淺談3PE鋼管防腐層剝離的主要機(jī)理

李經(jīng)韜，彭星煜，尹黨強(qiáng)，劉澤宇，王成斌

1西南石油大學(xué)，石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都

2中國(guó)石油管道工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

3PE 防腐層作為油氣管道抵抗外部侵蝕的重要保護(hù)屏障，其性能直接決定著在役管道能否順利平穩(wěn)完成油氣集輸任務(wù)。近些年來，針對(duì)埋地管道3PE 防腐層剝離機(jī)理的研究呈上升趨勢(shì)，Amira [1]通過對(duì)強(qiáng)烈腐蝕和殘余應(yīng)力聯(lián)合作用下的大直徑管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)管道外防腐涂敷過程中熱膨脹失配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和在管道役運(yùn)行期間中產(chǎn)生的腐蝕缺陷將嚴(yán)重影響管道防腐層抗剝離的強(qiáng)度；Fessler R [2]等人的研究指出：氧和水會(huì)較快的在防腐層缺陷處累積，在陰極極化的條件下發(fā)生反應(yīng)并使此處pH 值升高，致使防腐層發(fā)生陰極剝離；國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、原材料質(zhì)量、底漆配方及涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化等更加廣泛的領(lǐng)域?qū)Ψ栏瘜觿冸x機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)性研究工作。本文通過對(duì)防腐層剝離失效的影響因素進(jìn)行分析研究，為下一步針對(duì)防腐層剝離失效現(xiàn)象采取有效的保護(hù)措施提供理論依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)和提高管道防腐蝕技術(shù)水平。

2.熱殘余應(yīng)力的影響

3PE 防腐鋼管生產(chǎn)制造結(jié)束后，在最終的出廠檢驗(yàn)階段，質(zhì)檢員會(huì)發(fā)現(xiàn)少部分鋼管在沒有受到任何外部影響下就無緣無故地“壞”了，通過大量研究分析發(fā)現(xiàn)，防腐鋼管在制備過程中由于受到不均勻的溫度場(chǎng)作用，在其內(nèi)部產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，當(dāng)工作應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力疊加時(shí)，總應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限，便會(huì)引發(fā)防腐層裂紋和斷裂，嚴(yán)重影響其可靠性和使用壽命。

三層聚乙烯防腐層中的FBE(熔結(jié)環(huán)氧粉末)底漆層干膜厚度很薄，在管廠涂料涂敷過程中，F(xiàn)BE底漆和聚乙烯防腐層都從200℃～250℃的高溫冷卻下來。由于熔結(jié)環(huán)氧粉末的熱膨脹系數(shù)比鋼高，其與鋼管基材不協(xié)調(diào)的加熱過程中發(fā)生熱膨脹失配，在FBE 底漆層和基材間產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。聚乙烯外防護(hù)層厚得多，它的熱膨脹系數(shù)比熔結(jié)環(huán)氧粉末還要高，它能夠在管端焊接預(yù)留部位的熔結(jié)環(huán)氧粉末層和鋼管表面之間引起更高的殘余應(yīng)力，這種熱殘余應(yīng)力的存在是造成防腐層剝離失效的重要原因。

熱殘余應(yīng)力的消除或調(diào)整，可以通過熱作用的方法或表面處理等方法[3]。熱作用法就是通常所說的退火法，即通過將材料曝露于高溫很長(zhǎng)一段時(shí)間后，再慢慢冷卻的熱處理制程。主要目的是釋放應(yīng)力、增加材料韌性和延展性。表面加工包括對(duì)工件表面壓延、噴丸處理、二次拉拔等操作，使制備后的材料內(nèi)部殘余應(yīng)力減小或重新分布。鋼材的殘余應(yīng)力消除和時(shí)間表如表1所示。

Table 1.Temperature and timing for elimination of residual stress表1.鋼材的殘余應(yīng)力消除溫度和時(shí)間

