長輸管道3PE防腐層陰極剝離試驗方法標(biāo)準(zhǔn)研究

張云龍，王樹祥，杜一峰

遼陽石油鋼管制造有限公司（遼寧 遼陽 111000）

隨著我國西氣東輸、陜京四線及中俄東線等重大長輸送管道項目的建設(shè)，越來越多的油氣管網(wǎng)不斷建設(shè)。由于管道敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜多樣，如管道發(fā)生腐蝕泄漏穿孔，極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。為防止埋地鋼質(zhì)管道腐蝕穿孔，確保管線運(yùn)行安全，國內(nèi)重點管線工程目前大多采用三層結(jié)構(gòu)聚乙烯加陰極保護(hù)的方法進(jìn)行防護(hù)[1]。為保證管線安全運(yùn)行，防腐層抗陰極剝離性能尤為重要?？龟帢O剝離是防腐層的重要指標(biāo)參數(shù)，對于腐蝕控制和陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行具有重要意義。在產(chǎn)品制造和工程應(yīng)用中應(yīng)選定科學(xué)、適用的評價方法。通過對比輸送鋼管3PE 防腐層陰極剝離試驗方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以期找到適合生產(chǎn)和試驗需要的試驗方法[2]。

1 陰極剝離試驗概述

輸送管3PE防腐層在倒運(yùn)及安裝時不可避免地會使3PE 防腐層磕碰傷，或由于操作不當(dāng)導(dǎo)致鋼管金屬裸露。鋼管敷設(shè)后，由于地質(zhì)環(huán)境和土壤環(huán)境復(fù)雜，會使鋼管3PE 防腐層在破損處受到腐蝕。為了防止金屬被腐蝕，導(dǎo)致管道泄漏，長輸管道項目均在投入運(yùn)行時對管道施加陰極保護(hù)，以有效防止裸露金屬被腐蝕。但陰極保護(hù)又會加速管道防腐層的剝離速度。鋼管防腐層在涂敷后均按照項目要求的試驗方法進(jìn)行陰極剝離試驗，測試防腐層抗陰極剝離試驗性能。3PE防腐層只有滿足陰極剝離驗收要求，才能避免管道在使用中被剝離，保證管道安全輸送介質(zhì)。

通過收集大量文獻(xiàn)資料，3PE 防腐層剝離的主要原因為防腐層磕碰傷處金屬會與敷設(shè)處的水和氧氣發(fā)生陰極反應(yīng)，陰極反應(yīng)在磕碰傷處會產(chǎn)生OH-，導(dǎo)致周邊區(qū)域形成堿性環(huán)境，同時在陰極區(qū)域會產(chǎn)生氫氣[3]。形成的堿性環(huán)境與涂層極性基團(tuán)反應(yīng)，使鋼管防腐層與鋼管表面附著力急劇下降，導(dǎo)致涂層脫落；氧化還原產(chǎn)生的氧化物會破壞鋼管與防腐層間的結(jié)合，導(dǎo)致防腐層脫落，同時pH值升高也會使涂層發(fā)生位移引起剝離[4]。

2 陰極剝離試驗方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前國內(nèi)外管道行業(yè)已經(jīng)發(fā)布的關(guān)于3PE防腐層陰極剝離試驗方法方面的標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 23257—2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》[5]、ISO 21809-1—2018《石油管道3LPE和3LPP外防腐層國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]、DIN30670—2012《鋼管和管件的聚乙烯涂層要求和測試》[7]、ASTM G95—2007 R2013《管道涂層陰極剝離試驗（附著電池法）的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》[8]、ASTM G8—1996 R2019《管道防腐層陰極剝離標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》[9]和ASTM G42—2011+E1—2019《管道防腐層在高溫下陰極剝離的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》[10]。

3 試驗裝置對比

長輸管道中的陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計主要有兩種形式：①犧牲陽極法，采用一種犧牲陽極優(yōu)先被腐蝕的方法，通過選用比被保護(hù)管道電位更負(fù)的材料保護(hù)管道。②強(qiáng)制電流法，采用對被保護(hù)管道施加陰極電流，電流使被保護(hù)管道陰極極化，有效避免管道被腐蝕[11]。

