淺析高強(qiáng)鋼管3PE防腐蝕層性能檢測(cè)

倪行秀

摘要：隨著埋地管道大量的使用3PE防腐層，其缺陷也開(kāi)始逐步地暴露出來(lái)。文章通過(guò)對(duì)某高強(qiáng)鋼管道沿線(xiàn)管體3PE防腐蝕層性能檢測(cè)，從管道的運(yùn)行環(huán)境、原材料質(zhì)量以及防腐廠(chǎng)預(yù)制環(huán)節(jié)出發(fā)，分析了失效機(jī)理，最終確定了防腐層的失效原因。

關(guān)鍵詞：管道；3PE防腐蝕層；性能檢測(cè)

由于長(zhǎng)輸管道向極地、海洋、凍土、沼澤、沙漠等嚴(yán)酷環(huán)境延伸，對(duì)防腐層性能提出了更嚴(yán)格的要求。鋼質(zhì)管道3PE防腐結(jié)構(gòu)集中了熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）和擠壓聚烯烴涂層的性能優(yōu)勢(shì)，克服了兩種涂層單獨(dú)使用時(shí)性能上的不足，以其優(yōu)越的防腐性能和良好的加工工藝性，成為國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道應(yīng)用較多的管道外防腐涂層，是管道外防腐的首選方案。然而，3PE生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制相對(duì)復(fù)雜一些，管道的3PE防腐蝕層會(huì)受多種因素的影響而失效，主要表現(xiàn)為3PE防腐層與管道體的剝離、焊縫區(qū)3PE防腐層受力裂開(kāi)等現(xiàn)象。為掌握3PE防腐蝕層運(yùn)行現(xiàn)狀，有必要對(duì)管道管體3PE防腐蝕層進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)失效原因進(jìn)行探究。

1 檢測(cè)內(nèi)容

3PE防腐蝕層性能檢測(cè)方法見(jiàn)表1。3PE防腐蝕層剝離的粉末涂層的實(shí)驗(yàn)室分析如下：熱特性試驗(yàn)分析、宏觀(guān)、微觀(guān)形貌分析等。

表1 3PE防腐蝕層性能指標(biāo)要求

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果

對(duì)某高強(qiáng)鋼管道3PE防腐蝕層進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)對(duì)象為外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)防腐蝕層破損處和內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有缺陷處防腐蝕層，共抽檢15道口。主要檢測(cè)3PE防腐蝕層外觀(guān)、漏點(diǎn)、剝離強(qiáng)度、厚度、附著力和管體腐蝕情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 整體狀況良好的檢測(cè)照片

發(fā)現(xiàn)11處3PE防腐蝕層整體狀況良好，外觀(guān)無(wú)撬剝、破損現(xiàn)象；采用25kV電火花檢漏，未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)；聚乙烯層剝離時(shí)，剝離強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，粉末涂層與鋼管粘結(jié)性?xún)?yōu)良。發(fā)現(xiàn)2處（X2-GZ01和X2-WS-2）管道壁上的環(huán)氧粉末層與管道體表面完全分離無(wú)粘結(jié)力，管體表面上沒(méi)有環(huán)氧粉末并且管體無(wú)腐蝕、光亮。發(fā)現(xiàn)2處（X3-GZCM和X3-JH-1）3PE防腐蝕層與管體粘結(jié)力降低，管體表面有部分環(huán)氧粉末；環(huán)氧粉末涂層剝離處管體無(wú)腐蝕、光亮。

2.2 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

從現(xiàn)場(chǎng)取回4道出現(xiàn)剝離的檢測(cè)口（X2-GZO1.X2-WS-2，X3-GZG-1，X3-JH-1）3PE材料進(jìn)行室內(nèi)分析，包括環(huán)氧粉末涂層外觀(guān)形貌分析和環(huán)氧粉末涂層熱變特性測(cè)試，從而分析3PE防腐蝕層剝離的原因。

（1）外觀(guān)形貌分析

取回的4道出現(xiàn)剝離現(xiàn)象的三層聚乙烯防腐蝕層，環(huán)氧粉末涂層完全粘附在聚乙烯上。將4道取樣防腐蝕層進(jìn)行宏觀(guān)形貌觀(guān)察，然后利用奧林巴斯LEXT4000全自動(dòng)三維激光形貌儀放大觀(guān)察環(huán)氧粉末涂層的三維微觀(guān)形貌，見(jiàn)圖2。

圖2 X2-GZ01取樣宏觀(guān)照片

從三維激光形貌儀放大的三維照片看，4道檢測(cè)口的環(huán)氧粉末涂層上均已出現(xiàn)微小的點(diǎn)狀銹蝕痕跡。從宏觀(guān)照片來(lái)看，X2-WS-2和X3-JH-1兩道檢測(cè)口環(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(shí)環(huán)氧粉末涂層出現(xiàn)裂紋。

（2）環(huán)氧粉末涂層熱變特性測(cè)試

將取回的4道出現(xiàn)剝離現(xiàn)象的環(huán)氧粉末涂層利用DSC差示掃描量熱儀進(jìn)行熱特性實(shí)驗(yàn)分析，分析環(huán)氧粉末涂層的固化情況。分別得出4道檢測(cè)口環(huán)氧粉末涂層的熱掃描曲線(xiàn)，并得出了△Tg在值。

