磷化工藝在海底管道防腐蝕中的應(yīng)用

李長(zhǎng)春，相政樂(lè)，王銘浩，趙利，賈振，呂喜軍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）

磷化工藝在海底管道防腐蝕中的應(yīng)用

李長(zhǎng)春，相政樂(lè)，王銘浩，趙利，賈振，呂喜軍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）

介紹了磷化工藝原理、工藝流程及其工藝控制，通過(guò)在工業(yè)管道上進(jìn)行3LPE涂敷試驗(yàn)，研究了磷化處理對(duì)涂層性能的影響。結(jié)果表明：磷化處理提高了鋼管的表面質(zhì)量，涂層附著力得到改善。

磷化工藝；海底管道；涂層性能；防腐蝕

隨著海上油氣田大開(kāi)發(fā)時(shí)代的到來(lái)，海底油氣輸送管道的用量也愈來(lái)愈大，考慮到海水腐蝕環(huán)境的惡劣性，在管線的設(shè)計(jì)文件中對(duì)防腐蝕涂層的性能提出了更高的要求。為了滿足海洋管道的防腐蝕需求，在海底管道單層FBE（熔結(jié)環(huán)氧），雙層FBE和3LPE／PP（3層聚乙烯／聚丙烯）等防腐蝕涂層的生產(chǎn)中，均需要對(duì)拋丸除銹后的鋼管基體進(jìn)行磷化處理，以提高涂層的附著力和防腐蝕能力。隨著我國(guó)海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，在深海、超深海管道上應(yīng)用的5LPP／7LPP、SPU／GSPU（噴涂聚脲／玻璃聚氨脂）等防腐蝕保溫結(jié)構(gòu)的涂敷工藝中，鋼管基體采用磷化處理工藝更是必不可少的。

鋼管表面磷化處理過(guò)程是磷化液與基材通過(guò)化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)在鋼管表面形成磷酸鹽覆蓋膜的過(guò)程（經(jīng)歷電離、水解、氧化、結(jié)晶四個(gè)步驟）［1］。磷化工藝是經(jīng)國(guó)內(nèi)外工業(yè)實(shí)踐證明的有效改善鋼管表面清潔度的化學(xué)預(yù)處理手段［2］，不僅工藝參數(shù)控制較成熟［3］，而且對(duì)金屬基材及涂層性能改進(jìn)效果也較明顯［4-5］。本工作介紹了磷化工藝，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其在海管底管道防護(hù)中的應(yīng)用前景。

1 磷化工藝簡(jiǎn)介

管道防腐蝕涂敷過(guò)程中，磷化工藝通常由磷化、高壓水洗、干燥三道工序組成［6］，管道的涂敷工藝（包括磷化工藝）見(jiàn)圖1。

拋丸除銹后的鋼管通過(guò)涂敷傳動(dòng)線，首先進(jìn)入鋼管磷化噴淋系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)水預(yù)處理系統(tǒng)和二級(jí)反滲透（RO）系統(tǒng)制備的純水儲(chǔ)存于儲(chǔ)水箱中，經(jīng)氣動(dòng)隔膜泵、電磁流量計(jì)進(jìn)入自動(dòng)配酸系統(tǒng)，自動(dòng)加藥電磁隔膜計(jì)量泵根據(jù)設(shè)定的加藥比例配制磷化液。

配制的磷化液經(jīng)磷化噴淋室的扇形霧化噴嘴，以一定壓力和流量均勻地噴淋在鋼管表面，對(duì)鋼管表面進(jìn)行磷化，隨著傳動(dòng)線運(yùn)行，在磷化后區(qū)間經(jīng)20 s以上時(shí)間后進(jìn)入高壓清洗室和風(fēng)干室。

將經(jīng)過(guò)二級(jí)反滲系統(tǒng)的純水加熱至一定溫度，以一定壓力對(duì)磷化噴淋后的鋼管進(jìn)行清洗，清洗后鋼管表面p H為6～7。高壓水沖洗后采用高溫?zé)犸L(fēng)機(jī)干燥鋼管表面，避免鋼管表面返銹。

磷化處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，經(jīng)過(guò)“調(diào)節(jié)+中和除磷+A／OMBR+碳濾”磷化廢水處理工藝處理后，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放要求。