3.陰極剝離

陰極剝離是涂層破壞的一種常見形式。以鋼鐵基材為主的地下管道、船舶和海上設(shè)備平臺(tái)常采用陰極保護(hù)的手段來避免和抑制腐蝕[4]。涂層局部的破損或微小缺陷可以通過增大陰極保護(hù)電流來彌補(bǔ),但過度的陰極保護(hù)將在防腐層缺陷處發(fā)生陰極反應(yīng)，陰極反應(yīng)造成涂層與金屬表面過度的堿性環(huán)境，長(zhǎng)期以往涂層失去附著力發(fā)生剝離，這種涂層從金屬上分離剝落的現(xiàn)象稱為陰極剝離。

涂層剝離后與金屬基體之間的縫隙將被水、土等侵蝕性粒子充填，陰極保護(hù)電流受阻于縫隙之外，同時(shí)填充介質(zhì)電阻率超過一定范圍后，無法建立有效的極化保護(hù)電位，陰極保護(hù)發(fā)生屏蔽現(xiàn)象，防腐層剝離區(qū)域既無涂層保護(hù)，又無陰極保護(hù)，為鋼管腐蝕提供了“溫床”。

4.侵蝕性粒子的滲透

3PE 防腐層中熔結(jié)環(huán)氧粉末固化物中含有大量的極性羥基與醚鍵，它們與中間粘結(jié)劑層結(jié)合產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收力，同時(shí)與金屬基體間保持良好的附著力[5]，但其防水性能較差，在防腐鋼管生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝和施工的過程中難以避免發(fā)生磕碰損傷，F(xiàn)BE 底漆層長(zhǎng)期暴露在潮濕的環(huán)境下會(huì)逐漸吸水[6]，產(chǎn)生氣泡，最終發(fā)生防腐層剝離。

水是氧氣和離子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，是涂層劣化和層下金屬腐蝕的先決條件[7]。水和氧氣是涂層所處的各種環(huán)境中，最為常見的兩種侵蝕性粒子，它們憑借擴(kuò)散滲入到涂層。水在涂層中積累到一定的程度時(shí)，加上滲入的氧氣，金屬的電化學(xué)腐蝕就會(huì)自然發(fā)生。在這種情況下實(shí)施過度的陰極保護(hù)，不論是氧被還原產(chǎn)生氫氧根離子；還是水離解生成氫離子，氫離子在陰極得到電子還原成氫，這兩者的結(jié)果都會(huì)使陰極區(qū)域形成堿性環(huán)境[8]。而大量的氫氧根離子遷移到金屬和防腐層界面處，造成防腐涂層與金屬的粘結(jié)力降低，防腐層粘結(jié)的基體金屬氧化物溶解發(fā)生氣泡、剝離，進(jìn)而使防腐層失去保護(hù)能力，加速管道的腐蝕。另外，土壤中的細(xì)菌、微生物和周圍生長(zhǎng)的植物同樣也會(huì)侵蝕管體，造成防腐層失效剝離的可能。

5.防腐管自身缺陷

三層聚乙烯防腐鋼管自身缺陷的表現(xiàn)形式主要有：翹邊缺陷、焊縫防腐層缺陷、表觀質(zhì)量缺陷、原材料缺陷四個(gè)方面。防腐層缺陷與防腐鋼管生產(chǎn)工藝與質(zhì)量控制息息相關(guān)，工藝流程科學(xué)合理，質(zhì)量控制嚴(yán)格可靠是預(yù)防防腐層剝離失效的關(guān)鍵因素。在實(shí)際防腐管材生產(chǎn)制造過程中，防腐原材料質(zhì)量、管道表面預(yù)處理、涂覆前預(yù)熱處理、涂敷工藝參數(shù)這些質(zhì)量控制措施若達(dá)不到有關(guān)規(guī)范所要求的等級(jí)，將極易引起管道防腐層剝離。嚴(yán)重的防腐管自身缺陷極易引起防腐層在投產(chǎn)運(yùn)行短期內(nèi)發(fā)生剝離事故，認(rèn)真對(duì)以上缺陷形式進(jìn)行分析研究，并根據(jù)缺陷成因制定相應(yīng)的改進(jìn)提高措施是預(yù)防剝離事故的有效途徑。

