崔偉1 邢云穎1 朱琳2 鐘婷2 董亮1 王修云1

1．安科工程技術研究院（北京）有限公司；2. 中國石油天然氣管道科學研究院

 

外防腐層結合陰極保護技術被認為是埋地管道外部防腐的最佳方案。在眾多種類的外防腐層中，3PE防腐層具有超越其他防腐層的物化性能、電絕緣性能及抗剝離能力，以優(yōu)異的防護性和適用性在我國管道工程中得到了廣泛應用[1,2]，是目前埋地管道外防腐技術的首選結構[3,4]。然而，由于施工質(zhì)量、外力破壞、服役環(huán)境、長期使用等因素，3PE防腐層會出現(xiàn)破損、老化，使其防腐能力降低甚至失去。在破損點，管道基材受到土壤等介質(zhì)的化學和電化學腐蝕，嚴重時導致管道穿孔泄漏，造成經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等方面的損失[5-7]。本文針對兩個實際案例，綜合采用現(xiàn)場測試、實驗室分析和模擬實驗等方法對服役中的3PE防腐層剝離問題進行分析，并對其壽命進行預測。

1 陸上管道防腐層失效案例

1.1研究背景

2014年，對已建8年的某輸氣管線進行防腐層檢測時，發(fā)現(xiàn)3PE防腐層大面積剝離。經(jīng)現(xiàn)場選取6個測試點進行剝離強度測試，大部分測試點防腐層的剝離強度都小于標準要求的100N/cm[8]，如圖1所示。隨后選取現(xiàn)場試驗管段開展表面預處理分析、錨紋深度測試、熔結環(huán)氧固化度測試、陰極保護檢測等，查找致使3PE防腐層剝離的關鍵因素。

圖1 各測試點防腐層剝離強度

1.2剝離原因分析

1.2.1表面清潔度

表面處理是影響防腐層性能的重要因素之一，尤其是對于底漆性能的影響更大。金屬材料在加工和儲運過程中，表面會受到許多物質(zhì)的污染，如鐵銹、焊渣、油污、機械污物和舊涂膜等，這些污染物的存在會影響防腐層與基體金屬的附著，進而影響涂膜的剝離強度和防腐效果。

現(xiàn)場選取6處防腐層對靠近金屬基體一側的熔結環(huán)氧層表面狀態(tài)進行拍照觀察，宏觀形貌統(tǒng)計結果如圖2所示。其中，表面潔凈（基本沒有雜質(zhì)）的有3處；表面分布有大量黑色或黃色顆粒狀夾雜物的有3處，如圖3所示。

圖2 防腐層宏觀形貌統(tǒng)計

圖3  FBE表面宏觀形貌（左圖，測試點1，表面潔凈；右圖，測試點3，表面不潔凈）

通過EDS能譜分析顯示，防腐層表面較潔凈時，能譜顯示僅有C和O元素；防腐層表面有黑色或黃色顆粒狀夾雜物時，能譜顯示有C、O、Al、Si等元素，其雜質(zhì)可能以砂土為主。這表明在鋼管表面處理過程（除銹、除塵、除鹽）可能存在問題，表面光潔度較差，影響FBE層與管壁的結合，導致剝離強度較低。

1.2.2錨紋深度

防腐層與基體金屬的粘結力主要是金屬間機械和化學作用的結果。一般來說，表面越粗糙，真實表面積越大，可以咬合的防腐層錨點就越多�；瘜W作用是指防腐層分子中各種極性基團與金屬表面氧化物極性基團之間通過范德華力的結合。污染程度越小，真實表面積越大，則活性點越多，反之越少。標準SY/T0413-2002[9]規(guī)定鋼管除銹錨紋深度為50~75μm，標準GB/T23257-2009規(guī)定為50~90μm，錨紋深度加深，意味著粉末量加大，應補償凹陷加深的錨紋，從而增加粉末與鋼基體的剪切強度及附著力。

在現(xiàn)場開挖調(diào)研中，還對防腐層的錨紋深度等進行了測試，部分區(qū)域的錨紋深度不高，這可能是防腐層剝離強度不高的一個重要原因。結果如圖4所示。

 