2 磷化工藝在線涂敷試驗(yàn)

3LPE涂層在線涂敷試驗(yàn)分為兩個(gè)部分，對(duì)鋼管進(jìn)行拋丸除銹，除銹等級(jí)為Sa2.5，記為空白試驗(yàn)；對(duì)鋼管進(jìn)行拋丸除銹、磷化處理，記為磷化試驗(yàn)。

2.1 鋼管尺寸及涂層厚度

在線涂敷試驗(yàn)用鋼管采用X65ERW管線鋼，尺寸為?273 mm×12.7 mm，長(zhǎng)度為12.19 m，管號(hào)分別為1622（A）和11C11337（B）。3LPE防腐蝕層總厚度≥3.0 mm，其中，環(huán)氧粉末涂層厚度為250～400μm，膠粘劑層厚度≥150μm，聚乙烯層厚度≥2 600μm。A、B兩根鋼管焊縫處涂層最小厚度不能小于規(guī)定值的80％。

表1 3LPE涂層的性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Testing results of 3LPE coating

2.2 原材料檢驗(yàn)

涂敷試驗(yàn)前，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試驗(yàn)用原材料進(jìn)行質(zhì)量和工藝性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.3 3LPE涂敷試驗(yàn)檢測(cè)

（1）在線試驗(yàn)檢測(cè)

涂敷試驗(yàn)前，檢驗(yàn)?zāi)チ系那鍧嵍龋チ系碾妼?dǎo)率須小于1 000μS／cm。拋丸除銹時(shí)鋼管應(yīng)預(yù)熱至40～70℃，且表面干燥。拋丸除銹后鋼管除銹等級(jí)達(dá)Sa2.5，表面粗糙度（Ra）為50～100μm，灰塵污染度≤2級(jí)，表面鹽分＜20 mg／m2，且鋼管表面溫度至少應(yīng)高于露點(diǎn)溫度3℃。

涂敷試驗(yàn)過(guò)程中，按照ISO 8501－07和ISO 8502－05等標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)鋼管除銹等級(jí)、灰塵污染度和表面鹽分等進(jìn)行檢驗(yàn)。涂敷完成后，防腐蝕管進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，確保防腐蝕管冷卻到60℃以下，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)防腐蝕層進(jìn)行漏點(diǎn)和剝離強(qiáng)度等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～4。

表2 磷化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)鋼管表面鹽分檢測(cè)結(jié)果Tab.2 On-site salt contamination inspection test results for phosphating test（3LPE）mg／m2

表3 磷化前后鋼管表面處理效果對(duì)比Tab.3 Comparison of pipe surface treatment effects before and after phosphating

由表2～4可知，由于鋼管在場(chǎng)地存放時(shí)間長(zhǎng)，其表面銹蝕嚴(yán)重，灰塵污染度和鹽分含量較高，經(jīng)拋丸除銹后鋼管表面鹽分質(zhì)量濃度均大于20 mg／m2，難以滿足管道涂敷工藝技術(shù)要求，經(jīng)磷化和高壓水沖洗后，鋼管表面鹽分質(zhì)量濃度降至12.0～14.4 mg／m2，小于15 mg／m2；除銹等級(jí)提高至Sa3，灰塵污染度達(dá)到1級(jí)，且對(duì)錨紋深度無(wú)顯著影響，表明磷化處理顯著提高了鋼管表面的處理質(zhì)量。

3LPE涂層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，（50±5）℃條件下，涂層剝離強(qiáng)度大于158N／cm，大于指標(biāo)要求的150 N／cm；采用25 k V電壓檢漏，涂層無(wú)漏點(diǎn)，涂層整體性能達(dá)到了預(yù)期效果，滿足管道涂敷工藝和現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)要求。

表4 3LPE涂層現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果Tab.4 On-site inspection results for 3LPE coating

（2）涂層性能檢測(cè)

鋼管涂敷完成后，按相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，由專(zhuān)業(yè)人員在試驗(yàn)管上切取不同規(guī)格的試件，進(jìn)行涂層的性能檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括陰極剝離、彎曲試驗(yàn)以及熱特性等，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，空白和磷化處理后，涂層在－30℃時(shí)均具有良好的韌性；在－1.5 V，28 d，65℃條件下，涂層的陰極剝離半徑為5.80 mm，顯著小于空白條件下的8.24 mm。表明經(jīng)過(guò)磷化工藝處理后，涂層和基材表面的附著力顯著增加，涂層抗陰極剝離能力有所提高。

