張 良，蔡 克，莫子雄，馬衛(wèi)鋒，任國(guó)琪，王 珂，任俊杰

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

美國(guó)防腐蝕工程協(xié)會(huì)指出：“正確涂覆的防腐涂層可為埋地管道提供99%的管道外保護(hù)需求，剩余的1%由陰極保護(hù)提供?！闭f(shuō)明油氣長(zhǎng)輸管道的外防腐層是確保管道安全的重要屏障[1,2]。防腐層失效會(huì)引起管道發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重導(dǎo)致管道泄漏，造成人員與財(cái)產(chǎn)損失，帶來(lái)的后果十分嚴(yán)重[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外在防腐層失效規(guī)律方面已開(kāi)展了大量的研究工作，Worsley等人[4]認(rèn)為，孔隙率是涂層耐陰極剝離的另一個(gè)重要因素，涂層中離子、水和氧等介質(zhì)的滲透性取決于孔隙率，孔隙率越高水和氧等介質(zhì)滲透率越強(qiáng)。張其濱等[5]對(duì)基材變形量和3PE防腐層的性能影響規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為剝離強(qiáng)度和陰極剝離性能會(huì)隨基材變形量的增大而增大。張金濤[6]研究了OH-離子對(duì)防腐層損傷的影響，認(rèn)為OH-的遷移會(huì)造成聚合物與金屬的粘結(jié)力降低，使與防腐層粘結(jié)的基體金屬氧化物層溶解發(fā)生氣泡、剝離。趙慶華[7]認(rèn)為管道周?chē)看蟮牡胤椒栏瘜淤|(zhì)量?jī)?yōu)于干燥處。這些研究揭示了防腐層在部分環(huán)境條件下的損傷規(guī)律，為管道腐蝕防護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。但是，關(guān)于溫度對(duì)油氣管道外防腐層性能的影響規(guī)律研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，開(kāi)展不同溫度下防腐層的損傷規(guī)律研究，對(duì)掌握防腐層失效機(jī)理，保證埋地防腐管道安全運(yùn)行有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文采用陰極剝離、剝離強(qiáng)度和附著力測(cè)試方法研究了不同溫度下防腐層的性能，總結(jié)了3PE、FBE兩種防腐層在不同溫度下的性能影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品取自國(guó)內(nèi)某防腐廠生產(chǎn)的3PE防腐層材料和FBE防腐層材料，根據(jù)GB/T 23257-2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》和SY/T 0315-2005《鋼質(zhì)管道單層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)所取的3PE防腐層和FBE防腐層材料性能作了全面檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，所取的3PE防腐層和FBE防腐層材料性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23257-2009和SY/T 0315-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 試驗(yàn)樣品性能檢驗(yàn)結(jié)果

2 防腐層損傷規(guī)律研究試驗(yàn)

1)不同溫度下3PE的剝離強(qiáng)度試驗(yàn)

在40～70 ℃下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23257-2009附錄J中的試驗(yàn)方法對(duì)3PE防腐層進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)前，先將防腐層沿環(huán)向劃開(kāi)寬度約為20 mm、長(zhǎng)10 cm左右的長(zhǎng)條，劃開(kāi)時(shí)應(yīng)劃透防腐層，并撬起一端。在試樣達(dá)到試驗(yàn)溫度后，用測(cè)力計(jì)以10 mm/min的速率垂直鋼管表面勻速拉起防腐層，記錄測(cè)力計(jì)穩(wěn)定數(shù)值。將測(cè)定時(shí)記錄的力值除以防腐層的剝離寬度，即為剝離強(qiáng)度，單位為N/cm。剝離強(qiáng)度越大，3PE防腐層抗剝離強(qiáng)度越強(qiáng)。

樣品試驗(yàn)情況及試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在40 ℃時(shí)，3PE的剝離強(qiáng)度為155 MPa，50 ℃時(shí)，剝離強(qiáng)度為137 MPa，此時(shí)3PE仍具有較好的抗剝離性能，60 ℃時(shí)，剝離強(qiáng)度降至112 MPa，70℃時(shí)剝離強(qiáng)度低至95 MPa，較40 ℃時(shí)剝離強(qiáng)度降低38.7%。說(shuō)明隨著試驗(yàn)溫度的升高，3PE防腐層的剝離強(qiáng)度明顯降低。

