给排水钢管的粉末涂装
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给排水钢管的粉末涂装
李正仁 赵领昌
郑州金属涂塑研究
廊坊文安开泰塑料制品公司
1 前言摘要：介绍了给排水涂塑钢管的选择、粉末涂料、粉末涂装方法及涂层性能的检验。
以往我国给排水大口径输水管道多采用水泥管和铸铁管道，近十多年来，随着环境保护意识的增强，随着我国焊接钢管工业生产和粉末涂料及涂装技术的发展，逐渐采用粉末涂层复合钢管，简称涂塑钢管。涂塑钢管与水泥管道和铸铁管道相比，一是强度高，涂塑钢管的强度和韧性比水泥和铸铁管道好，承受压力时不易碎裂泄露；二是防腐性能强，耐酸碱盐溶剂侵蚀和氧化，使用寿命可达50年以上；三是卫生性好，不混生细菌，粉末涂层几乎不吸水，也不溶解出有害杂质，可以确保输送水的纯净度，达到饮用水的卫生标准；四是输送液体的阻力系数小，有较好的防脂和防结垢能力，比相同直径的水泥管或镀锌管的输送流量大10-20%，输送动力耗能降低15%左右。
在美国3M公司，70年代就用环氧粉末涂敷自来水供水钢管。十多年前，已建成大型螺旋焊管生产线，包括焊管、涂层及检验系统，能够生产直径达3658mm，长度至25m的涂塑钢管，主要于供水和废水处理工程。
在欧洲，荷兰的Kromer 工厂，法国的Anton Biome 工厂，英国的Leith工厂，用环氧粉末除涂装输油、输气管道外，也涂装输水管道。涂覆钢管直径可达60in。
日本新日铁80年代就开发环氧粉末涂塑钢管。日本钢管公司福山株式会社，1981年就建成熔结环氧粉末涂覆UO管、螺旋管和电焊管生产线，可生产管径Φ400-1600mm，管长9.5～18.5m 壁厚6.4～44.0mm的涂塑钢管。新日铁、第一高周波、川崎制铁、住友金属70年代就以生产热塑性粉末涂层钢管著称，主要用于输水管道。
十多年来，我国螺旋焊管生产空前发展，已经可以生产直径至2450mm，壁厚达35mm，最大可焊直径3000mm,壁厚至25.4mm,长度达35m的焊管，这为防腐涂装提供了丰富的基材。我国的热固性环氧粉末、热塑性聚乙烯粉末在质量和品种方面也获得了长足进展。2001年我曾写过一篇《自来水用螺旋焊管的粉末涂塑》宣传介绍国外钢管涂塑经验。现在我国涂塑钢管生产厂家已经遍地开花，本文在于进一步总结涂塑钢管的生产经验，以利提高钢管涂塑的质量。
2 给排水钢管的选择
用作民用或工业的输水钢管有无缝钢管、直缝焊接钢管和螺旋焊接钢管。
无缝管没有焊缝，用实心圆钢加热——穿孔——轧制——定（减）径——精整制成。输水用无缝管按GB/T8163-2008 标准生产，采用优质碳素钢或低合金钢，目前我国成都、天津、衡阳等无缝钢管厂可以生产直径达Φ630mm，壁厚8～15mm的无缝管。无缝管强度高，精度好，但造价较高，只有在重要工程中采用。生产直径大于Φ600mm的无缝钢管较困难。
直缝焊接钢管是将钢带沿纵向UO成型，对于中小直径的薄壁管（Φ5～660×0.5～15mm）一般采用高频电阻焊接，高频焊管多用于水煤气和结构管。对于中等直径和壁厚的钢管（Φ406～1625×44.5mm）多采用埋弧焊接，长度可达18m，直缝管的焊缝短、强度高，可用作油气输水管道。直缝焊管由于受到板宽的限制，最大板宽为5200mm，不易焊接更大口径的钢管。
螺旋焊管的焊缝呈螺旋形，采用螺旋成型是生产大口径钢管的主要方法。可以用较窄的钢带生产较大直径的焊管，还可以用统一规格的钢带生产不同规格的钢管，也可以用一种宽度的钢带生产不同直径的钢管。螺旋管的焊缝一般采用双面埋弧焊，焊缝往往有突出的焊缝，螺旋管的焊缝比直缝钢管的焊缝约长1.5～2 倍。就焊缝高度和外观形状而言，螺旋焊管不如直缝焊管好，但螺旋焊可以焊制大口径钢管，且直径尺度准确，偏差不越过0.12%，直度好，长度也不受限制，所以螺旋焊管广泛用于水、石油、天然气的中低压输送管道。
