یکی از مهمترین و پرکاربرد ترین پوششهای مستعمل در صنعت خطوط لوله انتقال، پوششهای سه لایه پلیاتیلن و پلیپروپیلنی می باشد. جدایش پوششهای سه لایه پلی اتیلنی، یکی از مشکلات رایج در صنعت خطوط لوله میباشد. در این پوششها که از سه لایه پرایمر، چسب بین لایه ای و پلی اتیلن تشکیل شدهاند، چسبندگی بین سطحی نامناسب لایه اپوکسی به لایه پلی اتیلن، منجر به عدم انتقال تنش از لوله به پوشش میگردد که جدایش پوشش از لوله را تسریع میکند. چسب بین لایه ای کامپاند پلی اتیلنی است که وظیفه آن ایجاد اتصال بین سطحی بین دو لایه مذکور بوده به گونه ای که باید از یک سو با روکش پلی اتیلن (غیر قطبی) و از سوی دیگر با لایه اپوکسی (قطبی) سازگار باشد. عملکرد مناسب چسب های بین لایه ای، به ترکیب سازگارکننده PE-g-MA موجود در فرمولاسیون آن مرتبط میباشد. سازگارکننده های پلیمری، ترکیباتی پلی اتیلن میباشند که طی فرآیند اکستروژن واکنشی ویژه ای زنجیره های قطبی مالئیک انیدرید بر روی آن نشانده می شود. فاکتور اصلی در عملکرد این محصول بازده گرافت مالئیک انیدرید بر روی زنجیره های پلی اتیلن و میزان آنها در فرمولاسیون تهایی پوشش می باشد که مستقیما با عملکرد جدایش پوشش سه لایه مرتبط است.
کلمات کلیدی: پوشش های پلی اتیلنی سه لایه، گرافت پلی اتیلن با مالئیک انیدرید، خطوط لوله انتقال نفت و گاز
یکی از بزرگترین دغدغههای شرکتهای فعال در حوزه انتقال نفت، گاز و آب و فاضلاب به عنوان تولیدکنندگان لولههای فولادی، مبحث خوردگی لولههای مذکور میباشد. امروزه روشهای مختلفی در جهت افزایش مقاومت خوردگی لولههای مذکور شامل پوششدهی با قیر و پوششهای دولایه و سه لایه مورد استفاده قرار میگیرد. پوششهای سه لایه به عنوان موثرترین روش پوششدهی لولههای فولادی از سه جز لایه اپوکسی، چسب و پلیاتیلن سنگین تشکیل شده است. لایه اول رزین اپوکسی با قابلیت پخت حرارتی بوده است، این پوشش به دلیل چسبندگی بالا به راحتی به سطح لوله فولادی اعمال میگردد. این پوشش مقاومت خوردگی لوله فولادی را بهبود میبخشد، ولی بزرگترین مشکل این پوشش، آمادگی آن برای صدمه ناشی از حمل و نقل، صدمه مکانیکی (ناشی از ضربات) و تغییرات آب و هوایی و رطوبت میباشد. به منظور حل این مشکل، لایه پلی اتیلن سنگین بر روی این پوششها اعمال میگردد. لایه پلیاتیلنی علاوه بر افزایش استحکام، مقاومت پوشش در برابر ضربات مکانیکی، مقاومت در برابر تغییرات آب و هوایی را افزایش میدهد. ولی مشکل اصلی این پوشش نیز عدم چسبندگی به لوله فولادی و پوشش اپوکسی ناشی از تفاوت در قطبیت میباشد.
بنابراین لایه میانی به عنوان چسب بین لایه داخلی (اپوکسی) و لایه خارجی (HDPE) نیز مورد استفاده قرار میدهد. لایه چسب، کامپاند پلیاتیلن گرافت شده با گروههای مالئیک انیدرید میباشد.
به منظور دستیابی به بهترین حفاظت خوردگی از لوله فولادی، پوشش مذکور باید چسبندگی مناسبی به لوله داشته باشد. طبق گزارشات ارائه شده، این پوشش سه لایه در مدت بسیار کوتاهی از سطح لوله فولادی جدا شده و کارایی خود را از دست میدهد[۱].