值得注意的是，在磷化噴淋后，如后續(xù)高壓水沖洗不到位，基材表面殘留的磷化液會(huì)嚴(yán)重影響涂層的附著力，即涂層陰極剝離效果會(huì)較差，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，磷化工藝中高壓水沖洗的壓力應(yīng)接近7 MPa，通過(guò)調(diào)整沖洗時(shí)間使鋼管表面p H接近中性，可忽略氫脆對(duì)普通鋼級(jí)管線鋼的影響，但對(duì)受力高強(qiáng)度鋼而言酸洗要注意氫脆的影響，此時(shí)應(yīng)考慮在質(zhì)量和成本之間進(jìn)行平衡。

3LPE涂層性檢測(cè)結(jié)果顯示，與涂層附著力相關(guān)的性能指標(biāo)抗陰極剝離和“X”型剝離等性能指標(biāo)有一定程度的提高，這是由于磷化處理能夠清除鋼管表面殘存的污漬，形成了一層致密的且與金屬基材融為一體的磷化膜，另外3LPE涂層中聚乙烯層能夠防止水分侵蝕，對(duì)涂層起到了一定的防護(hù)作用。

3 結(jié)論

（1）酸洗能夠有效清除基材表面錨紋中殘留的銹蝕痕跡、可溶性無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、有機(jī)污染物及微小粉塵等，為涂料涂裝提供清潔的表面；磷化工藝能夠在鋼管表面生成一層多孔性磷化膜，通過(guò)“拋錨效應(yīng)”和抑制基材表面微電池的形成，增強(qiáng)涂層的附著力和耐蝕性，顯著提高鋼管表面處理質(zhì)量。

（2）磷化前后涂層性能檢測(cè)結(jié)果顯示，磷化后與3LPE涂層附著力相關(guān)的陰極剝離、彎曲試驗(yàn)和“X”型剝離等性能均有顯著提高，這表明經(jīng)過(guò)磷化工藝處理后3LPE涂層整體附著效果良好。

表5 3LPE涂層性能檢測(cè)結(jié)果Tab.5 Inspection results for 3LPE coating performance

［1］ 唐春華.金屬表面磷化技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1-3.

［2］ 李汝江，韓秀林，王友生，等.鋼管3PE外防腐工藝的探討［J］.焊管，2008，31（6）：75-77.

［3］ 相政樂(lè)，王銘浩，賈振，等.國(guó)外管道防腐涂敷中的化學(xué)預(yù)處理工藝［J］.石油工程建設(shè)，2013，39（1）：6-8.

［4］ 徐學(xué)武.海底油氣管道內(nèi)腐蝕分析與防護(hù)［J］.腐蝕與防護(hù)，2014，35（5）：500-504.

［5］ 孫挺，何翊，劉仰碩.JP級(jí)鋼管磷化的研究［J］.腐蝕與防護(hù)，2004，25（7）：301-303.

［6］ ALAN K J.Fusion-bonded epoxy a foundation for pipeline corrosion protection［M］.Houston：NACE Press，2003：285-286.

Application of Phosphating Process to Anti-corrosion Coating of Submarine Pipeline

LI Chang-chun1，XIANG Zheng-le，WANG Ming-hao，ZHAO Li，JIA Zhen，LüXi-jun
（CNOOC Energy Technology＆Services-Pipe Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

The principle，treating steps and parameter control of phosphating process are introduced.By applying 3LPE coating onto industry pipes for comparing tests，the effects of phosphating process on the performance of coating were studied.The results showed that the surface quality of the steel pipeline was improved，and coating adhesion property was enhanced after phosphating process.

phosphating process；submarine pipeline；performance of coating；anti-corrosion

TG174.4

：B

：1005-748X（2016）11-0925-04

10.11973／fsyfh-201611015

2015-06-29

李長(zhǎng)春（1984－），工程師，研究生，從事海洋油氣管道防腐、保溫及配重工藝及技術(shù)研究工作，18522519062，lichch10＠cnooc.com.cn