任春霞，王 晨，李佳威

（1.寶雞石油輸送管有限公司，陜西 寶雞721008;2.西安科技大學 化學與化工學院，西安710054）

3PE防腐管道防腐層剝離因素及控制措施

任春霞1，王 晨1，李佳威2

（1.寶雞石油輸送管有限公司，陜西 寶雞721008;2.西安科技大學 化學與化工學院，西安710054）

為了延長3PE防腐管道的服役壽命，針對防腐層剝離這一重要影響因素，分析了導致3PE防腐層發(fā)生剝離的鋼管表面處理、環(huán)氧粉末性能、環(huán)氧粉末噴涂、膠粘劑和聚乙烯的纏繞、3PE防腐層的冷卻及3PE防腐管使用環(huán)境等因素。在分析結果的基礎上，提出了一些防腐鋼管生產及檢測等控制措施，措施包括增加環(huán)氧粉末涂料性能檢測指標、提高鋼管表面處理的灰塵度等級、關注鋼管表面處理后的錨紋形貌和環(huán)氧粉末噴涂時壓縮空氣的質量、增加熔結環(huán)氧粉末涂層附著力測試方法以及3PE防腐層的熱水浸泡和凍融循環(huán)試驗等。

焊管；3PE防腐層剝離；附著力；3PE涂敷控制

Abstract:In order to prolong service life of 3PE anticorrosion pipeline,in view of the important influence factor of anticorrosion layer stripping,it analyzed some factors caused 3PE anticorrosion layer stripping,such as steel pipe surface treatment,epoxy powder performance,epoxy powder coating,adhesive and polyethylene winding,3PE anticorrosive coating cooling,the using environment of 3PE anticorrosion pipe,and so on.Based on analysis results,some production and detection control measures of anticorrosion pipeline were put forward,including increasing epoxy powder coating performance indicators,improving the dust grade of steel pipe surface treatment,focus on the anchor grain morphology after steel pipe surface treatment,as well as compressed air quality in epoxy powder spraying,increasing the epoxy powder coating adhesion force test method,increasing hot-water soak of 3PE anticorrosion coating and freez-thaw cycle test.

Key words:welded pipe;3PE anticorrosion coating layer disbondment;adhesion force;3PE coating control

自3PE防腐層技術20世紀90年代引進到我國至今，在我國應用已有20余年的歷史。3PE防腐層把熔結環(huán)氧粉末優(yōu)越的附著力和抗腐蝕性能與聚乙烯優(yōu)越的抗機械損傷、防水滲透特性很好地結合在一起，是目前世界上發(fā)展最快、應用最廣泛的外防腐層之一，被廣泛應用在石油天然氣長距離輸送管道上。

3PE防腐管道在延長管道使用壽命方面發(fā)揮了巨大的作用。然而，近年來，人們在已建的3PE管道上，發(fā)現(xiàn)不同程度的防腐層剝離問題，有輸氣管道、輸油管道；有運行溫度比較高的管道，也有運行溫度比較低的管道。報告的案例有的發(fā)生在國外，如印度、法國、敘利亞、挪威等，國內在管道改線時也發(fā)現(xiàn)了防腐層剝離現(xiàn)象。3PE防腐層剝離問題已經引起了人們對3PE防腐層應用的關注。

1 3PE防腐管道防腐層剝離情況概述

理想的3PE防腐層應當有效地防止管道的腐蝕，防腐層應至少在管道設計壽命內能達到防護鋼管腐蝕的作用。但近幾年來，頻頻報出使用年限僅十幾年甚至幾年的3PE防腐管發(fā)生剝離的案例。3PE防腐層發(fā)生剝離后的最大問題是產生陰極屏蔽，會使保護電流偏離他們原有的理想通道，結果陰極保護電流就無法充分保護鋼管，使陰極保護失去了對防腐層損傷部位的保護作用。

伊朗國家天然氣公司對3PE防腐層管道進行過一次問題調查，大約45%的防腐層與鋼管完全失去了附著力，而大約55%顯示熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間的附著力已經失去75%以上，沒有發(fā)現(xiàn)聚乙烯層與膠粘劑層之間發(fā)生分層剝離問題，只有2%顯示膠粘劑層與熔結環(huán)氧粉末層之間已經失去了附著力，剝離情況如圖1所示。

