朱 琳,崔 偉,邢云穎,鐘 婷,董 亮,王修云

(1. 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，廊坊 065000； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

3PE防腐蝕層失效分析與壽命預測

朱 琳1,崔 偉2,邢云穎2,鐘 婷1,董 亮2,王修云2

(1. 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，廊坊 065000； 2. 安科工程技術研究院(北京)有限公司，北京 100083)

為了研究3PE防腐蝕層服役過程中的失效問題，采用現場測試、實驗室分析和模擬試驗等方法對服役中3PE防腐蝕層的剝離問題進行了分析，并對其壽命進行了預測。結果表明：生產過程中表面處理、環(huán)氧粉末噴涂等工藝控制不當，服役過程中防腐蝕層破損、陰極保護電位過負等環(huán)境因素，均會導致3PE防腐蝕層的剝離；同樣的電流密度下，隨著時間的延長，陰極剝離距離逐漸增加，且在試驗前期增加較快，在試驗后期增加變緩；相同時間下，施加的電流密度越高，陰極剝離距離越大，3PE防腐蝕層的特征壽命與電流密度的倒數呈指數關系。

3PE防腐蝕層；失效分析；工藝控制；陰極剝離；壽命預測

外防腐蝕層結合陰極保護技術被認為是埋地管道外部防腐的最佳方案。在眾多種類的外防腐蝕層中，3PE防腐蝕層具有超越其他防腐蝕層的物化性能、電絕緣性能及抗剝離能力，以優(yōu)異的防護性和適用性在我國管道工程中得到了廣泛應用[1-2]，是目前管道外防腐蝕技術的首選結構[3-4]。然而，由于施工質量、外力破壞、服役環(huán)境、長期使用等因素，3PE防腐蝕層會出現破損、老化，使其防腐蝕能力降低甚至失去。在破損點，管道基材受到環(huán)境介質的化學和電化學腐蝕，嚴重時導致管道穿孔，不僅妨礙安全生產、造成巨大的經濟損失，而且對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[5-7]。

本工作采用現場測試、實驗室分析等方法對服役中3PE防腐蝕層的剝離問題進行了分析，采用模擬試驗研究了涂層缺陷處陰極保護作用對其剝離的影響規(guī)律，并對其壽命進行了預測。

1 試驗

通過對服役8 a的某3PE防腐蝕輸氣管線進行現場檢測，結合實驗室分析的方法，查找致使3PE防腐蝕層剝離的關鍵因素。在現場選取6個測試點進行剝離強度測試，大部分測試點的剝離強度都小于標準要求的100 N/cm[8]，測試結果如圖1所示。為明確3PE防腐蝕層大面積剝離的根本原因，選取現場試驗管段，開展表面預處理分析、錨紋深度測試、熔結環(huán)氧固化度測試、陰極保護檢測等工作。

圖1 各測試點3PE防腐蝕層的剝離強度Fig. 1 Peel strength of 3PE anticorrosive layer at different test points

在實驗室模擬海底外部服役介質條件，對送樣3PE防腐蝕層進行了不同陰極保護電流密度及不同試驗時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程度和時間的變化規(guī)律，結合壽命預測模型對3PE防腐蝕層基于陰極剝離規(guī)律的壽命進行預測。

模擬試驗的試驗材料為某防腐廠家按照海洋防腐蝕規(guī)格書預制的3PE管段，試驗裝置如圖2所示。采用粘結電解槽法，從預制的3PE管段上切取150 mm×150 mm的方形試件，并在試件中心預制φ6.4 mm的缺陷孔，露出金屬基體。試件上方粘結外徑為100 mm的有機玻璃圓筒。試驗溶液為管道服役海域的海水模擬溶液，成分如表1所示，pH為7.74。

圖2 陰極剝離實驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of cathodic disbonding experimental apparatus

表1 海水模擬溶液的離子含量

達到測試周期后，拆除電源，用濕布擦洗防腐蝕層表面，觀察3PE防腐蝕層表面狀況，是否出現新的漏點及漏點周圍防腐蝕層剝離情況，用刨刃在防腐蝕層表面做出米字型的切口，確保防腐蝕層被完全切透至鋼材表面，用尖刀嘗試挑起防腐蝕層，并拍照記錄防腐蝕層被挑起的情況。以缺陷孔中心為起點，測量并記錄各個方向上的剝離距離。