圖4  3PE防腐層剝離強度與錨紋深度

1.2.3熔結環(huán)氧固化度

環(huán)氧粉末在固化后與鋼管表面是通過化學鍵聯(lián)結的，其抗剝離性能很強，如果環(huán)氧粉末固化不完全，將直接影響到防腐層的質(zhì)量。標準GB/T23257-2009規(guī)定環(huán)氧粉末固化度應≥95%。對熔結環(huán)氧層進行差示掃描測試（DSC），計算熔結環(huán)氧層的固化度，如圖5和表1所示。

 

圖5 環(huán)氧粉末差示掃描測試結果（左圖，環(huán)氧粉末；右圖，測試點4處熔結環(huán)氧層）

 

表1對各測試點的防腐層固化度進行了計算，現(xiàn)場取得的熔結環(huán)氧層放熱焓變都較小，沒有明顯的二次固化放熱峰，固化度均大于95%，符合標準要求，固化良好。

1.2.4陰極保護測試

陰極保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)對3PE防腐層剝離性能有重要影響，現(xiàn)場開挖點的斷電電位都正于標準要求的-1.20VCSE，沒有電位過負的現(xiàn)象；斷電電位較正或較負處，均有剝離強度較低的現(xiàn)象。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在防腐層缺陷處，防腐層剝離面積遠大于防腐層缺陷面積，這說明水介質(zhì)的浸入和陰極保護加劇了防腐層的剝離。但是在防腐層完好狀態(tài)下，由于3PE防腐層具有極好的抗水性，陰極保護作用不明顯。

1.3小結

經(jīng)對各項測試結果總結（見表2），測試點1，剝離強度滿足標準要求（＞100N/cm），其各項測試指標也均滿足標準要求；測試點2、3，僅表面光潔度不滿足要求；測試點4、5，僅錨紋深度不滿足要求；以上四個點可推斷出防腐層剝離的主要因素。測試點6，陰極保護斷電電位較負，同時表面光潔度不滿足要求，不易判斷防腐層剝離的主要因素，這種情況可采用實驗室模擬試驗進一步確定陰極保護在防腐層剝離過程中發(fā)揮的作用，具體方法見本文第二部分。

研究結果表明，生產(chǎn)過程中表面處理、環(huán)氧粉末噴涂等的工藝控制不合格是造成防腐層大面積剝離的直接原因，防腐層破損、陰極剝離造成的影響有待進一步研究。

2 海底管道防腐層測試案例

2.1研究背景

本案例在實驗室模擬海底外部服役介質(zhì)條件，對送樣3PE防腐層進行了不同陰極保護電流密度及不同實驗時間的抗陰極剝離性能測試，通過測試陰極剝離距離隨陰極保護程度和時間的變化規(guī)律，分析防腐層的預期壽命，對海洋管道工程設計及腐蝕防護提供依據(jù)。

2.2實驗方法

實驗材料為某防腐廠家按照海洋防腐規(guī)格書預制的3PE管段，采用粘結電解槽法，從實際管段上切割150mm×150mm的方形試件，并在試件中心預制φ6.4mm的缺陷孔，露出金屬基材。試樣上方粘結外徑為100mm的有機玻璃圓筒。實驗溶液成分如表3所示，為管道服役海域海水模擬溶液。

實驗采用三電極體系，試片作為工作電極，輔助電極為MMO陽極片，參比電極為飽和甘汞電極。在室溫條件下采用恒電流源給試樣施加陰極保護，根據(jù)防腐層預制缺陷孔面積計算相應的電流密度，并測試相應的陰極保護電位值。為獲得防腐層剝離距離隨陰極保護電流密度和實驗時間的變化規(guī)律，分別采用7種不同的電流密度，每種電流密度下進行不同時間的陰極剝離性能測試。

達到測試周期后，拆除電源，用濕布擦洗防腐層表面，觀察防腐層表面狀況，看是否出現(xiàn)新的漏點及漏點周圍防腐層剝離情況，用刨刃在防腐層表面做出米字型的切口，以人為孔為中心，確保防腐層被完全切透至鋼材表面，用尖刀嘗試挑起防腐層，并拍照記錄防腐層被挑起的情況。以缺陷孔中心為起點，測量并記錄各個方向上的剝離距離。

