埋地管道保護(hù)層腐蝕檢測(cè)技術(shù)的研究

邱 花

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

管道運(yùn)輸是公認(rèn)的輸送危險(xiǎn)液體和氣體的最安全有效的運(yùn)輸方式，在實(shí)際生活中運(yùn)用非常廣泛。但運(yùn)輸管道的老化是不可避免的，運(yùn)輸管道因?yàn)楦g產(chǎn)生穿孔，導(dǎo)致運(yùn)輸物體的泄露事件屢屢發(fā)生[1]。截止目前，我國(guó)已經(jīng)運(yùn)用管道運(yùn)輸20多年，已經(jīng)達(dá)到了部分運(yùn)輸管道的事故高發(fā)期。因此，對(duì)管道的腐蝕性能的檢測(cè)，是非常有必要的。隨著管道運(yùn)輸?shù)脑龆?，埋地管道錯(cuò)綜復(fù)雜，安全問題不容忽視[2]。油氣運(yùn)輸大多采用金屬管道，金屬的吉布斯自由能都小于零，因此會(huì)發(fā)生自腐蝕現(xiàn)象，管道一般含有多種金屬元素，由于不同的金屬元素的吉布斯自由能不同，還會(huì)發(fā)生金屬之間的電偶腐蝕，產(chǎn)生小孔洞，小孔洞和水、氧等發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在復(fù)雜的環(huán)境中，會(huì)加速管道的腐蝕，加上管道內(nèi)運(yùn)輸物體的沖擊，管道的使用壽命會(huì)進(jìn)一步縮短，在嚴(yán)重的腐蝕情況下，很容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象。因此，研究埋地管道腐蝕檢測(cè)技術(shù)意義非凡。我國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)管道一般采用熔結(jié)環(huán)氧粉末和聚乙烯為主的防腐層加陰極保護(hù)的方式，防腐層起到主要的作用，決定了管道的使用壽命[3]。

本文通過對(duì)涂層類和纏帶類這兩種不同材料的保護(hù)層進(jìn)行檢測(cè)分析，為管道的防腐層研究提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

防腐層材料的質(zhì)量的好壞決定了材料的防腐性能的好壞，因?yàn)楣艿赖氖褂玫攸c(diǎn)為地下，管線比較復(fù)雜，所以防腐層大多在現(xiàn)場(chǎng)涂刷、制備。

實(shí)驗(yàn)所用材料名稱、型號(hào)、規(guī)格等參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料Tab.1 Experimental material

其中，EP-02 S100無溶劑環(huán)氧樹脂、無溶劑聚氨酯噴涂涂層和IF無溶劑環(huán)氧涂層的固態(tài)成分比重大，不容易揮發(fā)，所以成型比較致密，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家的防腐領(lǐng)域。聚丙烯、聚乙烯冷纏帶的抗沖擊性能好，施工周期短，回填等待時(shí)間短，在國(guó)內(nèi)的防腐領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。STOPAQ粘彈體的表面處理簡(jiǎn)單，施工方便，是一種有潛力的材料。這些材料的選擇對(duì)于管道的腐蝕具有決定性作用，材料的設(shè)計(jì)及工藝也是防腐層質(zhì)量的關(guān)鍵因素，我國(guó)現(xiàn)階段使用防腐層材料時(shí)，經(jīng)常將無溶劑涂層材料和纏帶材料合理搭配使用，先將管道進(jìn)行涂層保護(hù)，然后使用冷纏帶對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)。此方法一方面保留了無溶劑涂層材料的致密性好，防腐性能強(qiáng)的特點(diǎn)，另一方面保留了冷纏帶的抗沖擊性能好，施工時(shí)間短的特點(diǎn)，適用于工期要求短，質(zhì)量要求高的管道工程。

