李振軍

中石油管道聯合有限公司西部分公司

摘要：通過對西部高強鋼管道三層聚乙烯（3PE）防腐層的現場調查、實驗室微觀形貌及環氧粉末涂層熱變特性分析，探討了防腐層的失效原因。結果表明：環氧粉末涂層在工廠預制時，生產線溫度控制不均勻、涂覆溫度過高或過低都會造成涂層與鋼管發生剝離。

關鍵詞：管道；3PE防腐層；環氧粉末涂層；剝離；分析

三層聚乙烯（3PE）防腐層是由熔結環氧粉末底層、膠黏劑中間層和聚乙烯外護層同步纏繞或擠出而成，具有優良的絕緣性能和抗機械損傷性能，在管道建設施工中損傷小、防護層穩定性好、陰極保護一次投資及運行成本低，因此得到普遍采用。3PE發生的缺陷多種多樣，其中黏結力缺陷的危害最大。如果防護層有破損，則可能出現聚乙烯層剝離，剝離的聚乙烯層對陰極保護電流有強烈的屏蔽作用，并可能在屏蔽層下發生加速腐蝕。近年來，國內外均發現了管道投運后短期內3PE防腐層黏結失效的案例，以至于可以毫不費力地將涂層從管道表面剝離下來。

為掌握3PE防腐層運行現狀，對某公司所轄管線的高強鋼管道管體3PE防腐層進行檢測，并對3PE防腐層剝離現象進行了分析，找出了3PE防腐層剝離失效的原因。

1  檢測內容

（1）外觀檢查

對開挖處3PE外觀狀況進行目測檢查并拍照，對于剝離的3PE防腐層，目測檢查剝離防腐層內部一側的狀況并拍照。

（2）漏點檢測

用電火花檢漏儀對3PE防腐層的整個表面進行漏點檢測，檢漏電壓為25 kV，以無漏點為合格，若有漏點則記錄漏點數及其分布情況。

（3）防腐層厚度檢測

選取管體一個截面，分別在其0點、3點、6點和9點位置進行防腐層厚度測量，每個位置至少測量3個點。

（4）剝離強度測試

按SY/T 5918―2011《埋地鋼質管道外防腐層修復技術規范》附錄C規定的方法進行PE與管體的剝離強度測試，觀察剝離狀態。

（5）環氧粉末涂層厚度檢測

在3PE防腐層剝離處測量環氧粉末涂層厚度，每個剝離處至少測試3個點。

（6）環氧粉末涂層附著力檢測

在管道上取均勻分布的3個點，采用刀挑法進行附著力檢測。

（7）實驗室分析

對發生剝離現象的3PE防腐層，帶回實驗室分別進行環氧粉末涂層的外觀形貌分析和熱變特性分析。

2  檢測結果

2.1  現場開挖檢測結果

被測管線2006年開工建設，2009年12月投產運營，2015年進行了管道3PE防腐層檢測。檢測對象為外檢測發現防腐層破損處和內檢測發現有缺陷處防腐層，共抽檢15處。主要檢測內容有3PE防腐層外觀、漏點、剝離強度、黏結力和管體腐蝕情況。

（1）檢測發現11處3PE防腐層整體狀況良好（圖 1），外觀無撬剝、破損現象；采用25 kV電火花檢漏，未發現漏點；聚乙烯層剝離時，剝離強度滿足標準要求，環氧粉末涂層與鋼管黏結性優良。

圖1  整體狀況良好的防腐層實況

（2）2處（X2-GZG-1和X2-WS-2）環氧粉末凃層與管體表面完全分離無黏結力；管體表面沒有環氧粉末，并且光亮、無腐蝕（圖 2）。

圖2  完全剝離的防腐層實況

（3）2處（X3-GZG-1和X3-JH-1）3PE防腐層其環氧粉末涂層與管體黏結力降低，管體表面有部分環氧粉末；管體無腐蝕、光亮（圖 3）。

圖3 部分剝離的防腐層實況

2.2  實驗室檢測結果

（1）外觀形貌分析

出現剝離的4處（X2-GZG-1、X2-WS-2、X3-GZG-1、X3-JH-1）3PE防腐層，環氧粉末涂層完全黏附在聚乙烯上。經拍照觀察其宏觀形貌，再用奧林巴斯LEXT4000全自動三維激光形貌儀放大觀察環氧粉末涂層的三維微觀形貌，結果分別見圖 4（a）、（b）、（c）、（d）。

圖 4  環氧粉末凃層宏觀和微觀形貌

從三維微觀形貌看，4處環氧粉末涂層均已出現微小的點狀銹蝕痕跡。從宏觀形貌看，X2-WS-2(b)和X3-JH-1(d)2處環氧粉末涂層顏色較深、發黃，出現輕度焦化現象，將3PE彎曲時環氧粉末涂層出現裂紋。