圖1 國外某管道防腐層剝離案例

這一調查結果表明，3PE防腐層各層之間的粘合力是很強的，熔結環(huán)氧粉末層、膠粘劑層和聚乙烯層形成了一個整體，各防腐層之間的粘結強度比第一層熔結環(huán)氧粉末層與鋼管之間的粘結強度更強。國內報道的3PE防腐管道發(fā)生剝離的案列也是主要發(fā)生在熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間，剝離情況如圖2所示。

圖2 國內某管道防腐層剝離案例

從國內外的案例來看，熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間的部位是3PE防腐層發(fā)生剝離的主要部位。但是，從多年3PE防腐管的生產經歷來看，在生產車間，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)過熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間發(fā)生剝離的現(xiàn)象，而且粘結的很牢靠。在處理生產過程中的廢管時，從沒有發(fā)現(xiàn)在剝離掉外層聚乙烯過程中發(fā)生熔結環(huán)氧粉末層脫落的現(xiàn)象，并且通過拋砂丸除掉鋼管表面的熔結環(huán)氧粉末層很困難，要反復幾遍才能處理干凈，這一現(xiàn)象說明，熔結環(huán)氧粉末對鋼管的粘結力還是很強的。然而使用一段時間后，又很容易發(fā)生熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面的剝離，表明熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間的附著力隨著時間的推移，產生了失效，分析3PE防腐層剝離就是要分析出哪些因素會導致或影響附著力失效，并加以預防和控制，以減緩熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間的附著力失效速度。

2 3PE防腐層剝離因素分析

2.1 3PE防腐層的涂敷控制

在3PE防腐層涂敷控制方面，可以從3PE防腐層涂敷工藝分析，影響熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面之間附著力的因素有：鋼管表面處理、環(huán)氧粉末性能、環(huán)氧粉末噴涂、膠粘劑和聚乙烯的纏繞及冷卻。3PE防腐層涂敷工藝流程如圖3所示。

圖3 鋼管3PE防腐層涂敷工藝流程

2.1.1 鋼管表面處理

在涂敷3PE防腐層前，要對鋼管表面進行處理，處理的目的是為了清除鋼管表面的氧化皮、鐵銹和焊渣等，獲得清潔和有一定粗糙度的表面，從而提高熔結環(huán)氧粉末層對鋼管表面的附著力。鋼管表面要求除銹等級達到Sa2.5級，錨紋深度達到50～90 μm，灰塵度不低于2級，鹽分含量不超過2 μg/cm2。從鋼管表面處理的經驗來看，除銹等級和錨紋深度一般不會存在問題，在內地，鹽分含量也不超標，只有灰塵度是一個較難控制的因素?；覊m度等級的評價是以含有灰塵的數量多少和大小來確定，共分為5個等級。而且，灰塵顆粒的成分也很復雜，有可能含有油分、水分等，當鋼管表面附著較多的灰塵顆粒時，就會對熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面的附著力產生影響。

2.1.2 環(huán)氧粉末性能

在影響熔結環(huán)氧粉末層與鋼管表面附著力的因素中，環(huán)氧粉末的性能是最主要的。環(huán)氧粉末之所以能與鋼管表面有很強的附著力，是因為其結構中含有高極性和活性的環(huán)氧基，能與鋼材中的鐵離子形成很強的化學鍵；環(huán)氧粉末是由環(huán)氧樹脂、固化劑、顏料和添加劑等成分組成，所以這些成分的性能，比如含有環(huán)氧基的多少、位置、固化劑的類型等都能影響熔結環(huán)氧粉末與鋼管表面形成化學鍵的強度和密度。

2.1.3 環(huán)氧粉末噴涂

（1）鋼管溫度。在3PE防腐層體系中，環(huán)氧粉末一般采用靜電噴涂法，噴涂環(huán)氧粉末之前，需要將鋼管加熱到適宜的溫度范圍，使粉末一接觸即熔化，余熱使涂膜繼續(xù)流動，進一步流平覆蓋整個鋼管表面，特別是錨紋凹陷處以及焊縫兩側，使涂層與鋼管緊密結合，最大限度地減少孔隙。圖4所示為鋼管表面的錨紋形貌，鋼管與涂層粘結面如圖5所示。在這一環(huán)節(jié)，鋼管的加熱溫度范圍控制很重要，溫度過高，環(huán)氧粉末的流平不好，涂膜不能充分與鋼管表面接觸，形成的涂層與鋼管表面的附著力就不強；溫度過低，環(huán)氧粉末固化不完全，形成的涂層致密度不夠。