圖1 不同溫度下的3PE剝離強(qiáng)度試驗(yàn)

2)不同溫度下3PE的陰極剝離試驗(yàn)

采用恒溫箱將試驗(yàn)溫度控制在40～70 ℃下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23257-2009附錄D中的試驗(yàn)方法對(duì)3PE防腐層進(jìn)行陰極剝離測(cè)試[9-12]，試驗(yàn)電位為-1.5 V，試驗(yàn)溶液為3%NaCl，單次試驗(yàn)周期為48 h。試驗(yàn)結(jié)束后，取下試件并冷卻至室溫，冷卻時(shí)間不少于1 h，用小刀以試驗(yàn)孔為中心沿360°圓周的八個(gè)等分向外劃割涂層，要?jiǎng)澩阜栏瘜勇冻龌?，劃割距離至少為20 mm。從試驗(yàn)孔邊緣開(kāi)始，測(cè)量每條劃割線的剝離距離，并求出其平均值，即為該試件的陰極剝離距離。陰極剝離距離越小，防腐層抗剝離性能越強(qiáng)。

樣品試驗(yàn)情況及試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在40 ℃和50 ℃時(shí)，3PE的陰極剝離距離變化并不顯著，分別為1.68 mm和1.86 mm，溫度升高至60 ℃時(shí)，陰極剝離距離開(kāi)始發(fā)生顯著變化，60 ℃的剝離距離為2.70 mm，70 ℃時(shí)，則升高至2.92 mm，較40 ℃時(shí)陰極剝離距離增長(zhǎng)了73.8%。說(shuō)明隨著試驗(yàn)溫度的升高，3PE防腐層的抗陰極剝離性能明顯降低。

圖2 不同溫度下的3PE陰極剝離試驗(yàn)

3)不同溫度下FBE的附著力試驗(yàn)

在40～70 ℃下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0315-2005中的試驗(yàn)方法對(duì)FBE防腐層進(jìn)行拉開(kāi)法附著力測(cè)試，試驗(yàn)前將FBE防腐層加熱至試驗(yàn)溫度，隨后在涂層待測(cè)面上施加膠黏劑，膠黏劑固化后，通過(guò)拉拔式附著力測(cè)試儀對(duì)涂層進(jìn)行定量的拉拔試驗(yàn)，在于涂層底材垂直的方向上施加拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力以不超過(guò)1 MPa/s的速度穩(wěn)步增加，破壞應(yīng)從施加應(yīng)力起90 s內(nèi)完成，通過(guò)破壞截面(附著破壞)的拉力來(lái)表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。施加附著破壞應(yīng)力越大，F(xiàn)BE防腐層附著力越強(qiáng)。

樣品試驗(yàn)情況及試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)溫度在從40 ℃逐漸升高至70 ℃時(shí)，F(xiàn)BE防腐層的附著力表現(xiàn)出明顯的降低趨勢(shì)，40 ℃下的附著力為12.1 MPa，70 ℃時(shí)的附著力則為8.0 MPa，降低了34.1%。

圖3 不同溫度下的FBE附著力試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度在70 ℃時(shí)，3PE的剝離強(qiáng)度降低38.7%，陰極剝離距離增長(zhǎng)73.8%，而FBE的附著力也降低了34.1%?？梢钥闯觯S試驗(yàn)溫度升高，3PE和FBE防腐層的性能均呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，說(shuō)明溫度對(duì)防腐層的性能有明顯的影響，即隨著溫度升高，防腐層的陰極剝離性能、剝離強(qiáng)度性能及附著力均發(fā)生明顯降低，其中陰極剝離受溫度影響變化最為顯著。

4 結(jié) 論

1)在70 ℃下3PE的剝離強(qiáng)度降低38.7%，陰極剝離距離增長(zhǎng)73.8%，而FBE的附著力也降低了34.1%。

2)溫度對(duì)油氣管道外防腐層的性能有明顯的影響，即隨著溫度升高，防腐層的陰極剝離性能、剝離強(qiáng)度性能及附著力均發(fā)生明顯降低，其中陰極剝離性能受溫度影響最大。