螺旋焊管的主要工序为：开卷——矫平——接头对焊——剪边——三辊成型——内外双面埋弧焊——在线探伤——修缝——检测（包括水压试验）——入库。
输水螺旋焊管一般采用碳素钢或低合金钢热轧钢带或钢板为坯料，化学成分要求：磷含量0.04%以下，硫含量0.04%以下，碳含量0.25%以下。目前螺旋焊可以生产直径89～2450mm，壁厚0.5～25.4mm，长度6～35m 焊管。钢管的机械性能要求抗拉强度400N/mm2以，屈服极限225N/ mm2以上，伸长率18%以上（横向）。对于直径小于800mm 的钢管采用法兰连接，对于直径800mm 以上的钢管采用焊接连接。
3 钢管的表面处理
3.1 表面处理的重要性
如前所述，给排水钢管一般用热轧带钢焊接而成，焊缝过程也会产生氧化铁皮，生产过程表面会有油污、锈蚀、灰尘。为了确保涂层质量，在粉末涂装前必须进行前处理，以便消除涂层缺陷，提高涂层与钢基的结合力。钢管表面处理通常采用内喷外抛除锈方法。
3.2 预处理标准
钢管表面处理通常参照标准SISO55900Sa2½标准，喷丸后的钢管表面显银灰色光泽，外观呈凹凸状，粗造度应达到R40～60μm 。
3.3 钢管外表面抛丸
钢管外抛丸在抛丸机上进行，当钢管通过抛丸机时，一边旋转，一边前进，钢砂由压缩空气循环供给，依靠电机带动的叶轮旋转产生的离心力使钢砂以很高的速度抛向钢管表面，可以彻底清除钢管表面上的氧化铁皮和锈蚀，表面达到抛丸标准的要求。
3.4 钢管的内表面喷砂
钢管的内喷砂也在专用设备上进行。将钢管倾斜地放在滚架上旋转，喷头以一定倾斜角伸入管内，一边喷砂，一边移动，钢砂呈螺旋喷射到钢管的内表面，喷出的钢砂从钢管较低的一端回收，由压缩空气循环供给喷头重复使用，以便连续地将钢管内部清除干净。
3.5 弯头和管件喷砂
弯头和管件喷砂在喷砂室内手工操作。将弯头和管件放置在专用车上推入喷砂室，操作人员戴好防护工作服和供氧面罩，逐渐进行内外表面喷砂。
3.6 抛丸喷砂工艺要求
①钢砂的选择。为了保证抛丸后钢管表面达到SISO55900Sa2½标准和粗糙度40～60μm 的要求，一般选用a-120号钢砂。
②被抛的钢管应干燥，不带水分。
③压缩空气压力达到0.6～1Mpa,使喷丸机喷出的钢砂雾化。
④抛丸处理后，应用干净的压缩空气吹去尘土和钢管表面残留的砂粒。
⑤用200W 以上的安全灯照明，检查抛丸后钢管表面状态看是否残存有氧化皮、锈迹脏物及油污等，同时检查钢管及管件是否有裂纹、夹层或过抛产生的缺陷。
⑥抛丸处理后的钢管不能用手摸，以免沾染油污。在吊运过程中，也应防止二次污染，发现污染应清除，如严重污染，应重新抛丸处理。
⑦抛丸检查后，10h内应完成涂装加工。若抛丸后12h内还不能进行涂装，则应重新抛丸。
⑧抛丸后的钢管转运、装卸应使用金属绳、尼龙带或吊钩，绳上不能黏附油污，吊运过程不能碰伤，存放时应加干净垫铁。
4 给排水管用粉末涂料
4.1 线型低密度聚乙烯粉末涂料（LLDPE）
(1)树脂性能。钢管涂塑最早是采用热塑性粉末中的聚烯烃树脂，作为衬里或涂层，聚烯烃中又以聚乙烯为主，在应用聚乙烯树脂粉末涂料中经过反复试验，证明使用线型低密度聚乙烯最佳。为什么采用线型低密度聚乙烯（LLDPE）树脂制作管道用粉末涂料呢？这是由其线型结构和性能决定的。线型低密度聚乙烯的结构、结晶度、密度介于高密度和低密度聚乙烯两者之间，虽然也是线型结构，但支链规则与HDPE相比，短支链多；与LDPE相比，长支链少。
LLDPE的结构通式为
