李振軍

中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司

摘要：通過對西部高強(qiáng)鋼管道三層聚乙烯（3PE）防腐層的現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室微觀形貌及環(huán)氧粉末涂層熱變特性分析，探討了防腐層的失效原因。結(jié)果表明：環(huán)氧粉末涂層在工廠預(yù)制時，生產(chǎn)線溫度控制不均勻、涂覆溫度過高或過低都會造成涂層與鋼管發(fā)生剝離。

關(guān)鍵詞：管道；3PE防腐層；環(huán)氧粉末涂層；剝離；分析

三層聚乙烯（3PE）防腐層是由熔結(jié)環(huán)氧粉末底層、膠黏劑中間層和聚乙烯外護(hù)層同步纏繞或擠出而成，具有優(yōu)良的絕緣性能和抗機(jī)械損傷性能，在管道建設(shè)施工中損傷小、防護(hù)層穩(wěn)定性好、陰極保護(hù)一次投資及運(yùn)行成本低，因此得到普遍采用。3PE發(fā)生的缺陷多種多樣，其中黏結(jié)力缺陷的危害最大。如果防護(hù)層有破損，則可能出現(xiàn)聚乙烯層剝離，剝離的聚乙烯層對陰極保護(hù)電流有強(qiáng)烈的屏蔽作用，并可能在屏蔽層下發(fā)生加速腐蝕。近年來，國內(nèi)外均發(fā)現(xiàn)了管道投運(yùn)后短期內(nèi)3PE防腐層黏結(jié)失效的案例，以至于可以毫不費(fèi)力地將涂層從管道表面剝離下來。

為掌握3PE防腐層運(yùn)行現(xiàn)狀，對某公司所轄管線的高強(qiáng)鋼管道管體3PE防腐層進(jìn)行檢測，并對3PE防腐層剝離現(xiàn)象進(jìn)行了分析，找出了3PE防腐層剝離失效的原因。

1  檢測內(nèi)容

（1）外觀檢查

對開挖處3PE外觀狀況進(jìn)行目測檢查并拍照，對于剝離的3PE防腐層，目測檢查剝離防腐層內(nèi)部一側(cè)的狀況并拍照。

（2）漏點(diǎn)檢測

用電火花檢漏儀對3PE防腐層的整個表面進(jìn)行漏點(diǎn)檢測，檢漏電壓為25 kV，以無漏點(diǎn)為合格，若有漏點(diǎn)則記錄漏點(diǎn)數(shù)及其分布情況。

（3）防腐層厚度檢測

選取管體一個截面，分別在其0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)位置進(jìn)行防腐層厚度測量，每個位置至少測量3個點(diǎn)。

（4）剝離強(qiáng)度測試

按SY/T 5918―2011《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》附錄C規(guī)定的方法進(jìn)行PE與管體的剝離強(qiáng)度測試，觀察剝離狀態(tài)。

（5）環(huán)氧粉末涂層厚度檢測

在3PE防腐層剝離處測量環(huán)氧粉末涂層厚度，每個剝離處至少測試3個點(diǎn)。

（6）環(huán)氧粉末涂層附著力檢測

在管道上取均勻分布的3個點(diǎn)，采用刀挑法進(jìn)行附著力檢測。

（7）實(shí)驗(yàn)室分析

對發(fā)生剝離現(xiàn)象的3PE防腐層，帶回實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行環(huán)氧粉末涂層的外觀形貌分析和熱變特性分析。

2  檢測結(jié)果

2.1  現(xiàn)場開挖檢測結(jié)果

被測管線2006年開工建設(shè)，2009年12月投產(chǎn)運(yùn)營，2015年進(jìn)行了管道3PE防腐層檢測。檢測對象為外檢測發(fā)現(xiàn)防腐層破損處和內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)有缺陷處防腐層，共抽檢15處。主要檢測內(nèi)容有3PE防腐層外觀、漏點(diǎn)、剝離強(qiáng)度、黏結(jié)力和管體腐蝕情況。

（1）檢測發(fā)現(xiàn)11處3PE防腐層整體狀況良好（圖 1），外觀無撬剝、破損現(xiàn)象；采用25 kV電火花檢漏，未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)；聚乙烯層剝離時，剝離強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，環(huán)氧粉末涂層與鋼管黏結(jié)性優(yōu)良。

圖1  整體狀況良好的防腐層實(shí)況

（2）2處（X2-GZG-1和X2-WS-2）環(huán)氧粉末凃?qū)优c管體表面完全分離無黏結(jié)力；管體表面沒有環(huán)氧粉末，并且光亮、無腐蝕（圖 2）。

圖2  完全剝離的防腐層實(shí)況

（3）2處（X3-GZG-1和X3-JH-1）3PE防腐層其環(huán)氧粉末涂層與管體黏結(jié)力降低，管體表面有部分環(huán)氧粉末；管體無腐蝕、光亮（圖 3）。

圖3 部分剝離的防腐層實(shí)況

2.2  實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果

（1）外觀形貌分析

出現(xiàn)剝離的4處（X2-GZG-1、X2-WS-2、X3-GZG-1、X3-JH-1）3PE防腐層，環(huán)氧粉末涂層完全黏附在聚乙烯上。經(jīng)拍照觀察其宏觀形貌，再用奧林巴斯LEXT4000全自動三維激光形貌儀放大觀察環(huán)氧粉末涂層的三維微觀形貌，結(jié)果分別見圖 4（a）、（b）、（c）、（d）。