對比目前國內(nèi)外常用的3PE 陰極剝離試驗方法，試驗裝置主要有3 種：黏接槽法、犧牲陽極法和強(qiáng)制電流法，如圖1 所示。GB/T 23257—2017、ISO 21809-1—2018、DIN 30670—2012 和ASTM G95—2007 R2013 標(biāo)準(zhǔn)中陰極剝離試驗方法均采用圖1（a）所示的黏接槽法進(jìn)行陰極剝離試驗，且均采用強(qiáng)制電流法。ASTM G8-1996R2019 和ASTM G42—2011+E1—2019標(biāo)準(zhǔn)中兩項試驗方法均采用整根鋼管部分侵入試驗槽電解液內(nèi)的陰極剝離試驗方法，測試示意圖如圖1（b）和圖1（c）所示，試驗方法中給出兩種方法，既犧牲陽極法和強(qiáng)制電流法。

圖1 3種試驗裝置示意圖

結(jié)合目前國內(nèi)涂敷生產(chǎn)車間試驗室裝備，經(jīng)統(tǒng)計多家生產(chǎn)檢驗單位防腐試驗室陰極剝離試驗方法情況，目前較普遍采用強(qiáng)制電流法。其在試驗過程中便于控制電壓，試驗周期相對較短，能準(zhǔn)確測出3PE防腐層抗陰極剝離性能水平。

4 試驗參數(shù)對比

目前國內(nèi)3PE防腐層涂敷車間常用的陰極剝離試驗方法有6 項，通過對比試驗方法的重要參數(shù)，如：試樣尺寸、試驗溶液、試驗溫度、電位電壓、試驗時間和試驗驗收值等，分析不同試驗方法要求參數(shù)的差異，對比情況見表1。

4.1 試件對比分析

GB/T 23257—2017、ISO 21809-1—2018、DIN 30670—2012 和ASTM G95—2007 R2013 四項標(biāo)準(zhǔn)試驗方法中試驗裝置均采用黏接槽法，用密封膠按照標(biāo)準(zhǔn)要求直徑的塑料圓筒與試件進(jìn)行黏接。其中ASTM G95—2007 R2013 選用的塑料筒直徑為101.6 mm，尺寸最大，其余3個標(biāo)準(zhǔn)塑料圓筒直徑相同。通過對比4 個標(biāo)準(zhǔn)試件的尺寸，ASTM G95—2007 R2013要求試樣尺寸距試驗區(qū)域任意切割邊緣至少76.2 mm，且圓筒直徑最大，故該試樣尺寸最大。通過表1 可知，試樣尺寸從大到小依次為GB/T 23257—2017、ISO 21809-1—2018、DIN 30670—2012。根據(jù)大量加工試樣經(jīng)驗，在較小鋼管管徑進(jìn)行陰極剝離試驗時，建議采用小尺寸試樣，如果試樣尺寸太大，小管徑曲率大，加工試樣曲率大，塑料筒在與試件黏接時易漏水，試驗操作難度較大。

表1 3PE防腐層陰極剝離試驗基本參數(shù)對比表

測試采用以試件為底的試驗槽，試驗槽內(nèi)放入濃度為3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的氯化鈉溶液，將輔助電極與直流穩(wěn)壓電源正極相連，同時將輔助電極放入裝好的溶液中,輔助電極均采用鉑電極等惰性材料。但上述試驗方法對加工陰極剝離試樣的試驗孔（人工缺陷）直徑要求不同，其中GB/T 23257—2017 試驗孔為6.4 mm，試驗孔相對最大；ASTM G95—2007 R2013 試驗孔為3.2 mm，試驗孔相對最小；其余兩個試驗方法試驗孔為6.0 mm。因陰極剝離有短期試驗和長期試驗，根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，由于3PE 防腐層在長期試驗時試驗孔易有雜物沉積，如果試驗孔直徑較小，易堵住，容易影響試驗結(jié)果。故在進(jìn)行3PE 防腐層陰極剝離試驗時，試驗孔直徑建議采用6.0 mm 及以上，單環(huán)氧或雙環(huán)氧防腐層建議試驗孔直徑采用3.2 mm。