（2）壓縮空氣質量。環(huán)氧粉末噴涂是采用壓縮空氣傳送的，壓縮空氣的質量直接影響涂層的附著力。2006年我公司生產的印度管線，要求壓縮空氣的常壓露點溫度為-40℃，壓縮空氣的露點溫度越低，說明空氣越干燥。國內的3PE防腐沒有對壓縮空氣的露點溫度做出要求，若壓縮空氣中含有水分，在高溫下汽化，就會在環(huán)氧粉末涂層上產生孔隙，降低涂層的附著力，涂層的孔隙率如圖6所示。

圖4 鋼管表面錨紋形貌

圖5 鋼管與涂層粘結面

圖6 3PE涂層的孔隙率

2.1.4 膠粘劑和聚乙烯的纏繞及冷卻

目前，尚無報道在單純采用熔結環(huán)氧粉末涂層的管道上發(fā)生涂層剝離的案例，但曾有這樣一個試驗，有兩條相似的管道都處于相同的使用環(huán)境條件下，采用200～300 μm厚單環(huán)氧涂層，涂層附著力都沒失效，而在環(huán)氧粉末厚度相同的3PE管道上熔結環(huán)氧粉末層卻失去了附著力。從這一試驗結果來看，在3PE防腐層中，膠粘劑和聚乙烯的纏繞及冷卻也會對熔結環(huán)氧粉末層的附著力產生影響。推測原因可能是熔結環(huán)氧粉末層、膠粘劑層、聚乙烯層及鋼材的熱膨脹系數不同，由加熱和冷卻過程中產生的殘余應力引起的。

2.2 3PE防腐管的使用環(huán)境

埋地3PE防腐管所處的地理環(huán)境、環(huán)境溫度、運行介質溫度、承受的壓力、運行情況以及鋼管規(guī)格等因素也是3PE防腐層剝離不可忽視的因素。這些因素主要是3PE防腐管受到溫度變化、壓力變化時所受到的應力和熱脹冷縮造成的。3PE防腐層之所以能夠附著在鋼管表面，主要是第一層熔結環(huán)氧粉末的粘結強度，假如作用在防腐層的引力超過了其粘結強度，就會發(fā)生剝離。

3 3PE防腐層剝離的控制措施及建議

3.1 增加環(huán)氧粉末涂料性能檢測指標

為了控制環(huán)氧粉末性能的穩(wěn)定性，建議在環(huán)氧粉末涂料性能檢測中增加紅外光譜掃描的復檢項目，紅外光譜主要是進行定性（鑒別化合物）和對比分析（對不同批次的材料進行對比分析），以此檢驗項目控制環(huán)氧粉末成分的穩(wěn)定性。另一個需要關注的是潮濕環(huán)境中熔結環(huán)氧粉末層的附著力性能，熔結環(huán)氧粉末層的長期附著力保持是影響3PE防腐管壽命的關鍵性能，埋地鋼制3PE防腐管在長期的埋地環(huán)境中，水分的滲透對熔結環(huán)氧粉末層附著力的影響也是一個不能忽視的因素。所以，環(huán)氧粉末生產廠家對環(huán)氧粉末在潮濕環(huán)境中的性能應加以關注。

3.2 提高鋼管表面處理的灰塵度等級

鋼管表面的灰塵一方面是拋丸除銹不徹底造成的，當磨料循環(huán)量過小時，會出現(xiàn)拋丸后鋼管表面灰塵度過大；另一方面是由于拋丸除銹的磨料是循環(huán)使用，循環(huán)磨料中的灰塵被提升機提升到除銹機頂部的分離器中，分離器將磨料形成均勻的砂幕，高速空氣穿透砂幕，帶走磨料中的細微顆粒、灰塵，實現(xiàn)磨料的除塵，若循環(huán)磨料中的灰塵量大于分離器的能力時，循環(huán)磨料中的灰塵就會污染鋼管表面，造成鋼管表面灰塵過大。另外，鋼管從表面處理后到噴涂環(huán)節(jié)，輸送輥道、臺架、周圍環(huán)境也可給鋼管表面帶來灰塵污染。解決鋼管表面灰塵度大的措施包括采用雙打砂工藝、對循環(huán)磨料的質量進行定期監(jiān)控、保持鋼管涂敷前輸送輥道、臺架和周圍環(huán)境清潔等。

