李振军

中石油管道联合有限公司西部分公司

摘要：通过对西部高强钢管道三层聚乙烯（3PE）防腐层的现场调查、实验室微观形貌及环氧粉末涂层热变特性分析，探讨了防腐层的失效原因。结果表明：环氧粉末涂层在工厂预制时，生产线温度控制不均匀、涂覆温度过高或过低都会造成涂层与钢管发生剥离。

关键词：管道；3PE防腐层；环氧粉末涂层；剥离；分析

三层聚乙烯（3PE）防腐层是由熔结环氧粉末底层、胶黏剂中间层和聚乙烯外护层同步缠绕或挤出而成，具有优良的绝缘性能和抗机械损伤性能，在管道建设施工中损伤小、防护层稳定性好、阴极保护一次投资及运行成本低，因此得到普遍采用。3PE发生的缺陷多种多样，其中黏结力缺陷的危害最大。如果防护层有破损，则可能出现聚乙烯层剥离，剥离的聚乙烯层对阴极保护电流有强烈的屏蔽作用，并可能在屏蔽层下发生加速腐蚀。近年来，国内外均发现了管道投运后短期内3PE防腐层黏结失效的案例，以至于可以毫不费力地将涂层从管道表面剥离下来。

为掌握3PE防腐层运行现状，对某公司所辖管线的高强钢管道管体3PE防腐层进行检测，并对3PE防腐层剥离现象进行了分析，找出了3PE防腐层剥离失效的原因。

1  检测内容

（1）外观检查

对开挖处3PE外观状况进行目测检查并拍照，对于剥离的3PE防腐层，目测检查剥离防腐层内部一侧的状况并拍照。

（2）漏点检测

用电火花检漏仪对3PE防腐层的整个表面进行漏点检测，检漏电压为25 kV，以无漏点为合格，若有漏点则记录漏点数及其分布情况。

（3）防腐层厚度检测

选取管体一个截面，分别在其0点、3点、6点和9点位置进行防腐层厚度测量，每个位置至少测量3个点。

（4）剥离强度测试

按SY/T 5918―2011《埋地钢质管道外防腐层修复技术规范》附录C规定的方法进行PE与管体的剥离强度测试，观察剥离状态。

（5）环氧粉末涂层厚度检测

在3PE防腐层剥离处测量环氧粉末涂层厚度，每个剥离处至少测试3个点。

（6）环氧粉末涂层附着力检测

在管道上取均匀分布的3个点，采用刀挑法进行附着力检测。

（7）实验室分析

对发生剥离现象的3PE防腐层，带回实验室分别进行环氧粉末涂层的外观形貌分析和热变特性分析。

2  检测结果

2.1  现场开挖检测结果

被测管线2006年开工建设，2009年12月投产运营，2015年进行了管道3PE防腐层检测。检测对象为外检测发现防腐层破损处和内检测发现有缺陷处防腐层，共抽检15处。主要检测内容有3PE防腐层外观、漏点、剥离强度、黏结力和管体腐蚀情况。

（1）检测发现11处3PE防腐层整体状况良好（图 1），外观无撬剥、破损现象；采用25 kV电火花检漏，未发现漏点；聚乙烯层剥离时，剥离强度满足标准要求，环氧粉末涂层与钢管黏结性优良。

图1  整体状况良好的防腐层实况

（2）2处（X2-GZG-1和X2-WS-2）环氧粉末凃层与管体表面完全分离无黏结力；管体表面没有环氧粉末，并且光亮、无腐蚀（图 2）。

图2  完全剥离的防腐层实况

（3）2处（X3-GZG-1和X3-JH-1）3PE防腐层其环氧粉末涂层与管体黏结力降低，管体表面有部分环氧粉末；管体无腐蚀、光亮（图 3）。

图3 部分剥离的防腐层实况

2.2  实验室检测结果

（1）外观形貌分析

出现剥离的4处（X2-GZG-1、X2-WS-2、X3-GZG-1、X3-JH-1）3PE防腐层，环氧粉末涂层完全黏附在聚乙烯上。经拍照观察其宏观形貌，再用奥林巴斯LEXT4000全自动三维激光形貌仪放大观察环氧粉末涂层的三维微观形貌，结果分别见图 4（a）、（b）、（c）、（d）。

图 4  环氧粉末凃层宏观和微观形貌

从三维微观形貌看，4处环氧粉末涂层均已出现微小的点状锈蚀痕迹。从宏观形貌看，X2-WS-2(b)和X3-JH-1(d)2处环氧粉末涂层颜色较深、发黄，出现轻度焦化现象，将3PE弯曲时环氧粉末涂层出现裂纹。