查看表1 統(tǒng)計試驗參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，ASTM G8—1996 R2019 和ASTM G42—2011+E1—2019 兩項陰極剝離試驗方法采用整根管段浸入試驗溶液，管段一端應(yīng)封堵，試驗槽內(nèi)溶液采用1%氯化鈉、1%無水硫酸鈉、1%無水碳酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），輔助電極使用鎂電極，每個試件上應(yīng)鉆1個或3個人為缺陷孔，單孔試件應(yīng)將孔鉆在浸沒段的中間（如鉆3個孔，孔的方位應(yīng)各相差120°，中孔鉆在浸沒段的中間），兩個孔分別位于距離浸沒線和試件底端1/4 處，每個孔要鉆到使錐部完全進(jìn)入鋼管壁，且錐部邊緣與鋼管外表面平齊[10]。由于目前輸油輸氣管線大部分使用3PE防腐層，常用最小規(guī)格范圍約為323.9 mm，受試驗儀器規(guī)格限制，無法按照ASTM G8—1996 R2019和ASTM G42—2011+E1—2019 的試驗方法對管段進(jìn)行試驗，所以ASTM G8—1996 R2019 和ASTM G42—2011+E1—2019 這兩個標(biāo)準(zhǔn)不適用3PE 防腐層輸送鋼管陰極剝離試驗。

4.2 參比電極對比分析

GB/T 23257—2017 要求參比電極具有穩(wěn)定的電位值，一般溫度情況下可采用飽和甘汞電極；ISO 21809-1—2018 規(guī)定參比電極采用飽和甘汞電極；ASTM G95—2007 R2013規(guī)定參比電極可以為銅/硫酸銅（飽和）電極，也可為甘汞電極，但電位均是相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位換算；DIN 30670—2012 規(guī)定參比電極一般為氫電極，也可使用其他電極，但需要按照表2 方法進(jìn)行換算，電位均相對普通氫電極。ASTM G8—1996 R2019 和ASTM G42—2011+E1—2019 兩項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，參比電極可以為銅/硫酸銅（飽和）電極，也可為甘汞電極，但電位均是相對標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位換算。對比上述標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，參比電極的要求基本一致，均可以按照相對氫電極進(jìn)行換算。

表2 常用電極與氫電極的修正表[8]

4.3 試樣測量方法對比分析

GB/T 23257—2017、ISO 21809-1—2018 和DIN 30670—2012 均采用以試驗孔向外8 等分劃割涂層劃線，使用壁紙刀或相應(yīng)工具劃透防腐層直到基材，距離至少為20 mm。測量方法為從試驗孔外邊緣開始測量，測量每條劃割線到剝離位置的距離，并根據(jù)8 條線的剝離距離算出其平均值，即為該試驗樣的陰極剝離結(jié)果。在試件上劃透涂層的放射線，如圖2（a）所示。

ASTM G95—2007 R2013、ASTM G8—1996 R2019和ASTM G42—2011+E1—2019標(biāo)準(zhǔn)采用在試樣未浸沒區(qū)域涂層上鉆一個新的對比孔，對比孔加工方式與人為缺陷孔相同，用一個薄的鋒利小刀橫切人為缺陷孔和對比孔中心，劃透防腐層形成45°角放射狀，在試件上劃透涂層的放射線如圖2（b）所示。確保完全劃透防腐層至金屬表面，用薄的鋒利小刀挑起對比孔和人為缺陷孔的涂層。以對比孔涂層的黏接力為參考，判斷人為缺陷孔涂層的黏接力質(zhì)量。測量并記錄人為缺陷孔剝離涂層的面積，通過求積儀或其他方法測量剝離面積并記錄結(jié)果。減去初始孔面積并計算當(dāng)量圓直徑。圓直徑的計算方法為ECD=(A/0.785)1/2。

圖2 試件測量方式示意圖

對比上述兩組試驗方法，驗證測量結(jié)果差異較大。ASTM 系列驗收值測量方法與GB/T 23257—2017、ISO 21809-1—2018 和DIN 30670—2012 試驗方法有所不同，ASTM 系列標(biāo)準(zhǔn)試驗方法均采用等效圓半徑法，且考慮對比孔剝離面積情況計算試驗結(jié)果；GB/T 23257—2017、ISO 21809-1—2018 和DIN 30670—2012 三項試驗方法均采用試驗孔邊緣至剝離距離的算術(shù)平均值方法。通過對比發(fā)現(xiàn)，ASTM系列試驗方法測量試驗結(jié)果，采用浸泡人工缺陷孔與未浸泡人工缺陷孔剝離情況的面積差值得出測量試驗結(jié)果，其考慮的影響因素更全面，更能真實反映陰極剝離對涂層的影響程度。但相比直接計算剝離距離的算術(shù)平均值方法相對復(fù)雜，人為剝離試樣的力度對試驗結(jié)果影響更大。

