西部地區高強鋼管道三層聚乙烯防腐蝕層的剝離性能

(中石油管道聯合有限公司 西部分公司，烏魯木齊 830011)

3PE防腐蝕層(以下簡稱3PE涂層)是以熔結環氧(FBE)粉末為底層，中間膠黏劑和聚乙烯外護層同步纏繞或擠出而成的，具有優良的絕緣性能和抗機械損傷性能[1]。3PE涂層具有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等優點[2-4]，因此，我國大型管道普遍采用3PE涂層防護。然而，3PE涂層的生產工藝和生產控制比較復雜，缺陷也多種多樣，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，并可能產生屏蔽層下的加速腐蝕[5-6]。近年來，國內外均發現了3PE涂層投產后短期內黏結失效的案例,據相關研究報告報道，在很多國家，在役管道的3PE涂層也出現了黏結力嚴重降低的現象，以至于可以毫不費力地將涂層從管道表面剝離下來[7-10]。

為掌握3PE的運行現狀，本工作對某公司所管轄的高強鋼管道沿線管體3PE涂層進行現場檢測和取樣分析，以尋求3PE涂層剝離失效的原因。

1 試驗

針對西部高強鋼管道防腐蝕層進行現場檢測，結合實驗室取樣測試，分析導致防腐層剝離的關鍵因素。該管道于2006年開工建設，2009年12月投產運營。現場開挖后測試3PE涂層的厚度和漏點情況，參照SY/T 5918-2011《埋地鋼質管道外防腐層修復技術規范》要求測試3PE涂層與管體的剝離強度，并對剝離后3PE涂層及基體表面形貌進行觀察。

根據現場測試結果選取典型3PE涂層，在實驗室對3PE涂層的微觀結構及性能開展進一步測試分析，詳見表1。

表1 3PE涂層的性能指標Tab. 1 Performance indexes of 3PE coating

2 結果與討論

2.1 現場開挖檢測結果

對西部高強鋼管道進行內外檢測，發現存在缺陷，針對缺陷處的防腐蝕層進行檢測，共抽檢16道口。結果表明：13處3PE涂層整體狀況良好，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，粉末涂層與鋼管黏結性優良。3處3PE涂層與基體結合較差，涂層出現局部或大面積剝離。3處涂層位置的編號和測試結果見表2，為方便后續對比分析，表中列出了兩處防腐蝕層與基體結合較好位置的測試結果。

表2 典型位置3PE涂層的現場檢測結果Tab. 2 Field test results for a 3PE coating at typical positions

由圖1可見：1號和2號涂層中的FBE層與管體整體脫離，管體表面有黑褐色點蝕痕跡。3號涂層表面存在施工導致的機械損傷，傷及管體深度0.5 mm。損傷周圍防腐蝕層發生剝離，遠離損傷區域，防腐蝕層與基體的附著力良好。

2.2 實驗室檢測結果

2.2.1 FBE層的表面形貌

表面處理是影響涂層性能的重要因素之一，尤其對于底漆性能的影響較大。對現場所取的5處涂層靠近金屬基體一側的FBE層進行觀察，見圖2。可以看出，5處位置FBE的表面形貌分為兩類，1號和2號涂層FBE層的顏色偏深，表面有黑色和黃色附著物，3號、4號和5號涂層FBE層的顏色偏黃綠色，表面無明顯附著物，相對清潔。

為了進一步確定FBE層的情況，對以上五種FBE表面進行微觀形貌觀察和EDS能譜分析，見圖3。結果表明：2號涂層FBE表面白色附著物較多，其他位置FBE表面附著物相對較少；不同位置FBE表面的主要元素為C和O，但均存在Fe、Cl、Ca等雜質元素，說明表面可能存在腐蝕產物和一些鹽類的附著。幾種涂層FBE表面Fe含量如圖4所示，可以看出，2號涂層表面的Fe含量最高，其次為1號涂層的，表明這兩種涂層表面腐蝕產物相對較多，這可能是導致剝離的原因之一。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號圖1 不同3PE涂層的現場照片Fig. 1 The scene photos of different 3PE coatings

(a) 1號 (b) 2號

(c) 3號 (d) 4號

(e) 5號圖2 不同涂層FBE層的表面形貌Fig. 2 Surface morphology of FBE of different coatings

2.2.2 FBE層的厚度

由圖5可見：1號涂層FBE層厚度約為158 μm，2號涂層FBE層厚度約為100 μm；3 號涂層 FBE層的厚度約為175 μm，4號涂層FBE層的厚度約為200 μm，5號涂層FBE測試點厚度約為125 μm。GB/T 2357-2009中規定，FBE層的厚度不能低于120 μm，從測試結果來看，2號涂層厚度不滿足標準要求。

2.2.3 FBE層的固化度

采用DSC差示掃描量熱儀對五種涂層進行熱特性試驗，分析環氧粉末涂層的固化情況，見圖6。結果表明：1號涂層FBE玻璃化溫度變化值(ΔTg)為5.83 ℃，2號涂層FBE的ΔTg為6.68 ℃；3號涂層FBE的ΔTg為1.94 ℃，4號涂層FBE的ΔTg為1.87 ℃，5號涂層FBE的ΔTg為1.11 ℃。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號