عوامل مختلفی در جدایش لوله فولادی از پوشش وجود دارد، در یکی از تئوریهای ارائه شده در بررسیهای پیشین صورت گرفته، از دلایل جدایش پوشش پلیاتیلن سه لایه از سطح، به تنشهای وارده شده به لوله که از نوع تنشهای خاک، تنشهای ناشی از انبساط و انقباضهای حاصل از تغییرات دما و فشار خط و نیز تنشهای درونی پوشش به جا مانده از مرحله اعمال هستند، نسبت داده شده است [۲]، این تنشها بدلیل عدم خواص بین سطحی مناسب در پوشش سه لایه که در بین پوشش اپوکسی و لایه HDPE خارجی به عنوان لایه مقاوم مکانیکی منتقل نشده و باعث شده تنش مذکور به سطح مشترک لوله و لایه اپوکسی وارد شده و جدایش اتفاق افتد.
از اینرو است که چسبندگی مناسب بین لایههای پوشش به همان اندازه چسبندگی پوشش اپوکسی با لوله فولادی اهمیت دارد. در این مقاله اقدام به بررسی علتهای جدایش لایه های مختلف پوشش به عنوان یکی از عوامل مهم در جدایش لوله از پوشش پرداخته می شود.
پوشش های سه لایه ضد خوردگی لوله های نفت و گاز شامل لایه زیرین اپوکسی، چسب میانه پلی اتیلنی و روکش پلی اتیلن می باشند که در شکل ۱ نشان داده شده است [۳]:
شکل ۱ : اجزای پوشش سه لایه ضد خوردگی [۳]
چسب بین لایه ها بر پایه پلی اتیلن یا پلی پروپیلن است که باید از یک طرف با روکش پلیمری (غیر قطبی) و از طرف دیگر با لایه زیرین اپوکسی (قطبی) سازگار باشد بنابراین مهمترین نقش در فرمولاسیون چسب های بین لایه ای را سازگارکننده های پلی اولفینی ایفا می نماید[۳].
چسب پلی اتیلن تولیدی ترکیبی از اجزای مختلف بر پایه پلی اتیلن می باشد که با توجه نقش حیاتی سازگارکننده های پایه مالئیک انیدرید در عملکرد این چسب، همه اجزای دیگر فرمولاسیون چسب به جز سازگارکننده پلی اتیلن ثابت و تاثیر تغییرات این پلیمر در عملکرد تست پیل بررسی گردید.
درتولید سازگار کننده پلی اتیلنی، پلی اتیلن همراه با مالییک انیدرید(MAH) در اکسترودر دو مارپیچ (شکل ۲) واکنش داده و خروجی اکسترودر که پلی اتیلن گرفت شده با مالییک انیدرید است به عنوان سازگارکننده (PE-g-MA) در ترکیب چسب بین لایه ای به کار رفته است. ترکیب شیمیایی سازگارکننده فوق مانند شکل ۳ است[۴] :
شکل ۲: تولید محصول کامپاند چسب به روش اکسترودر واکنشی با استفاده از اسید آلی [۴]
شکل ۳: ساختار شیمیایی کامپاند پلیمری حاوی گروه های مالئیک انیدرید [۴]
عملکرد سازگارکننده پلی اتیلن در چسب بین لایه ای از این جهت حایز اهمیت می باشد که این ترکیب از سر مالئیک انیدرید خود به دلیل واکنش شیمیایی بین گروه مالییک انیدرید و اپوکسی به لایه زیرین (اپوکسی) متصل می شود و سر پلی اتیلن خود به لایه مشکی خارجی (پلی اتیلن) اتصال می یابد که در شکل ۴ آمده است[۴].