3.3 關注鋼管表面處理后的錨紋形貌

鋼管表面處理后的錨紋深度要求達到50～90 μm，筆者認為還應關注一下錨紋的形貌，特別是錨紋峰（谷）的密度。相同大小的表面積，錨紋峰（谷）的密度越大，噴涂環(huán)氧粉末后，環(huán)氧涂層與鋼管表面的接觸面積就越大，涂層的附著力就會越強。

3.4 關注環(huán)氧粉末噴涂時壓縮空氣的質量

用于環(huán)氧粉末噴涂的壓縮空氣必須干燥，若壓縮空氣中含有水分，環(huán)氧粉末熔融后形成的熔結環(huán)氧涂層中就會因水分揮發(fā)而產出較多的孔隙，從而降低熔結環(huán)氧粉末涂層與鋼管的附著力。雖然在國內的3PE標準中，對壓縮空氣沒有做要求，但是在3PE涂敷時，要特別關注壓縮空氣的質量，生產前要檢查空壓機、冷干機、吸干機是否正常運行，按期對空壓機、冷干機、吸干機進行檢維修，定期對冷干機加注冷媒、吸干機更換填料、儲氣罐及管道過濾器進行排水，確保使用高質量的壓縮空氣。

3.5 增加熔結環(huán)氧粉末涂層附著力測試方法

熔結環(huán)氧粉末有很高的粘結性，在生產中通常用小刀測試法測試熔結環(huán)氧粉末涂層的附著力。小刀試驗法是用小刀剝離掉涂層，以剝離的多少和難易程度來評價涂層的附著力，小刀試驗法快捷簡單，但是它只能檢測粘結不牢的涂層，不能作為附著力好的涂層的評價方法。因此，建議增加熔結環(huán)氧粉末涂層附著力檢測方法。

在工藝評定試驗中增加熔結環(huán)氧粉末涂層在（75±3）℃下48 h的附著力測試，此方法可以檢測在高溫潮濕環(huán)境中環(huán)氧粉末涂層的附著力。另外，在工藝評定試驗中增加熔結環(huán)氧粉末涂層孔隙率檢測項目。通過粘結面孔隙率的測試可以從微觀方面了解熔結環(huán)氧粉末涂層與鋼管表面的粘結情況。通過斷裂面孔隙率測試可以從微觀方面了解熔結環(huán)氧粉末涂層在厚度方向上孔隙的多少，粘結面、斷裂面孔隙多，可能為熔結環(huán)氧涂層長期附著力減退埋下隱患。

3.6 增加3PE防腐層的熱水浸泡和凍融循環(huán)試驗

防腐廠對剛完成的3PE防腐層進行附著力評價，但是這樣的結果未必是防腐層長期性能的可靠指標。據報道，在埋地管道坑里測試的附著力與防腐廠測定的附著力有差異，這樣的附著力變化是因為防腐層吸收了周圍的水分而與施工現(xiàn)場的土壤和大氣環(huán)境相平衡造成的。ISO 21809-1:2011標準要求對 3PE防腐層進行（80±3）℃下48 h熱水浸泡試驗，以此來檢測3PE防腐層在高溫飽和水情況下的附著力性能。

凍融循環(huán)試驗是將3PE防腐層試樣在-60℃條件下保持8 h，在23℃的水中保持15 h，在室溫下風干1 h，按照這樣的周期進行10個循環(huán)。性能指標要求是防腐層邊緣無深度達2 mm以上的剝離為合格。

經過熱水浸泡和凍融循環(huán)試驗的3PE防腐管就能很好地經受埋地使用環(huán)境，因埋地3PE防腐管的現(xiàn)場環(huán)境是不可變的，只有通過提高防腐層的附著力來減少這種因素的不利影響。

4 結束語

綜上所述，3PE防腐層發(fā)生剝離是熔結環(huán)氧粉末涂層發(fā)生附著力減退失效產生的，只有對影響附著力減退的可能因素進行分析研究，找到在3PE防腐層涂敷過程中影響防腐層附著力減退的因素并加以控制，才能保證3PE防腐層體系在管道外防腐領域的領先地位。

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Stripping Factors and Control Measures of 3PE Pipeline Anticorrosion Coating

REN Chunxia1,WANG Chen1,LI Jiawei2
（1.Baoji Line Pipe Company of BSG Group,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China ）

TG155.5

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.011

2016-11-18

編輯：黃蔚莉

任春霞（1967—），女，工程師，長期從事鋼管內外防腐加工工作。