油氣管道防腐材料檢測現(xiàn)狀分析及建議

劉國豪 宋麗蕓 趙一樺 張文明 喬延飛 李東陽

（1. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究總院分公司，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市運通政和管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；3. 中國石油長慶油田第一采氣廠，陜西 榆林719000；4. 廊坊市科發(fā)管道技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

在共建“一帶一路”倡議框架下，“全國一張網(wǎng)”的油氣管道建設(shè)正在迅猛進(jìn)行。截至2022年底，油氣管網(wǎng)總里程數(shù)已達(dá)到18萬公里，成為我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和造福民生的主動脈。但近年來，在役油氣管道腐蝕和泄漏問題屢見不鮮，已引起社會普遍關(guān)注[1]。

防腐層作為油氣管道防腐最重要的一道防線，其防腐材料的優(yōu)劣直接關(guān)系到油氣管道長期安全運行和使用壽命[2]。因此，為有效控制油氣管道防腐材料的質(zhì)量，進(jìn)一步保障油氣管道的輸送安全，對油氣管道防腐材料的檢測現(xiàn)狀進(jìn)行分析具有重要意義。作為國內(nèi)油氣管道防腐領(lǐng)域主要的檢測機構(gòu)，本文以多年檢測經(jīng)驗和材料物性指標(biāo)為基礎(chǔ)，總結(jié)了國內(nèi)外油氣管道防腐材料依據(jù)的主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，重點分析了六類油氣管道防腐材料的檢測現(xiàn)狀，并給出了防腐材料質(zhì)量提升的相關(guān)建議。

1 油氣管道防腐材料檢測標(biāo)準(zhǔn)

目前，鋼質(zhì)油氣管道防腐層大體可以分為熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層、聚乙烯防腐層和液體涂料防腐層等，涉及的防腐材料主要有聚乙烯、膠粘劑、環(huán)氧粉末、熱收縮帶（套）、膠粘帶及液體涂料等六大類。油氣管道防腐材料主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 油氣管道防腐材料主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

2 油氣管道防腐材料檢測現(xiàn)狀及建議

2.1 聚乙烯及防腐層

聚乙烯是一類熱塑性樹脂，由乙烯單體聚合而成[3]。聚乙烯防腐層主流為三層結(jié)構(gòu)，通常為環(huán)氧粉末底層、膠粘劑中間層和聚乙烯外層[4]。目前，聚乙烯專用料和聚乙烯防腐層的主要檢測項目如表2所示。

表2 聚乙烯專用料和聚乙烯防腐層的主要檢測項目

隨機統(tǒng)計了43家原材料生產(chǎn)廠家共81批次聚乙烯及防腐層的檢測結(jié)果，不合格17批次，不合格率高達(dá)21.0%。其中，不合格率最高的三項依次為剝離強度（4批次）、拉伸強度/斷裂伸長率（3批次）、氧化誘導(dǎo)期（3批次），單項不合格率分別為4.9%、3.7%、3.7%。

通過分析發(fā)現(xiàn)，聚乙烯防腐層剝離強度不合格時，主要剝離破壞形式為聚乙烯層斷裂或聚乙烯層被拉伸后斷裂，而非產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)聚破壞，相應(yīng)地拉伸強度/斷裂伸長率數(shù)值也往往低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，這說明聚乙烯原材料自身性能差。進(jìn)一步分析同批次聚乙烯其他測試指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，炭黑含量往往在3.0%以上，盡管滿足GB/T 23257-2017等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≥2%要求，但灰分含量同時也多在2.5%以上，意味著炭黑含量測定值可能高于實際值。這說明生產(chǎn)企業(yè)為了節(jié)約成本，在原材料內(nèi)可能添加了部分聚乙烯回收料，也可能是加入了過量的碳酸鈣等無機填料，一定程度上損失了韌性和拉伸性能。建議產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中增加聚乙烯灰分含量的控制指標(biāo)，避免廠家為降低生產(chǎn)成本，過量添加回收料及無機填料等。