2.3實驗結果與分析

3PE防腐層在不同電流密度下陰極剝離距離隨時間的變化規(guī)律如圖6所示，從圖中可以看出，同樣的電流密度下，隨著測試時間的增加，剝離距離逐漸增加，且初始時增加幅度較大，隨時間的延長，增長速率降低；同樣的時間下，剝離距離隨電流密度逐漸增加，不同電流密度下實驗16天后的剝離形貌如圖7所示，從圖中可以看出，電流密度超高100mA/cm2時，剝離區(qū)域面積明顯增加。

圖6 不同電流密度條件下不同周期后剝離距離測試結果

     

  

圖7 不同電流密度條件下實驗16天后的剝離形貌

為了根據(jù)陰極剝離加速實驗獲得材料的預期壽命，首先需要確定陰極剝離距離的評價指標，將國內(nèi)外相關標準對陰極剝離距離的具體要求匯總為表3。最高要求是3PE防腐層在最高溫度長時間后陰極剝離距離小于等于15mm。因此，以防腐層剝離距離達到15mm時的時間作為防腐層的特征壽命和保守的評價指標。

根據(jù)獲得的7種不同電流密度下陰極剝離距離隨時間的測試結果，對變化趨勢進行曲線擬合，如圖8所示。擬合結果顯示，同一電流密度下，剝離距離和測試時間滿足L=atb函數(shù)關系，其中，L為剝離距離，t為實驗時間，a和b為常數(shù)。

 

 

 

圖8 不同電流密度條件下剝離距離隨時間的擬合曲線

根據(jù)擬合結果，可以計算不同電流密度條件下當剝離距離達到15mm時所需的時間，計算結果見表4�？梢钥闯觯�隨著電流密度的增加，防腐層的壽命特征逐漸降低。

根據(jù)材料在不同陰極保護電流密度下的特征壽命值，可以建立特征壽命與加速參數(shù)之間的關系曲線，如下圖所示，從而建立基于陰極剝離的預期壽命模型。

圖9 基于陰極剝離規(guī)律的預期壽命曲線

根據(jù)建立的陰極剝離預期壽命模型，可以獲得不同電流密度下防腐層剝離距離達到一定值時的壽命特征（即時間），在實際海管陰極保護設計時，可參考此方法，以高電流密度下的壽命特征外推獲得低電流密度下的壽命特征。

2.4小結

以上實驗及計算分析結果表明：

（1）同樣的電流密度下，隨著時間的增加，陰極剝離距離逐漸增加，且在實驗前期增加速度較快，在實驗后期增加速度變緩；同樣的實驗時間下，施加的電流密度越高，陰極剝離距離越大；

（2）3PE防腐層在模擬服役海域海水環(huán)境下的壽命特征與電流密度的倒數(shù)呈指數(shù)關系。

3 結論

本文從兩個具體案例出發(fā)，通過現(xiàn)場測試、實驗室分析、模擬試驗等方法對3PE防腐層失效原因進行了分析，并對防腐層服役壽命進行預測。工藝控制、施工質(zhì)量、環(huán)境介質(zhì)、陰極保護與交直流干擾等均可能造成防腐層剝離，進而影響其防腐效果。因而，在實際生產(chǎn)中要嚴格控制工藝流程，提高施工質(zhì)量，加強管道巡檢，保持合適的陰極保護水平并及時排除交直流干擾。 

參考文獻：

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[4] 張婷, 龔敏, 林修洲. 3PE防腐蝕層聯(lián)合陰極保護對管道的保護效果[J]. 腐蝕與防護, 2012, 33(9): 765-768.

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[7] 代卿, 青樹勇. 天然氣管道三層PE 防腐層的常見失效模[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2011, 6: 65-66.

[8] GB/T 23257-2009，埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層[S]．

[9] SY/T 0413-2002，管道聚乙烯防腐層技術標準[S]． 

作者：崔偉，男，工程師，1988年生，2014年碩士畢業(yè)于北京科技大學材料科學與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事陰極保護、防腐層方向的研究工作。 

《管道保護》2016年第6期（總第31期）