2 結果與討論

2.1 現場檢測和實驗室分析結果

2.1.1 表面清潔度

表面處理是影響3PE防腐蝕層性能的重要因素之一，尤其是對于底漆性能的影響更大。對現場所取6處3PE防腐蝕層中靠近金屬基體一側的熔結環(huán)氧(FBE)層表面狀態(tài)進行觀察。其中，測試點2、3、6表面潔凈，基本沒有雜質存在；測試點1、4、5表面不潔凈，分布有大量黑色或黃色顆粒狀夾雜物，疑似砂土顆粒。表面潔凈和表面不潔凈兩種典型的熔結環(huán)氧表面宏觀形貌如圖3所示。

為進一步確定FBE層表面情況，對以上兩種表面形貌的FBE層進行EDS能譜分析。能譜結果顯示(圖略):表面較潔凈時，FBE層僅含有C和O元素；表面有黑色或黃色的顆粒狀夾雜物時，FBE層含有C、O、Al、Si等元素，其雜質可能以砂土為主。這表明鋼管的表面處理過程(除銹、除塵、除鹽)可能存在問題，表面清潔度較差，影響FBE層與管壁的結合，導致剝離強度較低。

2.1.2 錨紋深度

“移就”又稱“轉借”、“移狀”、“移用”，就是當甲乙兩事物連在一起時，把原來屬于甲事物的性狀詞語移用到乙事物上的一種修辭格。

防腐蝕層與金屬基體的粘結力主要是金屬間物理和化學作用的結果。一方面，表面越粗糙，表面積越大，可以咬合的防腐蝕層錨點就越多；另一方面，表面積越大，吸附氧的點增加：因此粗糙度不是越大越好，而是應該有一個最佳值。SY/T 0413-2002標準[9]規(guī)定鋼管除銹錨紋深度為50～75 μm，GB/T 23257-2009標準規(guī)定為50～90 μm，錨紋深度加深，意味著粉末量加大，補償凹陷加深的錨紋，從而增加粉末與鋼基體的剪切強度及附著力。

(a) 表面潔凈

(b) 表面不潔凈圖3 熔結環(huán)氧表面宏觀形貌Fig. 3 Macro-morphology of fusion bonded epoxy: (a) clean surface; (b) unclean surface

在現場開挖調研中，對3PE防腐蝕層的錨紋深度進行了測試，結果如圖4所示。從測試結果來看，部分區(qū)域測得的錨紋深度不高，這可能是3PE防腐蝕層剝離強度不高的一個重要原因。

圖4 現場3PE防腐蝕層的錨紋深度Fig. 4 Anchor pattern depth of 3PE anticorrosion layer in field

2.1.3 熔解環(huán)氧固化度

環(huán)氧粉末熔解、固化后形成的防腐蝕層與鋼管表面通過化學鍵聯(lián)結，其抗剝離性能很強，如果環(huán)氧粉末固化不完全，將直接影響到防腐蝕層的質量。GB/T 23257-2009標準規(guī)定環(huán)氧粉末固化度應不小于95%。對環(huán)氧粉末和熔結環(huán)氧層進行差示掃描測試(DSC)，計算熔結環(huán)氧層的固化度，測試結果如圖5和表2所示。由圖5和表2可見：現場取得的熔結環(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%，符合標準要求，固化良好。

(a) 環(huán)氧粉末

(b) 熔結環(huán)氧層圖5 差示掃描測試結果Fig. 5 Differential scanning test results of epoxy powder (a) and fusion bonded epoxy layer (b)

表2 固化度測試和計算

2.1.4 陰極保護測試

現場服役管道采用外加電流陰極保護，陰極保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)對3PE防腐蝕層剝離性能有重要影響，現場開挖點的斷電電位與剝離強度測試結果如圖6所示。由圖6可見：各點的斷電電位都正于標準要求的-1.20 V，沒有電位過負的現象；斷電電位較正或較負處，均出現剝離強度較低的現象?，F場調查發(fā)現，在3PE防腐蝕層缺陷處，防腐蝕層剝離面積遠大于防腐蝕層缺陷面積，這說明水介質的浸入和陰極保護促進了防腐蝕層的剝離。由于3PE防腐蝕層具有極好的抗水性，在防腐蝕層完好狀態(tài)下，陰極保護作用不明顯。