氧化誘導(dǎo)期主要考察材料耐氧化分解的能力，傳統(tǒng)意義上是指耗盡物料中抗氧劑所持續(xù)的時間[5]。氧化誘導(dǎo)期不合格說明聚乙烯極易在熱、氧作用下發(fā)生熱氧老化反應(yīng)，直接影響使用壽命，建議對不同抗氧劑類型和用量進(jìn)行研究，優(yōu)化配方設(shè)計，進(jìn)一步提升聚乙烯的熱氧穩(wěn)定性。

2.2 膠粘劑

膠粘劑主要用于二層聚乙烯防腐層的底層和三層聚乙烯防腐層的中間層。目前膠粘劑主要檢測密度、熔體流動速率、維卡軟化點、脆化溫度、氧化誘導(dǎo)期、含水率和拉伸強度等項目。

隨機統(tǒng)計了9家原材料生產(chǎn)廠家共37批次膠粘劑的檢測結(jié)果，所有批次均合格，合格率達(dá)100%。近年來，膠粘劑的質(zhì)量一直比較穩(wěn)定，是防腐材料行業(yè)最讓人放心的細(xì)分產(chǎn)品。這源于膠粘劑行業(yè)的高度集中，龍頭企業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定，帶動了整個細(xì)分行業(yè)質(zhì)量水平提升。

2.3 環(huán)氧粉末及防腐層

熔結(jié)環(huán)氧粉末主要由環(huán)氧樹脂、固化劑、填料及助劑組成，通過加熱熔融固化工藝粘附在金屬基材表面上[6]。熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層以單層涂層和雙層涂層為主，雙層涂層由底層和面層熔結(jié)環(huán)氧粉末順序噴涂、一次成膜，具有良好的耐腐蝕性能和機械性能[7]。目前，環(huán)氧粉末及防腐層的主要檢測項目如表3所示。

表3 環(huán)氧粉末及防腐層的主要檢測項目

隨機統(tǒng)計了67家原材料生產(chǎn)廠家共258批次環(huán)氧粉末及防腐層的檢測結(jié)果，不合格77批次，不合格率高達(dá)29.8%。其中，不合格率最高的三項依次為粉末熱特性（23批次）、密度（19批次）、粒徑分布（15批次），單項不合格率分別為8.9%、7.4%、5.8%。

粉末熱特性指標(biāo)是環(huán)氧粉末涂料最重要的技術(shù)指標(biāo)，主要包括反應(yīng)放熱量（ΔH）和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg2）[8]。其中，放熱量ΔH代表涂層的反應(yīng)活性和交聯(lián)程度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg2）代表環(huán)氧粉末涂層的耐熱程度，即涂層適用的最高溫度[9]。熱特性參數(shù)對確保粉末涂料及最終涂層性能至關(guān)重要，建議盡量選擇玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高的環(huán)氧樹脂、適當(dāng)降低顏基比來改進(jìn)粉末涂料熱特性。另外分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧粉末的反應(yīng)放熱量（ΔH）受貯存時間影響較大，隨貯存時間的延長而衰減，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)盡可能縮短貯存期。

環(huán)氧粉末的密度和粒徑分布都對粉末的涂裝施工性能極其重要，直接影響上粉性能、流平性、穩(wěn)定性和回收利用率，進(jìn)而影響環(huán)氧粉末涂層厚度和涂層防腐效果。環(huán)氧粉末的密度主要取決于環(huán)氧樹脂的含量，建議廠家適當(dāng)調(diào)整平衡環(huán)氧樹脂的含量。粒徑分布控制的關(guān)鍵是超大粒徑要盡量小，超小粒徑同時也要控制在適宜范圍內(nèi)，粉末過粗或過細(xì)都不可取，建議生產(chǎn)廠家通過涂料配方和研磨參數(shù)調(diào)整來控制粒徑分布。

2.4 熱收縮帶（套）

三層聚乙烯防腐層的補口防腐蝕層材料一般為聚乙烯熱收縮帶（套），每一牌號的熱收縮帶（套）有與其配套的環(huán)氧底漆。防腐補口是管道腐蝕防護系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，直接影響管道平穩(wěn)安全運行和服役年限。目前，聚乙烯熱收縮帶（套）的主要檢測項目如表4所示。