شکل ۴ : واکنش شیمیایی بین سازگارکننده و لایه اپوکسی [۴]
این محصول بدلیل خاصیت اتصال دهندگی خود باعث افزایش خواص استحکام چسبندگی دو لایه می گردد. همانگونه که در شکل ۵ مشاهده می گردد، در صورت انتخاب صحیح سازگارکننده و میزان مناسب آن در فرمولاسیون تولید، می توان خواص استحکام چسبندگی دو لایه را بهبود بخشید. همانگونه که مشاهده می شود، درصد بهینه گرید مناسب سازگار کننده در مقایسه با سایر درصدها حداقل ۲۰% بهبود استحکام چسبندگی را به دنبال خواهد داشت.
شکل ۵: ساختار شیمیایی کامپاند پلیمری حاوی گروه های مالئیک انیدرید [۵]
به منظور عملکرد محصول چسب ایرانی با گرید Aria Adhesive 4107 با دو نمونه چسب ایتالیایی و کره ایی مطابق با استاندارد ملی گاز ایران برای پوشش های سه لایه IGS-C-TP-010 در جدول شماره ۱ مقایسه شده است .
جدول ۱ – مقایسه نتایج خواص چسب های بین لایه ایی پوشش های سه لایه مطابق با استاندارد ملی گاز ایران
برای ارزیابی نتایج مشخص شده تمامی گرید ها در رنج تاییدی استاندارد ملی IGS-C-TP-010 می باشند و آزمون استحکام چسبندگی (Peel Strength) مطابق استاندارد ASTM D1876 درشرایط مقایسه ای انجام گرفت و چسب گرید ایرانی چسبندگی قابل توجه ایی ثبت کرد.
یکی از مهمترین دلایل جدایش پوششهای سه لایه PE یا PP از لوله های فلزی، استحکام نامناسب سطح مشترک لایه داخلی (اپوکسی) و لایه خارجی (HDPE) در پوشش می باشد. این عدم اتصال مناسب باعث از عدم ایجاد ساختار واحد و یکپارچه در پوشش می گردد که در حین ایجاد تنشهای باقیمانده باعث عدم انتقال تنشهای مذکور شده و جدایش سطح لوله و پوشش و یا جدایش بین لایهها را منجر میگردد.
وظیفه انتقال مناسب تنش باقیمانده از لایه اپوکسی به لایه HDPE را چسب لایه میانی بر عهده دارد، این ترکیب حاصل فرآیند اکستروژن واکنشی پلیمر و گروه های مالئیک انیدرید می باشد. در صورت انتخاب صحیح سازگارکننده و میزان مناسب آن در فرمولاسیون تولید، می توان خواص استحکام چسبندگی دو لایه را بهبود بخشید. همانگونه که مشاهده می شود، درصد بهینه گرید مناسب سازگار کننده در مقایسه با سایر درصدها، بهبود استحکام چسبندگی را به دنبال خواهد داشت.
گردآورنده: علی باقری
Varughese K, (2006). Improving Adhesion Properties of Three Layer Polyethylene Systems for Underground Pipeline Protection .[1]
Available http://www2.dupont.com/Powder/en_US/assets/downloads/literature.
[۲] نعلبندی، احمد. حیدریان، جواد. ۱۳۹۱٫ جدایش زود هنگام پوشش پلی اتیلن سه لایه از سطح لوله و بررسی کارایی پوششهای جایگزین. مجله پژوهش نفت. ۱۱۰ تا ۱۲۰٫ ۶۹
[۳] M. S. F. Samsudin, M. Dell’Olio, K. H. Leong, Z. Ahamid, and R. J. Varley, “Adhesives performance of 3-layer PE pipe coatings: Effects of MAH loading, PE particles size, coating interval time and service temperature,” Prog. Org. Coatings, vol. 99, pp. 157–۱۶۵, ۲۰۱۶٫
[۴] L. Quillet and P. Nathiez, “HDPE anti-corrosion pipe coating system with,” ۲۰۰۹٫
[۵] Mahendrakar, S. (2010). Maleic Anhydrid Grafted Polypropylene Coatings on Steel: Adhesion and Wear