埋地管道防腐層陰極剝離性能試驗(yàn)

王樂， 王碩,2， 李劍楠

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

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埋地管道防腐層陰極剝離性能試驗(yàn)

王樂1， 王碩1,2， 李劍楠1

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

埋地管道；防腐層；鎂陽極；陰極剝離；電解液

為測定埋地管道防腐層的抗陰極剝離性能，參照SY/T 0037-2012行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了為期45 d的試驗(yàn)。將3根相同管徑和壁厚的無縫鋼管外分別纏繞不同材料的防腐層(NTG粘彈體、玻璃纖維、碳纖維)，在不同位置設(shè)人為缺陷孔，分別和鎂陽極連接，置于電解液中，在試驗(yàn)周期結(jié)束后觀察不同防腐層在人為缺陷孔附近的剝離程度和表觀現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果顯示，3種防腐材料中，碳纖維材料的抗陰極剝離能力最好，NTG粘彈體防腐材料最差。該研究成果為施加陰極保護(hù)措施的管道工程防腐材料的選擇提供依據(jù)。

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地下管網(wǎng)錯綜復(fù)雜，管道破壞事件時有發(fā)生?，F(xiàn)今管道破損事故中，腐蝕是引起管道破壞的最普遍原因之一[1]。管道的防腐層在運(yùn)輸和敷設(shè)過程中，幾乎不可避免地會有所損壞。防腐層破損的管道埋地后，因土壤電解質(zhì)或陰極保護(hù)的作用，在漏點(diǎn)處會產(chǎn)生剝離，使得管道受到腐蝕的可能性大大增加。采用防腐材料與陰極保護(hù)相結(jié)合是現(xiàn)階段鋼質(zhì)管道防腐的主要措施。目前，管道工程中使用的防腐層材料主要有聚氨酯、聚乙烯、石油瀝青、環(huán)氧涂料等。對于這些材料的性能，研究人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。龔敏等研究了3種聚乙烯防腐層(3PE、熱收縮帶、熱收縮套)在不同陰極保護(hù)電位下，陰極剝離過程中陰極保護(hù)電流的變化，以及它們在不同條件下的抗陰極剝離性能[2-3]。魏強(qiáng)邦等認(rèn)為玻璃鱗片的存在相當(dāng)于增加了環(huán)氧涂層的厚度，從而降低了水、氧以及介質(zhì)離子的透過速度，增強(qiáng)了涂層的抗陰極剝離性能[4]。張其濱等人的研究表明，3PE防腐層的陰極剝離值隨著基材變形量的增大而明顯增大[5]。然而，這些材料在實(shí)際工程應(yīng)用中都存在著各自的缺陷和局限[6]。隨著粘彈體材料的開發(fā)研制，使其因良好的形狀適應(yīng)性，較寬的溫度使用范圍，較強(qiáng)的粘結(jié)力，自修復(fù)能力和方便現(xiàn)場施工等優(yōu)勢正在得到推廣[7-8]；碳纖維材料以其抗拉強(qiáng)度高、安全可靠、靈活施工且不動火、適溫范圍廣、修復(fù)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)使其在管道補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)方面得到應(yīng)用[9]。玻璃纖維在價格方面頗占優(yōu)勢。

本文以粘彈體、碳纖維+環(huán)氧樹脂、玻璃纖維+環(huán)氧樹脂為埋地管道防腐層材料，針對它們的陰極剝離性能進(jìn)行試驗(yàn)對比研究。配制電解液，實(shí)現(xiàn)防腐層加速剝離的室內(nèi)試驗(yàn)條件，通過直觀檢查方法對不同種類的防腐層剝離程度進(jìn)行分析，用來測定各防腐層的抗陰極剝離性能。為埋地管道工程防腐材料的選取提供依據(jù)。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

采用工業(yè)無水氯化鈉、無水硫酸鈉、無水碳酸鈉以及自來水，按照質(zhì)量份額各占1%，現(xiàn)配電解液[10]。用于制備管道防腐層的材料有粘彈體、粘彈體帶、玻璃纖維、碳纖維、環(huán)氧樹脂以及固化劑。鋼管采用直徑72 mm，壁厚為3 mm的無縫鋼管，管兩端用橡膠塞密封以防管內(nèi)腐蝕。包裹防腐層前管道表面進(jìn)行除銹。試驗(yàn)用其他材料包括塑料桶、鎂陽極、絕緣銅導(dǎo)線、鉆頭和直觀檢查工具(刀)、量程為0.01～5 V直流電壓表、水銀溫度計(jì)(要求電解液的溫度保持在21 ～25 ℃之間)和參比電極等。