2.1.5 3PE防腐蝕層剝離原因分析

圖6 剝離強度與斷電電位之間的關系Fig. 6 The relationship between peel strength and off potential

將前述各項測試結果進行總結，結果如表3所示。由表3可見：對于測試點1，剝離強度滿足標準要求(>100 N/cm)，其各項測試指標也均滿足標準要求；對于測試點2、3，僅表面清潔度不滿足要求,對于測試點4、5，僅錨紋深度不滿足要求，可推斷表面清潔度和錨紋深度分別是影響測試點2、3和測試點4、5處3PE防腐蝕層剝離的主要因素；對于測試點6，陰極保護斷電電位較負，同時表面清潔度不滿足要求，不易判斷其主要因素，這種情況可采用實驗室模擬試驗進一步確定陰極保護對防腐蝕層剝離的影響。

表3 各測試點測試結果比較

對可能造成3PE防腐蝕層剝離的各類原因進行了分析，結果表明：生產過程中表面處理、環(huán)氧粉末噴涂等的工藝控制不合格是造成該案例中3PE防腐蝕層大面積剝離的直接原因，防腐蝕層破損、陰極剝離造成的影響有待進一步研究。

2.2 模擬試驗結果

(a) 13.3 mA/cm2 (b) 15.6 mA/cm2 (c) 50.0 mA/cm2

(d) 100.0 mA/cm2 (e) 156.2 mA/cm2 (f) 312.5 mA/cm2 (g) 1 562.5 mA/cm2圖7 不同電流密度下3PE防腐蝕層的陰極剝離距離隨時間的變化曲線Fig. 7 Cathodic disbondment distance vs time for 3PE anticorrosion layer at different current densities

3PE防腐蝕層在不同電流密度下陰極剝離距離隨時間的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可見：同樣的電流密度下，隨著測試時間的延長，剝離距離逐漸增加，且初始時增加幅度較大，隨時間的延長，增長速率降低；相同時間下，剝離距離隨電流密度的增大逐漸增加。不同電流密度下試驗16 d后，3PE防腐蝕層的剝離形貌如圖8所示。從圖8可見，電流密度超過100 mA/cm2時，剝離區(qū)域面積明顯增加。

(a) 13.3 mA/cm2(b) 15.6 mA/cm2(c) 50.0 mA/cm2

(d) 100.0 mA/cm2 (e) 156.2 mA/cm2 (f) 312.5 mA/cm2 (g) 1 562.5 mA/cm2圖8 不同電流密度條件下試驗16d后3PE防腐蝕層的剝離形貌Fig. 8 Stripping morphology of 3PE anticorrosion layer tested for 16d at different current densities

表4 不同標準對陰極剝離距離要求

根據材料的系列陰極剝離加速試驗可獲得材料的預期壽命，首先需要確定陰極剝離距離的評價指標。對國內外3PE防腐蝕層陰極剝離測試的相關標準進行調研，各標準對陰極剝離距離的相關要求總結如表4所示。從表4中可以看到，對于3PE防腐蝕層的陰極剝離距離，最高要求是在最高溫度長時間服役后,陰極剝離距離小于等于15 mm。因此，以防腐蝕層剝離距離達到15 mm時的時間作為防腐蝕層的特征壽命，即保守的評價指標。

根據獲得的7種不同電流密度下陰極剝離距離隨時間的變化曲線，用oringin軟件對曲線進行擬合，如圖9所示。擬合結果顯示：同一電流密度下，陰極剝離距離和測試時間滿足式(1)所示的函數關系。

(1)

式中：L為陰極剝離距離；t為試驗時間；a和b為常數。

根據擬合結果，可以計算不同電流密度下當陰極剝離距離達到15 mm時所需的時間即防腐蝕層的特征壽命，結果如表5所示。由表5可以看出，隨著電流密度的增大，3PE防腐蝕層的特征壽命逐漸降低。

