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(shù)研究院（北京）有限公司；2. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院

 

外防腐層結(jié)合陰極保護(hù)技術(shù)被認(rèn)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(hù)性和適用性在我國管道工程中得到了廣泛應(yīng)用[1,2]，是目前埋地管道外防腐技術(shù)的首選結(jié)構(gòu)[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(huì)出現(xiàn)破損、老化，使其防腐能力降低甚至失去。在破損點(diǎn)，管道基材受到土壤等介質(zhì)的化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管道穿孔泄漏，造成經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面的損失[5-7]。本文針對(duì)兩個(gè)實(shí)際案例，綜合采用現(xiàn)場測試、實(shí)驗(yàn)室分析和模擬實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)服役中的3PE防腐層剝離問題進(jìn)行分析，并對(duì)其壽命進(jìn)行預(yù)測。

1 陸上管道防腐層失效案例

1.1研究背景

2014年，對(duì)已建8年的某輸氣管線進(jìn)行防腐層檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)3PE防腐層大面積剝離。經(jīng)現(xiàn)場選取6個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試，大部分測試點(diǎn)防腐層的剝離強(qiáng)度都小于標(biāo)準(zhǔn)要求的100N/cm[8]，如圖1所示。隨后選取現(xiàn)場試驗(yàn)管段開展表面預(yù)處理分析、錨紋深度測試、熔結(jié)環(huán)氧固化度測試、陰極保護(hù)檢測等，查找致使3PE防腐層剝離的關(guān)鍵因素。

圖1 各測試點(diǎn)防腐層剝離強(qiáng)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(duì)于底漆性能的影響更大。金屬材料在加工和儲(chǔ)運(yùn)過程中，表面會(huì)受到許多物質(zhì)的污染，如鐵銹、焊渣、油污、機(jī)械污物和舊涂膜等，這些污染物的存在會(huì)影響防腐層與基體金屬的附著，進(jìn)而影響涂膜的剝離強(qiáng)度和防腐效果。

現(xiàn)場選取6處防腐層對(duì)靠近金屬基體一側(cè)的熔結(jié)環(huán)氧層表面狀態(tài)進(jìn)行拍照觀察，宏觀形貌統(tǒng)計(jì)結(jié)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?yuàn)A雜物的有3處，如圖3所示。

圖2 防腐層宏觀形貌統(tǒng)計(jì)

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

通過EDS能譜分析顯示，防腐層表面較潔凈時(shí)，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?yuàn)A雜物時(shí)，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(jié)合，導(dǎo)致剝離強(qiáng)度較低。

1.2.2錨紋深度

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

在現(xiàn)場開挖調(diào)研中，還對(duì)防腐層的錨紋深度等進(jìn)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(qiáng)度不高的一個(gè)重要原因。結(jié)果如圖4所示。

 

圖4  3PE防腐層剝離強(qiáng)度與錨紋深度

1.2.3熔結(jié)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(xué)鍵聯(lián)結(jié)的，其抗剝離性能很強(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)GB/T23257-2009規(guī)定環(huán)氧粉末固化度應(yīng)≥95%。對(duì)熔結(jié)環(huán)氧層進(jìn)行差示掃描測試（DSC），計(jì)算熔結(jié)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(jié)果（左圖，環(huán)氧粉末；右圖，測試點(diǎn)4處熔結(jié)環(huán)氧層）

 

表1對(duì)各測試點(diǎn)的防腐層固化度進(jìn)行了計(jì)算，現(xiàn)場取得的熔結(jié)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(biāo)準(zhǔn)要求，固化良好。

1.2.4陰極保護(hù)測試

陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)3PE防腐層剝離性能有重要影響，現(xiàn)場開挖點(diǎn)的斷電電位都正于標(biāo)準(zhǔn)要求的-1.20VCSE，沒有電位過負(fù)的現(xiàn)象；斷電電位較正或較負(fù)處，均有剝離強(qiáng)度較低的現(xiàn)象�，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在防腐層缺陷處，防腐層剝離面積遠(yuǎn)大于防腐層缺陷面積，這說明水介質(zhì)的浸入和陰極保護(hù)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(hù)作用不明顯。