1.2試件制備

將3根管長、管徑、壁厚相同的無縫鋼管涂敷不同的防腐層材料，并分別標(biāo)注為試件I、試件II、試件III。所用防腐層材料分別為：粘彈體+防腐帶，環(huán)氧樹脂+碳纖維，環(huán)氧樹脂+玻璃纖維。均勻涂敷3種防腐層材料的試件如圖1。

圖1　不同防腐層的試件

待防腐層干結(jié)硬化后，將管道底部用膠塞封堵，并用環(huán)氧樹脂加以密封，防止試驗(yàn)周期電解液進(jìn)入管道內(nèi)，對其內(nèi)部造成腐蝕，影響試驗(yàn)結(jié)果。在露出液面的管段試件頂部焊接絕緣銅導(dǎo)線，檢驗(yàn)防腐層的連續(xù)性和端蓋密封的有效性，檢測防腐層是否存有漏點(diǎn)。導(dǎo)線的焊接處必須用絕緣材料保護(hù)和密封。在每個試件上鉆人為缺陷孔，用來分析試驗(yàn)結(jié)果。

1.3試驗(yàn)裝置與步驟

按照圖2所示的試驗(yàn)裝置圖[10]，把試件I、試件II和試件III與鎂陽極連接在一起。試件的人為缺陷孔背向鎂陽極。

(1)試驗(yàn)進(jìn)行前，在試驗(yàn)槽上標(biāo)明浸沒線的位置，每天要加水保持液位，確保溶液的濃度不會發(fā)生變化，然后測量試件I、II和參比電極之間的電位，如圖2裝置圖中的虛線部分，確保電位值在-1.38～1.48 V之間。

(2)本試驗(yàn)周期為45 d，試驗(yàn)周期內(nèi)要求每天測定電解液的溫度，以確保溶液溫度在21～25 ℃之間，并對電解液進(jìn)行攪拌確保電解液濃度的均勻。

(3)試驗(yàn)周期結(jié)束，用溫水輕輕沖洗3個試件的浸沒區(qū)，直觀檢查試件是否出現(xiàn)新的漏點(diǎn)，并觀察人為孔處防腐層的變化情況。

(4)對人為缺陷孔進(jìn)行切割，用工具將切割的部分剝開，隨后測量防腐層剝離面積，確定材料的抗陰極剝離能力。

圖2　試驗(yàn)裝置

2試驗(yàn)結(jié)果和分析

當(dāng)45 d試驗(yàn)周期結(jié)束時，觀測3個試件，如圖3，沒有出現(xiàn)新漏點(diǎn)，粘彈體管的人為孔處的防腐層松動并且皺縮，表面結(jié)有極少量的鹽塊；碳纖維管體表面結(jié)有大量的鹽塊，并且碳纖維黑色變淺，人為孔處防腐層基本沒有什么變化；玻璃纖維表面有少量的鹽體凝結(jié)，人為孔處防腐層變化很小，防腐層的顏色變?yōu)槿榘咨?/p>

圖3　試驗(yàn)結(jié)束后的防腐層外觀

之后將每一個人為缺陷孔進(jìn)行切割剝離處理，如圖4，并計(jì)算剝離面積。通過計(jì)算得出：粘彈體材料3個人為孔的剝離面積分別為1 965 mm，2 286 mm，3 024 mm；碳纖維和玻璃纖維的剝離面積近似為0 mm。

圖4　各試件人為孔處防腐層的剝離

通過直觀觀察，同樣可以看出與鎂陽極連接的粘彈體試件防腐層有明顯剝離，而且剝離程度相對試件II、III要大得多，主要是因?yàn)檫B接鎂陽極的管道被過度保護(hù)，使延展性、整體性良好的粘彈體處于跟管壁接觸但易剝離的狀態(tài)。試件II、III的陰極剝離程度很小，與管道表面粘結(jié)得很好，這是環(huán)氧樹脂加纖維的結(jié)果，兩者結(jié)合可以使原管壁得到加固，所以它們的剝離面積接近于零。對難以剝離的碳纖維和玻璃纖維試件施加人為外力進(jìn)行剝離，玻璃纖維防腐層與管道表面出現(xiàn)防腐層脆性破壞而且面積很容易擴(kuò)大，而碳纖維材料沒有變化。從抗陰極剝離能力來看，碳纖維材料最好，而粘彈體材料最差。所以在采取陰極保護(hù)措施的管道涂敷粘彈體材料時，必須注意不要發(fā)生過保護(hù)現(xiàn)象，以免造成防腐層的陰極剝離，加深腐蝕。

