李振軍

西部管道公司管道部

 

摘要：結合現場檢測和實驗室表征分析對西氣東輸二線輪吐支干線上兩處采用液體聚氨酯涂層防腐的管道補口從土壤腐蝕性、管道陰極保護、交流干擾和防腐層服役狀況等方面進行了綜合評價。結果顯示，兩處管道補口陰極保護狀況良好，無明顯交流干擾，周邊土壤腐蝕性強，其中一處補口防腐層出現鼓泡失效現象。基于現場檢測和實驗室分析結果，對防腐層發生鼓泡失效的原因進行了分析，表明聚氨酯防腐層施工過程中產生的氣泡和陰極剝離是導致防腐層鼓泡失效的主要原因。

關鍵詞：埋地管道；聚氨酯涂層；管道補口；鼓泡失效

 

借助環焊縫開挖機會，對西氣東輸二線輪南－吐魯番支干線聚氨酯防腐補口服役現狀進行調查，發現少量補口存在黏結強度下降的情況，甚至還有大面積防腐層鼓泡失效及防腐層下方積液現象，對管道的安全穩定運行造成了威脅。國內外對埋地管道液體聚氨酯防腐補口失效行為的相關研究較少，防腐層鼓泡失效的機理尚無明確結論。本文選取其中兩處服役狀況較差的聚氨酯防腐補口，結合現場檢測和實驗室分析表征，從土壤腐蝕性、管道陰極保護、交流干擾和聚氨酯防腐層服役等方面綜合評價，初步揭示埋地管道聚氨酯防腐層發生鼓泡失效的主要原因。

1  實驗過程

1.1  現場檢測

兩處檢測點按“測試樁編號+偏移距離”分別命名為KP10－809.5 m和KP12＋281 m。首先對兩處液體聚氨酯管道補口進行現場檢測及樣品采集。其中，土壤檢測主要為管道補口附近土壤電阻率測試及樣品采集，評估土壤腐蝕性；防腐層檢測主要包括防腐層外觀、厚度、漏點和附著力等檢測及剝離防腐層采樣，評價管道補口防腐層質量；電位測試包含管道通電電位（補口位置與上下游智能測試樁距離較遠，不具備采集管道斷電電位條件）、交流電壓和交流電流密度采集，評估管道陰極保護有效性和交流干擾狀況；防腐層下方管體壁厚測試以評估腐蝕類型和程度。各項測試執行標準見表 1。

表 1 現場檢測執行標準

1.2  實驗室分析

參照GB/T 19285相關規定，采集的土壤樣品在實驗室內進行pH值、質地、含水率、含鹽量、Cl-含量等分析檢測，結合現場測得的電阻率數據，綜合評價管道各檢測點附近土壤腐蝕性。

聚氨酯防腐層樣品在光學顯微鏡下觀察防腐層內外表面顯微形貌。通過SEM-EDS采集防腐層內表面電子顯微形貌及化學元素組成。同時，借助接觸角儀表征防腐層外表面疏水性。綜合上述數據對聚氨酯防腐層鼓泡失效原因進行分析。

2  結果與討論

2.1  聚氨酯防腐層質量評價

圖 1為聚氨酯防腐層樣品外觀照片。KP10－809.5 m處防腐層外觀缺陷較多，表面有大面積鼓泡現象（圖 1 a），鼓泡下方存在積液（圖 1 b），管道6點鐘方向存在流掛現象（圖 1 c）。KP12＋281 m處防腐層表面則相對光滑平整，未見明顯外觀缺陷（圖 1 d）。

圖 1 聚氨酯防腐層樣品外觀

防腐層厚度、漏點、附著力等級測試結果見表 2，采用撬剝法進行附著力測試后的聚氨酯防腐層見圖 2。KP10－809.5 m處防腐層附著力為5級，測試過程中無明顯抗撬離性能，呈整片剝離；KP12＋281 m處防腐層附著力為4級，表現出一定抗撬離性能，呈大塊碎屑剝離。

圖 2 防腐層樣品附著力測試

由表 2數據可知，兩處防腐層厚度均滿足GB/T 51241對厚度要求（≥1.0 mm）。如前所述，盡管KP10－809.5 m存在大面積鼓泡、積液現象，電火花檢漏卻無漏點檢出。這表明土壤中的水并非通過防腐層表面宏觀破損進入內部，防腐層內部可能存在微觀缺陷，為水分穿過防腐層向管道本體滲透提供了通道。

表 2 聚氨酯防腐層檢測結果

兩處聚氨酯防腐補口均存在黏結力降低問題，其中，KP10－809.5 m存在鼓泡、流掛和積液現象，已基本喪失對管道本體的保護作用。由于液體聚氨酯補口施工對管道表面狀態、施工環境及操作均有較高要求[1]，且聚氨酯涂層對陰極剝離較弱的抵抗能力[2]，防腐層施工前對管體表面處理不達標、防腐層內部微觀缺陷的存在及過負的陰極保護電位引發的陰極剝離都可能導致鼓泡失效，因此需進一步分析確定。

2.2  陰極保護及交流干擾評價結果

由表 3可知，兩處管道交流電壓低于4 V，交流電流密度均在30 A/m2以內，表明管道未受明顯的交流干擾。兩處管道的通電電位均在﹣1.4 V（CSE）左右，考慮到兩處土壤電阻率均較低（見表 5，分別為2.26 Ω·m和3.39 Ω·m），其對應的斷電電位應仍處于較負的水平，管道的陰極保護狀況良好。然而，在環境中的水滲入防腐層內部后，也無法排除較負的陰極保護電位導致防腐層發生陰極剝離的可能。