3 3PE剝離原因分析

環(huán)氧粉末涂層與管體粘結(jié)不佳是造成3PE防腐蝕層失效的主要原因。管道運(yùn)行環(huán)境、環(huán)氧粉末原材料品質(zhì)及工廠(chǎng)預(yù)制這些環(huán)節(jié)都可能造成環(huán)氧粉末涂層粘結(jié)力不佳。

3.1 運(yùn)行環(huán)境

（1）過(guò)高的陰極保護(hù)電位

過(guò)高的陰極保護(hù)電位增加了涂層陰極剝離的可能性。涂層產(chǎn)生陰極剝離的條件是涂層表面必須有破損、漏點(diǎn)或具有強(qiáng)滲透性，水和氧能到達(dá)金屬表面，且陰極保護(hù)電位足夠負(fù)。電位足夠小時(shí)，水在金屬表面發(fā)生陰極反應(yīng)生成0H-離子：2H20+2e=H2+20H-（水還原），過(guò)量的H2釋放和OH-的聚集導(dǎo)致涂層剝離。從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)3PE有破損及漏點(diǎn)，剝離后管體表面光亮，無(wú)水、無(wú)腐蝕及屏蔽產(chǎn)物。因此，此次檢測(cè)的3PE防腐蝕層的剝離與高陰極保護(hù)電位沒(méi)有直接的聯(lián)系。

（2）運(yùn)行溫度

由于管體金屬與3PE涂層隨溫度變化有不同的熱脹冷縮比，長(zhǎng)期冷熱交替運(yùn)行后，涂層會(huì)與管體發(fā)生剝離。所調(diào)査管道屬正常運(yùn)行，但有剝離現(xiàn)象，本次檢測(cè)的3PE防腐蝕層的剝離與輸送介質(zhì)溫度的變化也沒(méi)有直接的聯(lián)系。

3.2 原材料的質(zhì)量

環(huán)氧粉末的正確配方非常重要，直接影響3PE底層與管道金屬的粘結(jié)性能。對(duì)環(huán)氧粉末原材料及成品涂層的檢測(cè)，國(guó)外限制含水量，國(guó)內(nèi)是限制揮發(fā)分含量，對(duì)3PE用環(huán)氧粉末涂裝試片，國(guó)內(nèi)只要求附著力和陰極剝離兩項(xiàng)指標(biāo)，國(guó)外還要求斷面孔隙率、界面孔隙率、抗2.5°彎曲，而且國(guó)內(nèi)外陰極剝離實(shí)驗(yàn)條件與指標(biāo)要求各不相同，基本不具備可比性。由于缺乏嚴(yán)格的檢測(cè)要求及指標(biāo)，加人過(guò)多填料的環(huán)氧粉末進(jìn)人涂敷車(chē)間，可能使得成品管道涂層性能降低。

由于無(wú)法得知原始環(huán)氧粉末的基礎(chǔ)資料，本次檢測(cè)的環(huán)氧粉末涂層剝離現(xiàn)象是否與環(huán)氧粉末原材料的品質(zhì)有關(guān)無(wú)法判斷。

3.3 防腐廠(chǎng)預(yù)制環(huán)節(jié)

防腐廠(chǎng)涂層預(yù)制的過(guò)程中，涂裝工藝的控制影響環(huán)氧粉末涂層的質(zhì)量。

（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，除表面噴砂處理等級(jí)、錨紋深度等方面影響涂層性能外，表面可溶鹽含量、表面灰塵級(jí)別也會(huì)極大地影響涂層質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)基本缺乏這兩方面的技術(shù)要求及測(cè)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(guò)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)合能力降低，在膠粘劑包覆前，環(huán)氧樹(shù)脂官能團(tuán)過(guò)度消耗，部分、甚至完全失去和膠粘劑的化學(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)為粉末層顏色變深、發(fā)黃。這將導(dǎo)致涂層剝離檢驗(yàn)或彎曲檢驗(yàn)不合格。此次X2-WS-2和X3-JH-1檢測(cè)口環(huán)氧粉末層顏色較深、發(fā)黃，彎曲時(shí)涂層開(kāi)裂，伴有輕度焦化現(xiàn)象。涂裝預(yù)制時(shí)溫度過(guò)高，可能是造成這兩道口剝離失效的原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，3PE防腐層作為管道外防腐的首選方案，保障其防腐效果尤為重要。在本工程中，對(duì)管道3PE防腐層失效分析結(jié)果表明：3PE防腐蝕層的剝離與高陰極保護(hù)電位沒(méi)有直接的聯(lián)系；無(wú)法判斷與環(huán)氧粉末原材料的品質(zhì)是否有關(guān)；涂裝預(yù)制時(shí)涂覆溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)造成粉末涂層與鋼管發(fā)生剝離，而涂裝預(yù)制時(shí)溫度偏低，可能是造成這兩道口剝離失效的原因。因此，環(huán)氧粉末涂層在預(yù)制廠(chǎng)制備時(shí)，應(yīng)注意生產(chǎn)線(xiàn)溫度的控制。相信隨著環(huán)氧粉末及聚乙烯質(zhì)量的改善，制備工藝的提高，檢測(cè)技術(shù)的完善，通過(guò)不斷的探究與反思，鋼管防腐涂層的質(zhì)量會(huì)得到更好的保障。

參考文獻(xiàn)

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