R为CH3、C2H5、 C4H9等
（2）线型聚乙烯粉末涂料的配制。首先选择合适熔体指数的LLDPE，熔体指数一般在3～10/min，熔体指数反映出聚乙烯的分子量大小及其熔体黏度，熔体指数越小，分子量越大，熔体黏度也越大。熔体指数关系到粉末熔融时是否产生流挂现象，边角覆盖好坏及涂层的均匀性。
其次应添加合适的助剂，以改善LLDPE 的性能，适合于钢管涂层的助剂和颜料品种很多，列举如下：
①抗氧剂。钢管涂装过程需要预热到粉末熔融温度以上，即需要一个过热度，这个温度恰好是聚乙烯的热老化温度。若不加抗氧剂，将会降低钢管的涂膜性能。抗氧剂如DLTP、CA、1010、330、215 、168、2921 等，少量加入，一般占LLDPE 总量的0.1%～1.0%。
②光稳定剂。钢管安装和使用中难免日光照射，需要加入适量的光稳定剂。如UV—327、BAD、788、944、622，还有炭黑和氧化锌，实际加入量都小于0.5%。
③流平剂。聚乙烯钢管涂层较厚，经常在1～3mm，为了使粉末涂料熔融后得到光滑涂层，应加入一定量的流平剂，常用的流平剂为高熔点石蜡，石蜡可以增加流平性，但它又是润滑剂，会降低涂膜与钢管的结合力，所以应控制加入量，一般小于2%。
④改性剂。为了改善聚乙烯涂层与钢管基体的结合力和力学性能，在配制LLDPE粉末涂料中也加入适量改性剂。由于聚乙烯为非极性材料，与之相溶的树脂不多，可供选用的改性树脂见表4—2。
⑤颜料。钢管粉末涂装后，不仅要求防腐性能好，而且要求美观，因此需要加入合适的颜料调色。颜料选择应注意与聚乙烯的相溶性、耐温性、耐候性和卫生性。可供选择的颜料有钛白、氧化锌、炭黑、石墨、铁黄、铬绿、铁红、钼铬红等。为了将颜料均匀混入主料和助剂中，需要事先作色母粒，即将颜料与少量的聚乙烯主料混炼挤出多次，获得颜料含量高的色母粒，在挤出造粒时与主料混炼。
（3）LLDPE粉末的生产
LLDPE粉末涂料的生产工艺如下：
（4）LLDPE粉末涂料的性能
LLDPE 粉末性能如表4—3，LLDPE 粉末涂层性能如表4—4。
线性低密度聚乙烯粉末曾用来涂覆钢管内、外表面及钢件，但是由于聚乙烯的线膨胀系数与钢管基材的线膨胀系数差别较大，所以涂覆钢管内壁结合力往往不能令人满意。目前聚乙烯粉末主要用来涂覆钢管外表面，这是由于聚乙烯本身具有较好的柔韧性且涂层较厚，有利于抵抗冲击载体，保护涂膜的完整性，因此防腐效果也好。
4.2 熔结环氧粉末涂料（FBE）
（1）熔结环氧粉末的种类
在热固性粉末中，目前钢管涂塑用的最多、效果最好的是熔结环氧粉末，也叫重防腐环氧粉末，简称FBE。熔结环氧粉末按用途分：管道内涂用粉、管道外涂用粉和石油钻管用粉。管道外涂用粉又分为：单涂层粉、双涂层粉、三层结构防腐用粉。
熔结环氧粉末按固化条件分为：快速固化和普通固化两类。快速固化粉末的固化条件为230℃/0.5～2min,主要用于管道外涂或三层防腐结构，固化时间短、生产效率高，适合流水线作业。普通固化粉末的固化条件一般为230℃/5min 以上，固化时间长、涂层流平好，适合管道内涂。给排水大口径管一般采用熔结环氧粉末进行内涂，希望固化时间在3min以内，生产粉末时需适当调整。
（2）熔结环氧粉末的防腐特点
①熔结环氧粉末的基料是环氧树脂，结构中含有高极性和活性的环氧基，能与金属表面形成化学键，提高与金属的结合力。这就是钢管内涂为什么逐渐不用聚乙烯粉末而用熔结环氧粉末的主要原因。
②熔结环氧粉末使用的环氧树脂是酚醛改性环氧树脂，即在双酚A 环氧树脂基础上引入部分苯酚甲醛或甲酚甲醛环氧树脂，这两种树脂都是多官能度热塑性酚醛环氧树脂，反应强，涂膜具有较好的耐热性、耐化学性。