5 試驗方法對試驗結(jié)果的影響

由于ASTM G8—1996 R2019 和ASTM G42—2011+E1—2019兩項試驗方法采用管段侵入式方法進(jìn)行試驗，3PE 防腐鋼管涂敷管徑基本均在323.9 mm及以上，由于管徑尺寸較大，試驗室一般不具備試驗條件。通過試驗驗證其他4項試驗方法對試驗結(jié)果的影響。

在某3PE涂敷生產(chǎn)車間，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，涂敷工藝及方法均相同，隨機(jī)抽取涂敷成品檢驗合格的一根鋼管進(jìn)行陰極剝離對比試驗。按照不同試驗方法對同一根鋼管防腐層進(jìn)行試驗，對比不同試驗方法對陰極剝離試驗結(jié)果的影響。

分別按照GB/T 23257—2017、DIN 30670—2012、ISO21809-1—2018 和ASTMG95—2007 R2013 試驗方法進(jìn)行試驗。在同等電壓-1.5 V、相同試驗溫度65 ℃，試驗時間48 h 條件下，對試樣進(jìn)行陰極剝離測試，試樣取自同一根防腐鋼管，分4組試驗樣品進(jìn)行陰極剝離試驗，每組測試10 塊陰極剝離試驗樣品，取每組10 塊試驗樣品陰極剝離的平均值，具體試驗結(jié)果見表3。

表3 陰極剝離試驗結(jié)果

試驗后試樣測量剝離距離基本相同，具體如圖3所示，由于試驗時采用的基本參數(shù)一致，所以陰極剝離距離差異不大。但由于ASTM G95—2007 R2013采用等效圓半徑法測量，試驗結(jié)果計算方式不同，最終ASTM G95—2007 R2013 陰極剝離試驗結(jié)果相對其他3 個試驗方法偏低。通過大量試驗經(jīng)驗總結(jié)，試驗溫度、電壓和試驗時間是主要影響陰極剝離試驗結(jié)果的主要因素。

圖3 陰極剝離試驗試樣實物圖

6 結(jié)論

1）GB/T 23257—2017、DIN 30670—2012、ISO 21809-1—2018和ASTM G95—2007 R2013四個試驗方法均適合輸送管道3PE防腐層陰極剝離試驗。由于4 個試驗方法對試樣尺寸要求不一致，當(dāng)試驗小管徑時，由于鋼管曲率較大，塑料筒在與試件黏接時易漏水，試驗操作難度較大。選用陰極剝離試驗方法時，根據(jù)試驗鋼管直徑從小到大，應(yīng)依次選擇以下試驗方法：DIN 30670—2012、ISO 21809-1—2018、GB/T 23257—2017和ASTM G95—2007 R2013。

2）由于3PE 防腐層輸送鋼管管徑較大，試驗室容器尺寸限制，使用ASTM G8—1996 R2019和ASTM G42—2011+E1—2019兩個試驗方法對整個管段浸沒或全部浸泡無法進(jìn)行，因此上述兩個標(biāo)準(zhǔn)不適用輸送管道3PE 防腐試驗。兩個標(biāo)準(zhǔn)中已明確，如果無法浸沒或全部浸泡試樣時，可以執(zhí)行ASTM G95—2007 R2013試驗方法測量陰極剝離試驗。在2020年5月1日國內(nèi)發(fā)布新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4113.3-2019[12]，代替整合了原3 個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 0037—2012、SY/T 0072—2012和SY/T 0094—1999)，原行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)修改采用ASTM G8—1996 R2019、ASTM G42—2011+E1—2019 和ASTM G95—2007 R2013 美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。SY/T 4113.3—2019 已明確應(yīng)根據(jù)不同試件的形狀和尺寸選擇試驗結(jié)構(gòu)，由于長輸管道3PE 防腐層管道直徑較大，陰極剝離試驗只能選擇標(biāo)準(zhǔn)圖1結(jié)構(gòu)，既與ASTM G95—2007 R2013 結(jié)構(gòu)相同，圖2和圖3結(jié)構(gòu)不適用于輸送管道3PE防腐層陰極剝離試驗。

3）ASTM G95—2007 R2013 充分考慮試驗后浸泡處涂層剝離情況與未浸泡出試樣剝離情況，通過計算兩者面積差值法求出等效圓半徑，相比計算剝離距離平均值的方法，能更準(zhǔn)確地反映試樣在溶液作用下的抗陰極剝離性能情況。

4）目前試驗方法中采用強(qiáng)制電流法的較多，便于試驗室調(diào)節(jié)試驗參數(shù)，能夠更快速地測量試樣的陰極剝離性能。