圖 4  環(huán)氧粉末凃?qū)雍暧^和微觀形貌

從三維微觀形貌看，4處環(huán)氧粉末涂層均已出現(xiàn)微小的點(diǎn)狀銹蝕痕跡。從宏觀形貌看，X2-WS-2(b)和X3-JH-1(d)2處環(huán)氧粉末涂層顏色較深、發(fā)黃，出現(xiàn)輕度焦化現(xiàn)象，將3PE彎曲時環(huán)氧粉末涂層出現(xiàn)裂紋。

（2）環(huán)氧粉末涂層熱變特性分析

上述4處環(huán)氧粉末涂層，利用DSC差示掃描量熱儀進(jìn)行熱變特性分析，分別得出如圖 5 （a）、（b）、（c）、（d）所示熱掃描曲線和相應(yīng)的△Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化值）。

圖 5  環(huán)氧粉末涂層熱掃描曲線

從圖 5可知，X2-GZG-1（a）、X2-WS-2（b）、X3-GZG-1（c）、X3-JH-1（d）的環(huán)氧粉末涂層△Tg分別為8.14 ℃、2.64℃、5.83℃和2.52℃。

其中X2-GZG-1和X3-GZG-1的△Tg均大于5℃（GB/T 23257—2009規(guī)定環(huán)氧粉末涂層△Tg≤5℃），不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，顯示其環(huán)氧粉末涂層固化不完全。

3  3PE剝離原因分析

3.1  運(yùn)行環(huán)境

（1）過高的陰極保護(hù)電位

過高的陰極保護(hù)電位會增加涂層陰極剝離的可能性。涂層表面有破損、漏點(diǎn)或具有強(qiáng)滲透性時易導(dǎo)致涂層剝離。從檢測結(jié)果看，未發(fā)現(xiàn)3PE有破損及漏點(diǎn)的檢測處，3PE防腐層剝離后管體表面光亮，無水、無腐蝕及屏蔽產(chǎn)物。因此，此次檢測的3PE防腐層剝離與高陰極保護(hù)電位沒有直接的聯(lián)系。

（2）運(yùn)行溫度

由于管體金屬與3PE防腐層隨溫度變化有不同的熱脹冷縮比，長期冷熱交替運(yùn)行后，防腐層會與管體發(fā)生剝離。本次所檢測管道屬正常溫度運(yùn)行，其剝離現(xiàn)象與輸送介質(zhì)溫度的變化也沒有直接關(guān)聯(lián)。

3.2  原材料的質(zhì)量

環(huán)氧粉末的配方非常重要，直接影響3PE底層與管道金屬的黏結(jié)性能。由于無法得知環(huán)氧粉末的原始資料，本次檢測的環(huán)氧粉末涂層剝離現(xiàn)象是否與其原材料的品質(zhì)有關(guān)無法判斷。

3.3  3PE防腐層預(yù)制環(huán)節(jié)

（1）表面處理

涂裝前管道表面處理是提高涂層性能的關(guān)鍵，如表面噴砂處理等級、錨紋深度等，其次表面可溶鹽含量、表面灰塵級別也會影響涂層質(zhì)量，目前國內(nèi)缺乏這兩方面的技術(shù)要求及測試方法。

（2）涂裝溫度

3PE在涂裝前，需要把鋼管的溫度加熱到200 ℃以上。但溫度過高，環(huán)氧粉末固化反應(yīng)太快，粉末熔化不充分，成膜流平不良，和鋼表面的結(jié)合力降低，在膠黏劑包覆前，環(huán)氧樹脂官能團(tuán)過度消耗，部分、甚至完全失去和膠黏劑的化學(xué)鍵結(jié)合能力。溫度太高，熔結(jié)環(huán)氧層甚至可能發(fā)生輕度焦化，表現(xiàn)為環(huán)氧粉末層顏色變深、發(fā)黃。如此次X2-WS-2和X3-JH-1檢測處，涂裝預(yù)制時溫度過高可能是造成這2處環(huán)氧粉末層黏結(jié)力降低而導(dǎo)致剝離失效的原因。

而溫度偏低，環(huán)氧粉末來不及固化，嚴(yán)重時，會使環(huán)氧粉末層不能完全固化，而致整根管體的一段或全部喪失黏結(jié)力。此次X2-GZG-1和X3-GZG-1檢測處環(huán)氧粉末層經(jīng)熱掃描檢測發(fā)現(xiàn)其固化不完全，證明涂裝預(yù)制時溫度偏低，可能是造成這2處環(huán)氧粉末層喪失黏結(jié)力導(dǎo)致剝離失效的原因。

4  結(jié)論與建議

（1）本次西部高強(qiáng)鋼管道防腐層共抽檢15處，環(huán)氧粉末涂層與管體完全剝離或部分剝離的4處，占抽檢總數(shù)的26.7%。

（2）發(fā)生剝離現(xiàn)象的4處3PE防腐層其環(huán)氧粉末涂層與鋼管無黏接力。這種情況下一旦聚乙烯層破損或者開裂，導(dǎo)致防腐層剝離失效，管道就容易發(fā)生腐蝕。

（3）經(jīng)現(xiàn)場檢測和實(shí)驗(yàn)室分析，環(huán)氧粉末涂層與管體發(fā)生剝離的原因主要是防腐層預(yù)制時溫度控制不均勻，溫度過高或者過低而造成環(huán)氧粉末涂層與鋼管黏結(jié)力降低而發(fā)生剝離。

（4）對于防腐層剝離失效嚴(yán)重的區(qū)域，建議加強(qiáng)管道外檢測，以有效預(yù)防其破損或者開裂而導(dǎo)致管體發(fā)生腐蝕。

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作者：李振軍，工程師，本科畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），現(xiàn)為中石油西部管道公司管道處主管。

《管道保護(hù)》2018年第1期（總第38期）