本文選擇了上述幾種常用的材料進(jìn)行了耐蝕性的檢測(cè)，主要選擇了接近實(shí)際工程的涂料類和纏帶類兩大類保護(hù)層[5]。檢測(cè)環(huán)境為模擬埋地管道環(huán)境，幾種常用管道防腐層見表2。對(duì)上述材料進(jìn)行了高低溫濕熱試驗(yàn)，高溫陰極剝離試驗(yàn)和電化學(xué)阻抗試驗(yàn)來進(jìn)行分析。

表2 幾種常用管道防腐層Tab.2 Several common anticorrosive coatings for pipelines

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

高低溫交替試驗(yàn)采用-20～75℃/12h交替循環(huán)1000h；將A～H每個(gè)試樣各取3個(gè)試樣，在試樣中間用直徑為6mm的鉆頭分別打孔，將試樣放入預(yù)熱到75℃的101A-2型的電熱鼓風(fēng)干燥箱中，12h之后，移入-20℃的低溫箱中，每隔12h換一次，直到1000h結(jié)束。

高溫陰極剝離試驗(yàn)采用玻璃膠將塑料圓筒與試樣同心粘結(jié)，形成一以試樣為底的試驗(yàn)槽，槽內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl的溶液，至槽高的2/3，試驗(yàn)過程添加蒸餾水保持液位。將試樣與直流穩(wěn)壓電源的負(fù)極相連接，將輔助點(diǎn)擊插入溶液，并與直流穩(wěn)壓電源的正極連接，對(duì)試樣施加-1.5v的電壓（相對(duì)于甘汞電極），試驗(yàn)條件為2d和7d（50±3）℃。取下試樣并冷卻至室溫，取下試樣1h內(nèi)，測(cè)量每條劃割線的剝離距離并求出其平均值，即為該試樣的陰極玻璃距離。

電化學(xué)阻抗采用CHI660D電化學(xué)工作站來測(cè)試。采用三電極體系，工作電極是試樣，參比電極是飽和的甘汞電極，輔助電極為鉑片，測(cè)試溫度為50℃，使用的測(cè)試液體為實(shí)驗(yàn)室三級(jí)水，所用正弦波交流信號(hào)振幅為 5mV，掃描頻率區(qū)間為 10E-2～10E5Hz。采用ZSimpWin軟件分析電化學(xué)阻抗譜，并且進(jìn)行等效電路的擬合[6，7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 高低溫交替試驗(yàn)結(jié)果分析

高低溫交替試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 高低溫交替剝離附著力試驗(yàn)Tab.3 Alternate peel adhesion test at high and low temperature

B，H兩個(gè)試樣的表面沒有缺陷孔洞，沒有保護(hù)層裂紋，說明無溶劑聚氨酯噴涂涂層和STOPAQ粘彈體在溫度復(fù)雜多變的環(huán)境下比較耐腐蝕[8]。A，C，D 3個(gè)試樣的附著力良好，沒有裂紋出現(xiàn)，孔洞缺陷也比較少。E，F(xiàn)，G 3個(gè)試樣的表面出現(xiàn)裂紋，3個(gè)試樣的表面均有孔洞缺陷，這說明E，F(xiàn)，G的保護(hù)層耐高低溫交替性能差，附著力差，可能是由于高低溫交替，材料和保護(hù)層的膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層拉裂，耐蝕性差。

2.2 高溫陰極剝離試驗(yàn)

高溫陰極剝離試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 高溫陰極剝離試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of high temperature CATHODIC stripping test

