西部地區(qū)高強(qiáng)鋼管道三層聚乙烯防腐蝕層的剝離性能

(中石油管道聯(lián)合有限公司 西部分公司，烏魯木齊 830011)

3PE防腐蝕層(以下簡(jiǎn)稱3PE涂層)是以熔結(jié)環(huán)氧(FBE)粉末為底層，中間膠黏劑和聚乙烯外護(hù)層同步纏繞或擠出而成的，具有優(yōu)良的絕緣性能和抗機(jī)械損傷性能[1]。3PE涂層具有在管道建設(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)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，因此，我國大型管道普遍采用3PE涂層防護(hù)。然而，3PE涂層的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)控制比較復(fù)雜，缺陷也多種多樣，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(duì)陰極保護(hù)電流有強(qiáng)烈的屏蔽作用，并可能產(chǎn)生屏蔽層下的加速腐蝕[5-6]。近年來，國內(nèi)外均發(fā)現(xiàn)了3PE涂層投產(chǎn)后短期內(nèi)黏結(jié)失效的案例,據(jù)相關(guān)研究報(bào)告報(bào)道，在很多國家，在役管道的3PE涂層也出現(xiàn)了黏結(jié)力嚴(yán)重降低的現(xiàn)象，以至于可以毫不費(fèi)力地將涂層從管道表面剝離下來[7-10]。

為掌握3PE的運(yùn)行現(xiàn)狀，本工作對(duì)某公司所管轄的高強(qiáng)鋼管道沿線管體3PE涂層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和取樣分析，以尋求3PE涂層剝離失效的原因。

1 試驗(yàn)

針對(duì)西部高強(qiáng)鋼管道防腐蝕層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室取樣測(cè)試，分析導(dǎo)致防腐層剝離的關(guān)鍵因素。該管道于2006年開工建設(shè)，2009年12月投產(chǎn)運(yùn)營?，F(xiàn)場(chǎng)開挖后測(cè)試3PE涂層的厚度和漏點(diǎn)情況，參照SY/T 5918-2011《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》要求測(cè)試3PE涂層與管體的剝離強(qiáng)度，并對(duì)剝離后3PE涂層及基體表面形貌進(jìn)行觀察。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果選取典型3PE涂層，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)3PE涂層的微觀結(jié)構(gòu)及性能開展進(jìn)一步測(cè)試分析，詳見表1。

表1 3PE涂層的性能指標(biāo)Tab. 1 Performance indexes of 3PE coating

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場(chǎng)開挖檢測(cè)結(jié)果

對(duì)西部高強(qiáng)鋼管道進(jìn)行內(nèi)外檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在缺陷，針對(duì)缺陷處的防腐蝕層進(jìn)行檢測(cè)，共抽檢16道口。結(jié)果表明：13處3PE涂層整體狀況良好，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(shí)，剝離強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，粉末涂層與鋼管黏結(jié)性優(yōu)良。3處3PE涂層與基體結(jié)合較差，涂層出現(xiàn)局部或大面積剝離。3處涂層位置的編號(hào)和測(cè)試結(jié)果見表2，為方便后續(xù)對(duì)比分析，表中列出了兩處防腐蝕層與基體結(jié)合較好位置的測(cè)試結(jié)果。

表2 典型位置3PE涂層的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果Tab. 2 Field test results for a 3PE coating at typical positions

由圖1可見：1號(hào)和2號(hào)涂層中的FBE層與管體整體脫離，管體表面有黑褐色點(diǎn)蝕痕跡。3號(hào)涂層表面存在施工導(dǎo)致的機(jī)械損傷，傷及管體深度0.5 mm。損傷周圍防腐蝕層發(fā)生剝離，遠(yuǎn)離損傷區(qū)域，防腐蝕層與基體的附著力良好。

2.2 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 FBE層的表面形貌

表面處理是影響涂層性能的重要因素之一，尤其對(duì)于底漆性能的影響較大。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取的5處涂層靠近金屬基體一側(cè)的FBE層進(jìn)行觀察，見圖2?？梢钥闯?，5處位置FBE的表面形貌分為兩類，1號(hào)和2號(hào)涂層FBE層的顏色偏深，表面有黑色和黃色附著物，3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)涂層FBE層的顏色偏黃綠色，表面無明顯附著物，相對(duì)清潔。