（2）环氧粉末涂层热变特性分析

上述4处环氧粉末涂层，利用DSC差示扫描量热仪进行热变特性分析，分别得出如图 5 （a）、（b）、（c）、（d）所示热扫描曲线和相应的△Tg（玻璃化转变温度变化值）。

图 5  环氧粉末涂层热扫描曲线

从图 5可知，X2-GZG-1（a）、X2-WS-2（b）、X3-GZG-1（c）、X3-JH-1（d）的环氧粉末涂层△Tg分别为8.14 ℃、2.64℃、5.83℃和2.52℃。

其中X2-GZG-1和X3-GZG-1的△Tg均大于5℃（GB/T 23257—2009规定环氧粉末涂层△Tg≤5℃），不符合标准要求，显示其环氧粉末涂层固化不完全。

3  3PE剥离原因分析

3.1  运行环境

（1）过高的阴极保护电位

过高的阴极保护电位会增加涂层阴极剥离的可能性。涂层表面有破损、漏点或具有强渗透性时易导致涂层剥离。从检测结果看，未发现3PE有破损及漏点的检测处，3PE防腐层剥离后管体表面光亮，无水、无腐蚀及屏蔽产物。因此，此次检测的3PE防腐层剥离与高阴极保护电位没有直接的联系。

（2）运行温度

由于管体金属与3PE防腐层随温度变化有不同的热胀冷缩比，长期冷热交替运行后，防腐层会与管体发生剥离。本次所检测管道属正常温度运行，其剥离现象与输送介质温度的变化也没有直接关联。

3.2  原材料的质量

环氧粉末的配方非常重要，直接影响3PE底层与管道金属的黏结性能。由于无法得知环氧粉末的原始资料，本次检测的环氧粉末涂层剥离现象是否与其原材料的品质有关无法判断。

3.3  3PE防腐层预制环节

（1）表面处理

涂装前管道表面处理是提高涂层性能的关键，如表面喷砂处理等级、锚纹深度等，其次表面可溶盐含量、表面灰尘级别也会影响涂层质量，目前国内缺乏这两方面的技术要求及测试方法。

（2）涂装温度

3PE在涂装前，需要把钢管的温度加热到200 ℃以上。但温度过高，环氧粉末固化反应太快，粉末熔化不充分，成膜流平不良，和钢表面的结合力降低，在胶黏剂包覆前，环氧树脂官能团过度消耗，部分、甚至完全失去和胶黏剂的化学键结合能力。温度太高，熔结环氧层甚至可能发生轻度焦化，表现为环氧粉末层颜色变深、发黄。如此次X2-WS-2和X3-JH-1检测处，涂装预制时温度过高可能是造成这2处环氧粉末层黏结力降低而导致剥离失效的原因。

而温度偏低，环氧粉末来不及固化，严重时，会使环氧粉末层不能完全固化，而致整根管体的一段或全部丧失黏结力。此次X2-GZG-1和X3-GZG-1检测处环氧粉末层经热扫描检测发现其固化不完全，证明涂装预制时温度偏低，可能是造成这2处环氧粉末层丧失黏结力导致剥离失效的原因。

4  结论与建议

（1）本次西部高强钢管道防腐层共抽检15处，环氧粉末涂层与管体完全剥离或部分剥离的4处，占抽检总数的26.7%。

（2）发生剥离现象的4处3PE防腐层其环氧粉末涂层与钢管无黏接力。这种情况下一旦聚乙烯层破损或者开裂，导致防腐层剥离失效，管道就容易发生腐蚀。

（3）经现场检测和实验室分析，环氧粉末涂层与管体发生剥离的原因主要是防腐层预制时温度控制不均匀，温度过高或者过低而造成环氧粉末涂层与钢管黏结力降低而发生剥离。

（4）对于防腐层剥离失效严重的区域，建议加强管道外检测，以有效预防其破损或者开裂而导致管体发生腐蚀。

参考文献：

[1] 张其滨,刘金霞,赫连建峰, 等. 管道 3P E涂层的阴极剥离性能研究. 腐蚀与防护, 2006, 27( 7) : 331-333.

[2] 胡士信. 管道防腐层设计手册. 北京: 化学工业出版社, 2007: 162-164.

[3] 杜秀玲,吴希革,李楠. 浅谈埋地钢质管道阴极保护对3PE涂层的影响. 腐蚀与防护, 2007, 28( 5) : 249 -252.

[4] 廖宇平, 程书旗, 郑玉海, 穆 铎. 管道 3PE防护层的结构特点与缺陷分析及防范. 腐蚀与防护, 2006， 27( 6) :311-314.

作者：李振军，工程师，本科毕业于中国石油大学（华东），现为中石油西部管道公司管道处主管。

《管道保护》2018年第1期（总第38期）