從表4中可以看出，在2d的高溫陰極剝離試驗(yàn)中，除了G試樣的其他試樣保護(hù)層均小于6mm，G保護(hù)層的剝離距離最小，但保護(hù)層的剝離距離較大，主要是保護(hù)層的附著力差，影響了陰極剝離試驗(yàn)的結(jié)果。G試樣的剝離距離最大，這是由于剝離過程中，保護(hù)層和試樣基體產(chǎn)生錯(cuò)縫，有Cl-滲漏進(jìn)去，促進(jìn)了基體表面和保護(hù)層之間的化學(xué)反應(yīng)[9]。經(jīng)過7d的剝離試驗(yàn)，A，B，C這3類膜的剝離距離較大，都達(dá)到了18mm以上，D試樣的剝離距離最小，與2d的剝離距離相差不大，說明該保護(hù)層具有良好的抗陰極剝離性能，E，F(xiàn)，G這3個(gè)試樣已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的剝離，保護(hù)層對(duì)試樣的粘結(jié)力已經(jīng)不能承載剝離試驗(yàn)。H試樣的7d剝離距離與2d的剝離距離一樣，說明H保護(hù)層具有非常好的抗陰極剝離性能。所以，只有D和H這兩個(gè)保護(hù)層的陰極剝離性能好，耐蝕性好。

2.3 電化學(xué)阻抗性能測(cè)試

將試樣分別進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試，電化學(xué)阻抗譜的阻抗半徑越大，說明電阻越小，耐腐蝕性能越好。上述材料的電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試結(jié)果見圖1。阻抗譜半徑從大到小依次是 H＞D＞B＞C＞G＞E＞F，所以耐蝕性能依次遞減。

圖1 不同保護(hù)層的電化學(xué)阻抗譜Fig.1 Electrochemical impedance spectroscopy of different protective layers

圖中H試樣保護(hù)層的阻抗譜半徑最大，耐蝕性能最好。D試樣的阻抗譜半徑也比較大，H試樣和D試樣都表現(xiàn)出了優(yōu)越的耐蝕性能，其次是B試樣。F試樣的阻抗譜半徑最小，耐蝕性能最差。

將電化學(xué)阻抗譜的結(jié)果導(dǎo)入ZSimpWin軟件[10]，并對(duì)其進(jìn)行擬合之后，得到的等效電路為R（CR），見圖2，等效電路所對(duì)應(yīng)的電阻值見表5。

圖2 保護(hù)層的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of Protective Layer

表5 等效電路擬合數(shù)據(jù)Tab.5 Equivalent circuit fitting data

圖2中的Rs表示三級(jí)水的溶液電阻，Cc表示保護(hù)層和管道基體所形成的電容，Rc表示保護(hù)層的電阻。擬合之后得到的電阻值Rc越小，說明阻抗性能越強(qiáng)，耐腐蝕性能越強(qiáng)，通過表5的擬合數(shù)據(jù)可以看出，H和D的電阻比較小，反應(yīng)出其耐腐蝕性能比較好，F(xiàn)和G保護(hù)層的電阻最大，耐腐蝕性最差。等效電路擬合結(jié)果與電化學(xué)阻抗譜的阻抗半徑反應(yīng)出來的耐蝕性能的變化趨勢(shì)一致，均為H＞D＞B＞C＞G＞E＞F。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同管道保護(hù)層的數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)果。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)STOPAQ粘彈體的涂層和IF無溶劑環(huán)氧涂層的高低溫剝離試驗(yàn)中不產(chǎn)生孔洞和裂紋，整體性能好，涂層附著力強(qiáng)，高溫陰極剝離距離短，同時(shí)在電化學(xué)阻抗的實(shí)驗(yàn)中，阻抗譜半徑大，電阻小，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。其次是無溶劑聚氨酯噴涂涂層。EP-02 S100無溶劑環(huán)氧樹脂和EP-02 S100無溶劑環(huán)氧樹脂、聚氨酯復(fù)合材料的耐蝕性能比較差。EP-02 S100無溶劑環(huán)氧樹脂+聚丙烯冷纏帶、聚乙烯冷纏帶和聚丙烯冷纏帶的耐蝕性能都很差。說明冷纏類的材料防腐性能較差，在要求等級(jí)高的管道防腐層設(shè)置時(shí)，必須設(shè)置涂層類防腐材料。