為了進(jìn)一步確定FBE層的情況，對(duì)以上五種FBE表面進(jìn)行微觀形貌觀察和EDS能譜分析，見圖3。結(jié)果表明：2號(hào)涂層FBE表面白色附著物較多，其他位置FBE表面附著物相對(duì)較少；不同位置FBE表面的主要元素為C和O，但均存在Fe、Cl、Ca等雜質(zhì)元素，說明表面可能存在腐蝕產(chǎn)物和一些鹽類的附著。幾種涂層FBE表面Fe含量如圖4所示，可以看出，2號(hào)涂層表面的Fe含量最高，其次為1號(hào)涂層的，表明這兩種涂層表面腐蝕產(chǎn)物相對(duì)較多，這可能是導(dǎo)致剝離的原因之一。

(a) 1號(hào) (b) 2號(hào) (c) 3號(hào)圖1 不同3PE涂層的現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig. 1 The scene photos of different 3PE coatings

(a) 1號(hào) (b) 2號(hào)

(c) 3號(hào) (d) 4號(hào)

(e) 5號(hào)圖2 不同涂層FBE層的表面形貌Fig. 2 Surface morphology of FBE of different coatings

2.2.2 FBE層的厚度

由圖5可見：1號(hào)涂層FBE層厚度約為158 μm，2號(hào)涂層FBE層厚度約為100 μm；3 號(hào)涂層 FBE層的厚度約為175 μm，4號(hào)涂層FBE層的厚度約為200 μm，5號(hào)涂層FBE測(cè)試點(diǎn)厚度約為125 μm。GB/T 2357-2009中規(guī)定，F(xiàn)BE層的厚度不能低于120 μm，從測(cè)試結(jié)果來看，2號(hào)涂層厚度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 FBE層的固化度

采用DSC差示掃描量熱儀對(duì)五種涂層進(jìn)行熱特性試驗(yàn)，分析環(huán)氧粉末涂層的固化情況，見圖6。結(jié)果表明：1號(hào)涂層FBE玻璃化溫度變化值(ΔTg)為5.83 ℃，2號(hào)涂層FBE的ΔTg為6.68 ℃；3號(hào)涂層FBE的ΔTg為1.94 ℃，4號(hào)涂層FBE的ΔTg為1.87 ℃，5號(hào)涂層FBE的ΔTg為1.11 ℃。

(a) 1號(hào)

(b) 2號(hào)

(c) 3號(hào)

(d) 4號(hào)

(e) 5號(hào)圖3 不同涂層FBE的表面EDS結(jié)果Fig. 3 EDS results on the surface of FBE of different coatings

GB/T 2357-2009中規(guī)定，F(xiàn)BE的玻璃化溫度變化值應(yīng)≤5 ℃。從測(cè)試結(jié)果來看，1號(hào)和2號(hào)涂層的固化不完全。

圖4 不同涂層FBE表面鐵元素含量Fig. 4 Content of Fe on the surface of FBE of different coatings

2.2.4 PE層氧化誘導(dǎo)期測(cè)試

將取回的5處PE層利用DSC差示掃描量熱儀進(jìn)行熱特性試驗(yàn)，分析PE層的氧化誘導(dǎo)期，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

熱特性試驗(yàn)結(jié)果表明：1號(hào)涂層PE的氧化誘導(dǎo)期為30.84 min，2號(hào)涂層PE的氧化誘導(dǎo)期為31.62 min；3號(hào)涂層PE的氧化誘導(dǎo)期為47.81 min，4號(hào)涂層PE的氧化誘導(dǎo)期為83.90 min，5號(hào)涂層PE的氧化誘導(dǎo)期為67.55 min。GB/T 2357-2009中規(guī)定，PE的氧化誘導(dǎo)期應(yīng)滿足220 ℃≥30 min，因此五處涂層PE的氧化誘導(dǎo)期均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但1號(hào)和2號(hào)涂層PE層的抗氧化能力相對(duì)較差。

(a) 1號(hào) (b) 2號(hào) (c) 3號(hào)

(a) 1號(hào) (b) 2號(hào) (c) 3號(hào)