表 3 現場檢測執行標準

2.3  管體腐蝕狀況調查結果

由圖 3可知，兩處管道補口聚氨酯防腐層下方管道表面均未觀察到呈散點分布的坑穴狀腐蝕，其中，KP10－809.5 m表面較為粗糙，可能發生了一定程度的均勻腐蝕，而KP12＋281 m表面相對光滑，目測其腐蝕程度較輕。

圖 3 防腐層下管體表面腐蝕形貌

分析管道壁厚損失率數據可知，KP10－809.5 m處管道在服役期間管壁減薄約5.68%，可能與其表面聚氨酯防腐層較差的屏蔽性能有關；而KP12＋281 m處管道幾乎未見減薄（0%），說明該處管道的防腐層+陰極保護體系仍有較好的防護效果。

2.4  土壤腐蝕性評價結果

由表 4數據可知，兩處管道補口位置附近土壤理化性質相近，呈弱堿性，具有較高的含水率、含鹽量、Cl-含量和較低的土壤電阻率。綜合現場和實驗室檢測數據，根據GB/T 19285判定土壤腐蝕性為強，管道暴露其中腐蝕風險較高。盡管土壤理化性質相近，但KP12＋281 m處防腐層并未發生鼓泡積液，外界環境因素可能不是導致KP10－809.5 m處防腐層發生鼓泡失效的主要原因。

表 4 土壤腐蝕性測試結果

2.5  聚氨酯防腐層失效原因分析

綜上所述，兩處檢測點管道補口所處土壤環境大致相同，陰極保護和交流干擾狀況基本一致。由此可推斷，管道補口聚氨酯防腐層在施工過程中產生的結構差異可能是導致兩者在相同服役環境下產生不同劣化現象的主要原因。為此，繼續對聚氨酯防腐層樣品進行光學顯微鏡、電子顯微鏡掃描和接觸角分析，以揭示其發生鼓泡失效的原因。

由圖 4可知，KP10－809.5 m（圖 4 a）處防腐層外表面更為粗糙；光學顯微形貌發現其內表面相對平整（圖 4 e），表明該處防腐層與管體已整體剝離；如圖 4 c和4 e所示，該處防腐層內外表面均可觀察到大量直徑10 μm~50 μm的圓孔，可能與防腐層施工過程中液體聚氨酯涂料內產生的氣泡有關。相較而言，KP12＋281 m處防腐層外表面（圖 4 d）則較為光滑，未見孔洞；此處防腐層內表面則呈破碎狀（圖 4 f），表明防腐層與管體間仍有一定黏結強度，取樣過程中主要在防腐層內部發生內聚破壞。防腐層樣品內表面電子顯微形貌結果（圖 5）同樣顯示，KP10－809.5 m處防腐層內表面相較于KP12＋281 m具有更多的內部孔洞。

圖 4 防腐層樣品表面形貌

圖 5 防腐層樣品內表面電子顯微形貌

防腐層樣品外表面接觸角測試結果見圖 6。KP10－809.5 m處防腐層外表面對水的接觸角僅為23°，明顯低于KP12＋281 m處防腐層（71°）。表明KP10－809.5 m處聚氨酯防腐層的防水性能較差。

圖 6 防腐層樣品外表面接觸角測試結果

綜合現場及實驗室檢測分析結果，分析 KP10－809.5 m處管道補口聚氨酯防腐層發生鼓泡失效的原因。首先，在液體聚氨酯涂料涂敷階段對氣泡的控制不到位，導致防腐層固化后內部及表面均留下大量微孔，因其尺寸較小（直徑10 μm ～50 μm）且未在防腐層內部互連貫通，無法被電火花檢漏儀檢出。正常服役條件下，KP10－809.5 m處防腐層厚度（約2.6 mm）比KP12＋281 m（約1.5 mm）整體厚，環境中的水分穿過防腐層向管道本體滲透所需的時間也應較長。然而，KP10－809.5 m處防腐層卻更早發生了鼓泡和積液現象。由此推斷，防腐層內部及表面微孔的存在一方面增大了防腐層表面粗糙度，使防腐層防水性能下降，另一方面也為土壤中的水分向防腐層內部的滲透提供了通道，所需時間大大縮短。同時管道附近土壤含水率較高，補口下溝回填后，土壤中水分將通過微孔向防腐層內部滲透并逐漸在防腐層下積聚。在較負的陰極保護電位（﹣1.43 V（vs.CSE））下，聚氨酯防腐層可能發生陰極剝離從管體表面局部脫離，并最終形成鼓泡。

3  結論

（1）兩處管道補口所處土壤環境相近，土壤腐蝕性較強。

（2）兩處管道補口陰極保護良好，交流干擾程度低，無須采取交流干擾防護措施。

（3）兩處管道補口聚氨酯防腐層黏結強度均有下降，其中一處出現防腐層鼓泡、積液、流掛現象，防腐層服役現狀較差。推斷防腐層施工過程中產生的氣泡和陰極剝離是導致其鼓泡失效的主要原因。

 

參考文獻：

[1]溫志新.關于提升液體聚氨酯噴涂防腐補口質量的探討[J].中國科技投資，2016(5)：253，154.

[2]陳洪源，李英義，羅鵬，趙君，劉玲莉，韓鐘琴，謝濤，韓文禮.在役3PE管道補口修復技術研究[J].管道技術與設備，2012(04)：24-26.

作者簡介：李振軍，1984年生，工程碩士，高級工程師。主要從事管道防腐管理工作。聯系方式：0991-7561380，lizj01@pipechina.com.cn。