（2）環氧粉末涂層熱變特性分析

上述4處環氧粉末涂層，利用DSC差示掃描量熱儀進行熱變特性分析，分別得出如圖 5 （a）、（b）、（c）、（d）所示熱掃描曲線和相應的△Tg（玻璃化轉變溫度變化值）。

圖 5  環氧粉末涂層熱掃描曲線

從圖 5可知，X2-GZG-1（a）、X2-WS-2（b）、X3-GZG-1（c）、X3-JH-1（d）的環氧粉末涂層△Tg分別為8.14 ℃、2.64℃、5.83℃和2.52℃。

其中X2-GZG-1和X3-GZG-1的△Tg均大于5℃（GB/T 23257—2009規定環氧粉末涂層△Tg≤5℃），不符合標準要求，顯示其環氧粉末涂層固化不完全。

3  3PE剝離原因分析

3.1  運行環境

（1）過高的陰極保護電位

過高的陰極保護電位會增加涂層陰極剝離的可能性。涂層表面有破損、漏點或具有強滲透性時易導致涂層剝離。從檢測結果看，未發現3PE有破損及漏點的檢測處，3PE防腐層剝離后管體表面光亮，無水、無腐蝕及屏蔽產物。因此，此次檢測的3PE防腐層剝離與高陰極保護電位沒有直接的聯系。

（2）運行溫度

由于管體金屬與3PE防腐層隨溫度變化有不同的熱脹冷縮比，長期冷熱交替運行后，防腐層會與管體發生剝離。本次所檢測管道屬正常溫度運行，其剝離現象與輸送介質溫度的變化也沒有直接關聯。

3.2  原材料的質量

環氧粉末的配方非常重要，直接影響3PE底層與管道金屬的黏結性能。由于無法得知環氧粉末的原始資料，本次檢測的環氧粉末涂層剝離現象是否與其原材料的品質有關無法判斷。

3.3  3PE防腐層預制環節

（1）表面處理

涂裝前管道表面處理是提高涂層性能的關鍵，如表面噴砂處理等級、錨紋深度等，其次表面可溶鹽含量、表面灰塵級別也會影響涂層質量，目前國內缺乏這兩方面的技術要求及測試方法。

（2）涂裝溫度

3PE在涂裝前，需要把鋼管的溫度加熱到200 ℃以上。但溫度過高，環氧粉末固化反應太快，粉末熔化不充分，成膜流平不良，和鋼表面的結合力降低，在膠黏劑包覆前，環氧樹脂官能團過度消耗，部分、甚至完全失去和膠黏劑的化學鍵結合能力。溫度太高，熔結環氧層甚至可能發生輕度焦化，表現為環氧粉末層顏色變深、發黃。如此次X2-WS-2和X3-JH-1檢測處，涂裝預制時溫度過高可能是造成這2處環氧粉末層黏結力降低而導致剝離失效的原因。

而溫度偏低，環氧粉末來不及固化，嚴重時，會使環氧粉末層不能完全固化，而致整根管體的一段或全部喪失黏結力。此次X2-GZG-1和X3-GZG-1檢測處環氧粉末層經熱掃描檢測發現其固化不完全，證明涂裝預制時溫度偏低，可能是造成這2處環氧粉末層喪失黏結力導致剝離失效的原因。

4  結論與建議

（1）本次西部高強鋼管道防腐層共抽檢15處，環氧粉末涂層與管體完全剝離或部分剝離的4處，占抽檢總數的26.7%。

（2）發生剝離現象的4處3PE防腐層其環氧粉末涂層與鋼管無黏接力。這種情況下一旦聚乙烯層破損或者開裂，導致防腐層剝離失效，管道就容易發生腐蝕。

（3）經現場檢測和實驗室分析，環氧粉末涂層與管體發生剝離的原因主要是防腐層預制時溫度控制不均勻，溫度過高或者過低而造成環氧粉末涂層與鋼管黏結力降低而發生剝離。

（4）對于防腐層剝離失效嚴重的區域，建議加強管道外檢測，以有效預防其破損或者開裂而導致管體發生腐蝕。

參考文獻：

[1] 張其濱,劉金霞,赫連建峰, 等. 管道 3P E涂層的陰極剝離性能研究. 腐蝕與防護, 2006, 27( 7) : 331-333.

[2] 胡士信. 管道防腐層設計手冊. 北京: 化學工業出版社, 2007: 162-164.

[3] 杜秀玲,吳希革,李楠. 淺談埋地鋼質管道陰極保護對3PE涂層的影響. 腐蝕與防護, 2007, 28( 5) : 249 -252.

[4] 廖宇平, 程書旗, 鄭玉海, 穆 鐸. 管道 3PE防護層的結構特點與缺陷分析及防范. 腐蝕與防護, 2006， 27( 6) :311-314.

作者：李振軍，工程師，本科畢業于中國石油大學（華東），現為中石油西部管道公司管道處主管。

《管道保護》2018年第1期（總第38期）