表4 聚乙烯熱收縮帶（套）的主要檢測項目

隨機統(tǒng)計了18家原材料生產(chǎn)廠家共43批次補口熱收縮帶（套）的檢測結(jié)果，不合格4批次，不合格率為9.3%。補口熱收縮帶（套）的不合格項目主要為拉伸屈服強度（2批次）、氧化誘導(dǎo)期（2批次），單項不合格率均為4.7%。

拉伸屈服強度與相對分子質(zhì)量、密度、結(jié)晶度等指標(biāo)相關(guān)，主要表征材料抵抗塑性變形的能力。建議通過聚乙烯改性提高其力學(xué)性能，并嚴(yán)格控制回填料的使用。氧化誘導(dǎo)期不合格反映了材料熱氧穩(wěn)定性差，可以通過增加抗氧劑含量提高該性能。

2.5 膠粘帶

聚乙烯膠粘帶常作為聚乙烯膠粘帶防腐層管道的補口材料，底漆由膠粘帶供貨商配套提供。目前，聚乙烯膠粘帶主要檢測基膜拉伸強度、剝離強度、體積電阻率、吸水率、水蒸氣滲透率、耐熱老化等項目。

隨機統(tǒng)計了32家原材料生產(chǎn)廠家共60批次補口膠帶的檢測結(jié)果，不合格6批次，不合格率為10.0%。不合格項目主要為吸水率（3批次）、剝離強度（3批次），單項不合格率均為5.0%。

吸水率和剝離強度對膠粘帶產(chǎn)品的質(zhì)量控制至關(guān)重要，直接影響補口膠帶的粘接和防腐效果。吸水率高會導(dǎo)致補口材料在一定程度上變形，進(jìn)而粘結(jié)失效；剝離強度低，說明補口膠粘帶的粘接性不好，后期極易防腐失效。建議生產(chǎn)廠家進(jìn)行材料改性，另外施工時著重關(guān)注補口膠帶跟背材之間的粘結(jié)。

2.6 液體涂料及防腐層

單（雙）層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層管道補口最常用的液體涂料為液體環(huán)氧涂料，這是由于其分子結(jié)構(gòu)中含有的羥基較多，對金屬的親和力強，附著力好。目前，液體涂料及防腐層的主要檢測項目如表5所示。

表5 液體涂料及防腐層的主要檢測項目

隨機統(tǒng)計了29家原材料生產(chǎn)廠家共57批次液體環(huán)氧涂料及防腐層的檢測結(jié)果，不合格5批次，不合格率為8.8%。不合格項目主要為附著力（3批次）、耐沖擊性（2批次），單項不合格率分別為5.3%、3.5%。

可以看出，液體環(huán)氧涂料本身的物性指標(biāo)都合格，不合格項目主要集中在成膜后的涂層性能。液體環(huán)氧涂料涂裝時，對底材、施工環(huán)境要求較高，施工條件會直接影響防腐涂層質(zhì)量[10]。建議對底材預(yù)處理時，嚴(yán)格達(dá)到底材表面的清潔度要求；另外，液體環(huán)氧涂料涂敷時，環(huán)境溫度及濕度條件也要滿足施工規(guī)范要求，避免在底材表面形成肉眼不可見的薄水膜，從而影響涂層的附著力和耐沖擊性。

3 結(jié)語

油氣管道的防腐質(zhì)量受很多因素影響，如防腐材料性能、施工工藝、施工環(huán)境等，任何環(huán)節(jié)的控制和對接出現(xiàn)問題，都會直接影響管道后期的安全運行。而優(yōu)質(zhì)防腐材料的篩選是管道建設(shè)的首要環(huán)節(jié)，也是保障管道防腐質(zhì)量重要的基石。作為管道防腐材料的檢測部門，要進(jìn)一步挖掘檢測大數(shù)據(jù)價值，進(jìn)一步研究防腐材料成分、加工工藝等與關(guān)鍵性能參數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)好行業(yè)的監(jiān)督員和吹哨人，努力提升行業(yè)質(zhì)量水平。