3結(jié)論

(1)環(huán)氧樹脂和碳纖維結(jié)合成的防腐層材料抗陰極剝離性能好，抵抗外界破壞力能力強(qiáng)，彈塑性較大的粘彈體防腐材料抗陰極剝離性能較差。所以在埋地管道施加陰極保護(hù)措施時，不要實(shí)施過度保護(hù)，會影響粘彈體材料的防腐效果。

(2)由于環(huán)氧樹脂干結(jié)硬化，防腐層材料如果過于稀疏單薄，防腐層很容易發(fā)生脆性斷裂。在試驗(yàn)中人為剝離防腐層時玻璃纖維防腐層很容易發(fā)生斷裂并且逐漸延伸，使得防腐層和管體分離，而碳纖維防腐層與管體粘結(jié)牢固。

(3)人為缺陷孔處防腐層陰極剝離面積隨著在電解液中浸沒高度的加深剝離面積不斷增大。說明剝離程度和不同位置處的壓強(qiáng)有一定的關(guān)系。

[1]張婷. 3PE防腐層埋地鋼質(zhì)管道陰極剝離研究[D]. 四川:四川理工學(xué)院，2012.

[2]龔敏. 油氣運(yùn)輸管道防腐層的抗陰極剝離性能[J]. 表面技術(shù), 2012, 41(1):30-32,47.

[3]龔敏. 影響埋地管道3PE防腐層剝離的因素探討[J]. 專論, 2011, 25(2):10-13.

[4]魏強(qiáng)邦, 周永峰. 玻璃鱗片對環(huán)氧涂料抗陰極剝離性能的影響[J]. 腐蝕與防護(hù), 2008, 29(8):490-491.

[5]張其濱, 張莉, 李愛貴, 等. 基材變形對3PE防腐層性能的影響[J]. 石油工程建設(shè), 2009, 35(6):33-35.

[6]胡登輝, 張延豐. 埋地管道防腐層維修材料的選擇[J]. 裝備環(huán)境工程, 2009, 6(1):85-88.

[7]張穎懷, 王修云, 阮景紅. 粘彈體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)參數(shù)解析[J]. 腐蝕與防護(hù), 2013, 34(8):730-733.

[8]袁春, 李建忠, 王穎, 等. 粘彈體防腐材料研制及其應(yīng)用[J]. 油氣儲運(yùn), 2012, 31(11):837-840.

[9]王悅. 埋地輸氣管道腐蝕缺陷分析及修復(fù)對策[J]. 石油工程建設(shè), 2009, 35(3):41-43.

[10]中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). SY/T 0037-2012管道防腐層陰極剝離試驗(yàn)方法[S]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2012.

Experiment on Cathodic Disbonding Property of Anti-corrosive Coating of Buried Pipeline

WANG Le1, WANG Shuo1,2, LI Jian-nan1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009, China;2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan Hebei 063009,China)

buried pipeline;anti-corrosive coating;Mg anode;cathodic disbonding;electrolyte

In order to measure cathodic disbonding property of anti-corrosive coating of buried pipeline, experiment was done in 45 days by reference to industrial standard SY/T 0037-2012. Three seamless steel pipes with the same diameter and wall thickness were respectively wrapped with NTG visco-elastic materials, glass fiber and carbon fiber materials. Man-made defect holes were set at different places. These pipes were connected with Mg anode which were put into electrolyte. At the end of this test, disbonding extent and appearance of anti-corrosive coating near man-made defect holes were observed. The results show that the resistance ability of carbon-fiber to cathodic disbonding is the best, and the resistance ability of NTG visco-elastic material is the worst in the three anti-corrosive coating materials. The research results provide some

for the choice of anti-corrosive coating materials used in pipeline engineering with cathodic protection.

2095-2716(2015)04-0113-04

U177.1

A