6.其他影響因素

管道防腐層抗剝離性能與施工質(zhì)量同樣有很大的關(guān)系。施工作業(yè)人員素質(zhì)水平不高是影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，項(xiàng)目管理人員能力不足，質(zhì)量意識(shí)淡薄，特別是在施工進(jìn)度難以保證的情況下盲目趕工，極易造成工程質(zhì)量的重大缺陷。從以往的經(jīng)驗(yàn)看，絕大部分施工質(zhì)量問題都是由人引起的[9]。

施工技術(shù)和施工地理環(huán)境也是影響施工質(zhì)量的重要因素。在管道施工過程中，工藝流程是否成熟，施工設(shè)備和生產(chǎn)要素是否可靠，下溝回填等工序質(zhì)量控制與管理是否到位，特別是頂管、定向鉆穿越施工工藝對(duì)管道防腐層的抗磨損、抗劃傷等性能和保護(hù)提出了更加嚴(yán)格的要求。定向鉆穿越在回拖管道過程中，管道與孔壁不斷摩擦，因此，孔壁的地質(zhì)條件與防腐層的破損程度關(guān)系密切[10]。

管道運(yùn)行溫度及管道周邊土壤溫度較高會(huì)導(dǎo)致防腐層老化及龜裂，防腐層老化將降低防腐層的耐腐蝕及抗剝離等各項(xiàng)性能，同時(shí)較高的管體溫度，為涂層下的電化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造有利環(huán)境，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣高溫下將導(dǎo)致防腐層鼓包，防腐涂層附著力降低，導(dǎo)致涂層局部或整體剝離。

防腐涂層局部的破損或微小缺陷可以通過增大陰極保護(hù)電流來彌補(bǔ)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是避免管體腐蝕的第二道保障，陰極保護(hù)電流受到干擾后管體腐蝕無法受到抑制，破壞了涂層與基體間的化學(xué)鍵結(jié)合，引發(fā)防腐層剝離。輸電線路、高速鐵路靠近埋地管道，其產(chǎn)生的雜散電流在管道內(nèi)部形成電位差，加速了管體表面的電化學(xué)腐蝕速率，其腐蝕產(chǎn)物降低了防腐層的抗剝離強(qiáng)度。

管道運(yùn)行年限超過15年后，管道防腐層的性能大幅下降，剝離強(qiáng)度不合格管段比例大幅上升，應(yīng)縮短管道外檢測(cè)周期，加強(qiáng)對(duì)管道的內(nèi)外檢測(cè)的要求，重視對(duì)防腐層破損點(diǎn)處管段的修補(bǔ)和替換作業(yè)。

7.結(jié)語

影響防腐層失效剝離的因素較多，但公認(rèn)的是，完好的防腐涂層體系即使在相對(duì)苛刻的外界條件下，陰極反應(yīng)導(dǎo)致的涂層剝離和侵蝕性離子的滲透引發(fā)的防腐層失效都完全可避免，而殘余熱應(yīng)力的形成是無法避免和消除的，一旦殘余熱應(yīng)力的大小超過涂層間的附著力，防腐層系統(tǒng)就會(huì)有剝離失效風(fēng)險(xiǎn)；加強(qiáng)工藝管材及防腐工藝的質(zhì)量控制，在工廠制造階段委托專業(yè)的第三方檢驗(yàn)服務(wù)商駐廠監(jiān)造是控制管材質(zhì)量的有力措施；重視工程施工質(zhì)量和提高施工人員素質(zhì)水平是延長(zhǎng)管線壽命的重要手段。