③熔结环氧粉末采用表面处理钛白粉、绿、铁红等无机颜料填料，采用超细石英粉、云母、三聚磷酸铝等惰性填料。这些颜填料有利消除成膜气泡，增加涂层的致密性和附着力。
④熔结环氧粉末需要加入不同助剂，以便调整熔化时间和流变性能及胶化时间，消除膜内及界面气泡，提高耐水性能。
⑤ 熔结环氧粉末多用于给排水管内壁涂装，所以在选择原料、固化剂及各种助剂时应注意卫生性。
（3）熔结环氧粉末的性能，见表4—5。
熔结环氧粉末涂料防腐性能好，强度硬度也较高，涂膜与基材结合会牢固，因而特别适应于钢管内表面的粉末涂装。
5 给排水钢管的粉末涂装方法
5.1 方法选择
虽然钢管的粉末涂装方法很多，如流化床浸涂，静电或空气喷涂、滚涂等方法，但对于大口径给排水钢管来说，比较适合的是滚涂和喷涂法。
5.2 涂装工艺
钢管表面预处理—加热—滚涂或喷涂—冷却—检查—包装。
大口径管的壁厚也较厚，热容量大，所以预热温度的热量一般能保证粉末涂料的熔敷及固化流平。
5.3 钢管的预热
大口径钢管的滚涂或喷涂主要是依靠钢管本身所带的热量使粉末涂料熔敷于表面形成均匀的涂膜并进行固化和流平，所以钢管的预热至关重要。
钢管的加热可以用气加热，也可以用电或油加热，还可以用电感应及远红外线加热，大口径管多采用燃气热风循环步进式加热或天然气直接下加热，还可以用感应加热。加热温度以涂层粉末能够熔融并固化流平成膜为目的，温度过高会使涂层老化；温度过低，则难以获得均匀的涂层厚度。对于内涂熔结环氧粉末，外涂聚乙烯粉末的钢管来说，预热温度应兼顾，且随着钢管的壁厚增加，预热温度有所降低。钢管加热后用测温笔测定温度，对于使用不同粉末，涂敷不同规格的钢管来说均有一个理想的涂塑温度。根据经验，经过测试，若钢管温度过高，应空冷，控制好温度，再进行涂覆。
5.4 钢管的粉末涂覆
钢管涂覆采用滚涂或喷涂。滚涂时将预热好的钢管置于旋转脚轮架上，一般用幕帘法外撒粉，先外涂聚乙烯粉末，然后用送料槽将环氧粉末送入钢管内部，涂覆过程，钢管以一定速度旋转。控制撒粉器送粉时间及送粉量，可以获得要求的涂层厚度。
喷涂多采用感应加热，从钢管中段向两头涂覆，一边加热，一边喷涂。钢管以一定速度旋转并移动。
5.5 钢管的冷却
钢管涂覆后，粉末涂料很快就熔融流平，由于给排水管直径大、壁厚也较厚，热容量也大，涂层后又降低了其散热速度。因此需较长时间才能冷却，为提高生产效率，可采用风冷。
6 给排水管的质量检验及技术发展建议
6.1 质量检验
给排水涂塑钢管可以按建设部修订的CJ/T120-2008《给水涂塑复合钢管》进行质检。因为这个标准的修订参照了日本JWWA-132-2004《给水用聚乙烯粉末衬里钢管》和WSP039-2005《带法兰聚乙烯粉末衬里钢管》和国内相关标准，比较全面准确地反应了涂塑钢管目前的国际水平，并且综合了热塑聚乙烯粉末和热固性环氧粉末的性能，对于钢管涂层的各项性能及检验方法均作了详细的规定，这对钢管涂塑生产来说是一个很好的法律依据。
6.2 发展建议
（1）提高质量 我国城镇化建设刚刚起步，工业经济稳定发展，居民和工业用水为给排水管道提供了广阔的市场。现在涂塑钢管生产厂家遍地开花，有些手工涂装的钢管不光性能差，就连均匀的壁厚和外观也达不到标准要求。所以行业在这方面应加强技术培训。
（2）连续规模化生产 给排水管的直径、壁厚、长度、体积、重量均较大，这对运输和周转场地都提出要求。所以在国外，给排水涂塑钢管大部分在钢管生产厂连续化生产。我国目前小规模生产厂较多，为了节省成本，提高质量，应鼓励大型钢管生产厂家增加粉末涂装工序或联营生产，获得更好的经济效益。
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