1.3小結(jié)

經(jīng)對(duì)各項(xiàng)測試結(jié)果總結(jié)（見表2），測試點(diǎn)1，剝離強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（＞100N/cm），其各項(xiàng)測試指標(biāo)也均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；測試點(diǎn)2、3，僅表面光潔度不滿足要求；測試點(diǎn)4、5，僅錨紋深度不滿足要求；以上四個(gè)點(diǎn)可推斷出防腐層剝離的主要因素。測試點(diǎn)6，陰極保護(hù)斷電電位較負(fù)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)進(jìn)一步確定陰極保護(hù)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(jié)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室模擬海底外部服役介質(zhì)條件，對(duì)送樣3PE防腐層進(jìn)行了不同陰極保護(hù)電流密度及不同實(shí)驗(yàn)時(shí)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(hù)程度和時(shí)間的變化規(guī)律，分析防腐層的預(yù)期壽命，對(duì)海洋管道工程設(shè)計(jì)及腐蝕防護(hù)提供依據(jù)。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

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

實(shí)驗(yàn)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(hù)，根據(jù)防腐層預(yù)制缺陷孔面積計(jì)算相應(yīng)的電流密度，并測試相應(yīng)的陰極保護(hù)電位值。為獲得防腐層剝離距離隨陰極保護(hù)電流密度和實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jìn)行不同時(shí)間的陰極剝離性能測試。

達(dá)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(diǎn)及漏點(diǎn)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(diǎn)，測量并記錄各個(gè)方向上的剝離距離。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3PE防腐層在不同電流密度下陰極剝離距離隨時(shí)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(shí)間的增加，剝離距離逐漸增加，且初始時(shí)增加幅度較大，隨時(shí)間的延長，增長速率降低；同樣的時(shí)間下，剝離距離隨電流密度逐漸增加，不同電流密度下實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(jié)果

     

  

圖7 不同電流密度條件下實(shí)驗(yàn)16天后的剝離形貌

為了根據(jù)陰極剝離加速實(shí)驗(yàn)獲得材料的預(yù)期壽命，首先需要確定陰極剝離距離的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(shí)間后陰極剝離距離小于等于15mm。因此，以防腐層剝離距離達(dá)到15mm時(shí)的時(shí)間作為防腐層的特征壽命和保守的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)獲得的7種不同電流密度下陰極剝離距離隨時(shí)間的測試結(jié)果，對(duì)變化趨勢進(jìn)行曲線擬合，如圖8所示。擬合結(jié)果顯示，同一電流密度下，剝離距離和測試時(shí)間滿足L=atb函數(shù)關(guān)系，其中，L為剝離距離，t為實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)間的擬合曲線

根據(jù)擬合結(jié)果，可以計(jì)算不同電流密度條件下當(dāng)剝離距離達(dá)到15mm時(shí)所需的時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見表4�？梢钥闯�，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(hù)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(guān)系曲線，如下圖所示，從而建立基于陰極剝離的預(yù)期壽命模型。

圖9 基于陰極剝離規(guī)律的預(yù)期壽命曲線

根據(jù)建立的陰極剝離預(yù)期壽命模型，可以獲得不同電流密度下防腐層剝離距離達(dá)到一定值時(shí)的壽命特征（即時(shí)間），在實(shí)際海管陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)

以上實(shí)驗(yàn)及計(jì)算分析結(jié)果表明：

（1）同樣的電流密度下，隨著時(shí)間的增加，陰極剝離距離逐漸增加，且在實(shí)驗(yàn)前期增加速度較快，在實(shí)驗(yàn)后期增加速度變緩；同樣的實(shí)驗(yàn)時(shí)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(guān)系。

3 結(jié)論

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

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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(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事陰極保護(hù)、防腐層方向的研究工作。 

《管道保護(hù)》2016年第6期（總第31期）