道内涂层，表面能的大小对涂层的减阻性能也有影响。表面能低会使流体由层流向湍流过渡的转折点后移[8]。此外，涂层表面能低会减少流体中杂质的沉积与附着，使涂层的表面保持光洁。

4·结语

(1)无溶剂环氧涂料在油气管道减阻内涂层中，相对于常规溶剂型双组分环氧涂料具有一定的优势，涂料固体含量高，较为环保，具有广泛的应用前景。

(2)本研究开发的无溶剂环氧涂料成本较低、综合性能良好，涂层表面粗糙度约1μm，镜面度较高，用于管道内涂层可有效减小摩阻系数，降低油气传输过程中的压降。

(3)通过测量涂层的接触角，计算其表面能。涂层表面能较小，能降低杂质的附着，并且在长输管道中，可延迟层流向湍流过渡的转折点。