(d) 4號(hào) (e) 5號(hào)圖6 不同涂層FBE層熱掃描曲線Fig. 6 The thermal scanning curves of FBE layer in different coatings

3 3PE涂層剝離的原因

由表3可見：幾種涂層的服役狀況、原料以及制備工藝參數(shù)的控制均存在一定的差異。

表3 典型位置防腐層測(cè)試結(jié)果匯總Tab. 3 Testing results of coatings at typical positions

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，4號(hào)和5號(hào)涂層表面無機(jī)械損傷及漏點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得涂層的各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，環(huán)氧粉末涂層與基體具有良好的附著能力。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，1號(hào)和2號(hào)涂層的表面無機(jī)械損傷及漏點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示FBE固化度高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的5%限值，為不完全固化。FBE是熱固性粉末涂料，固化溫度和固化時(shí)間對(duì)其性能有著重要的影響，當(dāng)固化度不足時(shí)，環(huán)氧粉末涂層的物理、化學(xué)性能不能實(shí)現(xiàn)，涂膜中的樹脂還是脆的預(yù)聚體，沒有強(qiáng)度和耐性，這是1號(hào)和2號(hào)涂層剝離的主要原因。形貌觀察結(jié)果顯示這兩種涂層FBE表面腐蝕產(chǎn)物相對(duì)較多，這與涂層涂覆前表面的處理也存在一定的關(guān)系，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。此外2號(hào)涂層FBE的厚度不足以及兩個(gè)位置PE層的氧化誘導(dǎo)期相對(duì)較低(接近標(biāo)準(zhǔn)給出的臨界值30 min)，均增加了防腐蝕層失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3號(hào)涂層存在施工導(dǎo)致的機(jī)械損傷。損傷周圍防腐蝕層發(fā)生剝離，試驗(yàn)室檢得剝離防腐蝕層的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，說明防腐蝕層的剝離與原料及施工工藝參數(shù)控制無關(guān)。剝離僅發(fā)生在損傷周圍，遠(yuǎn)離損傷區(qū)域的防腐蝕層與基體附著力良好，說明剝離由損傷導(dǎo)致。3號(hào)涂層處陰極保護(hù)斷電電位為-1.14 V(vs.CSE)，陰極保護(hù)電位水平較負(fù)。損傷位置有基體露出，水和氧能到達(dá)金屬表面，在陰極保護(hù)的作用下，發(fā)生陰極反應(yīng)生成OH-：2H2O+2e=H2+2OH-(水還原)，OH-的聚集導(dǎo)致防腐層剝離。

綜上所述，本次管體防腐蝕層檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的3處剝離位置，兩處與防腐蝕層制備過程的控制參數(shù)相關(guān)，一處是由施工導(dǎo)致的防腐蝕層缺陷及后續(xù)服役環(huán)境下的陰極剝離引起的。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)服役的3PE防腐蝕層，服役狀況，原料以及制備工藝參數(shù)的控制等均可能造成防腐層的剝離，進(jìn)而影響其防腐效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，要嚴(yán)格控制原料質(zhì)量、工藝流程并加強(qiáng)防腐層外檢測(cè)，對(duì)于破損位置及時(shí)修復(fù)。

4 結(jié)論與建議

(1) 本次西部高強(qiáng)鋼管道沿線管體防腐蝕層進(jìn)行檢測(cè)，共抽檢16道口。環(huán)氧粉末涂層與管體完全剝離或部分剝離的3道，占抽檢總數(shù)的18.8%。

(2) 外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的2處剝離與防腐蝕層制備過程的控制參數(shù)相關(guān)，環(huán)氧粉末固化度不滿足要求是導(dǎo)致剝離的主要原因，此外，這兩道口涂層的厚度，表面清潔度控制也存在一定的問題。

(3) 外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的1處剝離與施工造成的機(jī)械損傷有關(guān)，損傷位置附近防腐蝕層在較負(fù)的電位作用下發(fā)生剝離。

(4) 在實(shí)際生產(chǎn)中，要嚴(yán)格控制原料質(zhì)量、工藝流程并加強(qiáng)防腐蝕層外檢測(cè)，對(duì)于破損位置及時(shí)修復(fù)。