(a) 13.3 mA/cm2 (b) 15.6 mA/cm2 (c) 50.0 mA/cm2

(d) 100.0 mA/cm2 (e) 156.2 mA/cm2 (f) 312.5 mA/cm2 (g) 1 562.5 mA/cm2圖9 不同電流密度下陰極剝離距離隨時間的擬合曲線Fig. 9 The fitting curves of cathodic disbondment distance vs time at different current densities

根據材料在不同陰極保護電流密度下的特征壽命值，可以建立特征壽命與加速參數之間的關系曲線。目前，常用的加速模型均以建立特征壽命與應力水平之間的線性關系為目的。最常用的加速模型包括阿倫尼斯模型和逆冪律模兩種[15]，通過對兩種模型公式變形處理，可以將壽命預測公式統(tǒng)一為

(2)

式中：ξ為特征壽命；θ(s)為與加速應力有關的函數。

表5 不同電流密度條件下3PE防腐蝕層的特征壽命

根據模擬試驗得到的不同電流密度下的特征壽命，結合壽命預測公式建立基于陰極剝離結果的預期壽命模型，電流密度和3PE防腐蝕層的特征壽命關系如圖10所示。從圖10中可以看出，特征壽命與電流密度的倒數呈線性關系，使用oringin軟件進行線性擬合，獲得壽命模型為

(3)

式中：J為電流密度。

圖10 基于陰極剝離結果的預期壽命模型Fig. 10 The life expectancy model based on the result of cathodic disbonding

根據建立的基于陰極剝離的預期壽命模型，可以獲得不同電流密度下3PE防腐蝕層剝離距離達到一定值時的特征壽命(即時間)，在實際海管陰極保護設計時，可參考此方法，以高電流密度下的特征壽命，外推獲得低電流密度下的特征壽命。

3 結論

對于現場服役的3PE防腐蝕層來講，工藝控制、施工質量、環(huán)境介質、陰極保護與交直流干擾等均可能造成3PE防腐蝕層的剝離，進而影響其防腐蝕效果。在實際生產中，要嚴格控制工藝流程、提高施工質量、加強管道巡視、保持合適的陰極保護水平并及時排除交直流干擾。

在實驗室模擬海底外部服役介質條件下，對3PE防腐蝕層進行了不同陰極保護電流密度及不同時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程度和時間的變化規(guī)律，結合壽命預測模型對3PE防腐蝕層基于陰極剝離規(guī)律的壽命進行了預測，結果表明：

(1) 同樣的電流密度下，隨著時間的增加，陰極剝離距離逐漸增加，且在試驗前期增加較快，在試驗后期增加變緩；相同時間下，施加的電流密度越高，陰極剝離距離越大；

(2) 3PE防腐蝕層在模擬服役海域海水中基于陰極剝離的特征壽命與電流密度之間滿足關系式為ξ=105.9 ln(1/J)-2.06，即3PE防腐蝕層的壽命特征與電流密度的倒數呈指數關系。

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Failure Analysis and Life Prediction for 3PE Anticorrosion Layer

ZHU Lin1, CUI Wei2, XING Yunying2, ZHONG Ting1, DONG Liang2, WANG Xiuyun2

(1. China Petroleum Pipeline Research Institute Co., Ltd., Langfang 065000, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Co., Ltd., Beijing 100083, China)

To study the failure problems of 3PE anticorrosion layer, testing on the spot, lab analysis and simulated experiments were used to study the disbondment of 3PE anticorrosion layer and predict its life. The results show that the bad processing control in the production such as surface treatment and fusion bonded epoxy (FBE) spray and the environmental factors such as coating damage and too negative cathodic protection potential caused the disbondment of 3PE anticorrosion layer. At the same current density, cathodic disbondment distance increased as the test period increased. The increase rate of cathodic disbondment distance was high at the early stage of test and was low at the late stage of test. In the same testing period, cathodic disbondment distance increased with the increase of current density and the characteristic life of the 3PE anticorrosion layer had exponent relationship with the reciprocal of current density.

3PE anticorrosion layer; failure analysis; processing control;cathodic disbondment; life prediction

10.11973/fsyfh-201708016

2016-10-08

邢云穎(1988-)，工程師，碩士,主要從事氫脆與失效分析、防腐層方向的研究工作,13811915141， cuiwei@ankosri.com

TG172.4

A

1005-748X(2017)08-0650-07