(e) 5號圖3 不同涂層FBE的表面EDS結果Fig. 3 EDS results on the surface of FBE of different coatings

GB/T 2357-2009中規定，FBE的玻璃化溫度變化值應≤5 ℃。從測試結果來看，1號和2號涂層的固化不完全。

圖4 不同涂層FBE表面鐵元素含量Fig. 4 Content of Fe on the surface of FBE of different coatings

2.2.4 PE層氧化誘導期測試

將取回的5處PE層利用DSC差示掃描量熱儀進行熱特性試驗，分析PE層的氧化誘導期，測試結果如圖6所示。

熱特性試驗結果表明：1號涂層PE的氧化誘導期為30.84 min，2號涂層PE的氧化誘導期為31.62 min；3號涂層PE的氧化誘導期為47.81 min，4號涂層PE的氧化誘導期為83.90 min，5號涂層PE的氧化誘導期為67.55 min。GB/T 2357-2009中規定，PE的氧化誘導期應滿足220 ℃≥30 min，因此五處涂層PE的氧化誘導期均符合標準要求，但1號和2號涂層PE層的抗氧化能力相對較差。

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(a) 1號 (b) 2號 (c) 3號

(d) 4號 (e) 5號圖6 不同涂層FBE層熱掃描曲線Fig. 6 The thermal scanning curves of FBE layer in different coatings

3 3PE涂層剝離的原因

由表3可見：幾種涂層的服役狀況、原料以及制備工藝參數的控制均存在一定的差異。

表3 典型位置防腐層測試結果匯總Tab. 3 Testing results of coatings at typical positions

現場測試表明，4號和5號涂層表面無機械損傷及漏點，實驗室測得涂層的各項性能均滿足標準要求，環氧粉末涂層與基體具有良好的附著能力。

現場測試表明，1號和2號涂層的表面無機械損傷及漏點，但實驗室測試顯示FBE固化度高于標準中規定的5%限值，為不完全固化。FBE是熱固性粉末涂料，固化溫度和固化時間對其性能有著重要的影響，當固化度不足時，環氧粉末涂層的物理、化學性能不能實現，涂膜中的樹脂還是脆的預聚體，沒有強度和耐性，這是1號和2號涂層剝離的主要原因。形貌觀察結果顯示這兩種涂層FBE表面腐蝕產物相對較多，這與涂層涂覆前表面的處理也存在一定的關系，涂裝前管道表面處理是提高涂層性能的關鍵，除表面噴砂處理等級、錨紋深度等方面影響涂層性能外，表面可溶鹽含量、表面灰塵級別也會極大地影響涂層質量。此外2號涂層FBE的厚度不足以及兩個位置PE層的氧化誘導期相對較低(接近標準給出的臨界值30 min)，均增加了防腐蝕層失效的風險。

3號涂層存在施工導致的機械損傷。損傷周圍防腐蝕層發生剝離，試驗室檢得剝離防腐蝕層的各項性能指標均滿足標準要求，說明防腐蝕層的剝離與原料及施工工藝參數控制無關。剝離僅發生在損傷周圍，遠離損傷區域的防腐蝕層與基體附著力良好，說明剝離由損傷導致。3號涂層處陰極保護斷電電位為-1.14 V(vs.CSE)，陰極保護電位水平較負。損傷位置有基體露出，水和氧能到達金屬表面，在陰極保護的作用下，發生陰極反應生成OH-：2H2O+2e=H2+2OH-(水還原)，OH-的聚集導致防腐層剝離。

綜上所述，本次管體防腐蝕層檢測發現的3處剝離位置，兩處與防腐蝕層制備過程的控制參數相關，一處是由施工導致的防腐蝕層缺陷及后續服役環境下的陰極剝離引起的。對于現場服役的3PE防腐蝕層，服役狀況，原料以及制備工藝參數的控制等均可能造成防腐層的剝離，進而影響其防腐效果。在實際生產中，要嚴格控制原料質量、工藝流程并加強防腐層外檢測，對于破損位置及時修復。

4 結論與建議

(1) 本次西部高強鋼管道沿線管體防腐蝕層進行檢測，共抽檢16道口。環氧粉末涂層與管體完全剝離或部分剝離的3道，占抽檢總數的18.8%。

(2) 外檢測發現的2處剝離與防腐蝕層制備過程的控制參數相關，環氧粉末固化度不滿足要求是導致剝離的主要原因，此外，這兩道口涂層的厚度，表面清潔度控制也存在一定的問題。

(3) 外檢測發現的1處剝離與施工造成的機械損傷有關，損傷位置附近防腐蝕層在較負的電位作用下發生剝離。

(4) 在實際生產中，要嚴格控制原料質量、工藝流程并加強防腐蝕層外檢測，對于破損位置及時修復。