3PE管道防腐涂層質(zhì)量控制關(guān)鍵因素分析報(bào)告

      自3PE管道防腐涂層技術(shù)開始使用，至今已有二十多年的時(shí)間。盡管3PE涂層技術(shù)呈現(xiàn)了優(yōu)異的防腐和抗機(jī)械損傷性能。但在許多國家，在用的3PE防腐層出現(xiàn)了嚴(yán)重的附著力減退問題。導(dǎo)致能夠毫不費(fèi)力地將防腐層從鋼管上剝離下來。這當(dāng)然使人們對(duì)這種防腐層預(yù)期的*腐蝕控制性能產(chǎn)生了疑問，但是并沒有確定屬于結(jié)構(gòu)性的腐蝕問題。在過去的十年里，國外報(bào)道了多起的陸上長輸管道3PE涂層失效的案例，包括墨西哥、印度、南美洲、伊朗、敘利亞和加蓬等，主要的失效形式表現(xiàn)為FBE與鋼管底材之間的整體剝離。

       年位于墨西哥東南部、管徑位24寸天熱氣管道的3PE涂層發(fā)生失效，該管道僅運(yùn)行5年，便在2008年通過內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)3處異常。為了檢測涂層系統(tǒng)的完整性，進(jìn)行了多次開挖?？偣苍u(píng)估了13處管段，發(fā)現(xiàn)有12處管段存在3PE剝離失效，絕大多數(shù)失效位于管體與FBE底漆界面，防腐的剝離照片如圖2所示。

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2009年伊朗國家石油公司曾報(bào)告一條42英寸的管道在運(yùn)行2年后，發(fā)生大面積的3LPE失效，涂層粘附力嚴(yán)重降低。沿管道135處開挖后取樣，45%的取樣點(diǎn)*失去粘附力，30%的取樣點(diǎn)僅剩很少的粘附力，僅有9.4%的取樣點(diǎn)顯示具有良好的粘附力。超過75%的粘附失效發(fā)生在FBE底漆與管體表面之間，防腐層剝離的照片如圖3所示，從圖片中可以發(fā)現(xiàn)防腐層表面存在部分污物和雜質(zhì)量。相比而言，臨近的FBE涂層管道，涂層狀況完好，未出現(xiàn)涂層失效問題。

管道在運(yùn)行過程中要求防腐涂層與管體間保持良好的粘結(jié)力，否則一旦涂層失去粘結(jié)力，潮氣就會(huì)聚結(jié)于鋼管與防腐涂層之間，導(dǎo)致涂層失去防腐功能，引起管體腐蝕，從而威脅管道運(yùn)行安全，因此涂層與管體間的良好粘接是控制管道防腐質(zhì)量的關(guān)鍵。

    3PE管道防腐涂層質(zhì)量控制關(guān)鍵因素分析報(bào)告

2 3PE管道防腐涂層的質(zhì)量控制

管道防腐是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不但涉及到防腐涂層還涉及到涂層與陰極保護(hù)的匹配性。影響管道防腐質(zhì)量的因素很多，管道防腐原材料質(zhì)量和涂敷工藝控制、管道敷設(shè)及管道運(yùn)行等諸多環(huán)節(jié)所涉及到的多種因素影響。涂層失效可能是上述原因之一引起的，也可能是其中幾個(gè)原因共同引起的。理論上講以上各環(huán)節(jié)中的任何一個(gè)控制點(diǎn)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致3PE防腐層的失效。從文獻(xiàn)報(bào)道出現(xiàn)的防腐層從鋼管表面整體剝離的情況來看，F(xiàn)BE與管體間粘接性能不佳可能是導(dǎo)致涂層整體剝離失效的主要因素。研究表明許多因素都會(huì)影響熔結(jié)環(huán)氧粉末底漆的附著力，主要包括原材料質(zhì)量、鋼管表面預(yù)處理、環(huán)氧粉末的涂敷工藝等。此外FBE涂層厚度、涂層內(nèi)應(yīng)力、管道儲(chǔ)存環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)、野蠻施工等因素也會(huì)在一定程度上影響涂層的粘接。

2.1 管道涂覆

圖4是3PE管道涂覆流程示意圖，其工藝主要包括：（1）鋼管表面氧化皮、鐵銹以及水分、油污的去除；（2）環(huán)氧粉末在經(jīng)過中頻感應(yīng)加熱的鋼管表面形成滿足標(biāo)準(zhǔn)厚度要求的粉末層，在粉末合適的膠化狀態(tài)下，中間粘結(jié)劑通過模具和擠出熔融的膠帶纏繞在粉末層表面，同時(shí)PE擠出機(jī)擠出聚乙烯帶，纏繞在中間粘結(jié)劑的表面；（3）冷卻定型，通過風(fēng)冷和水冷共同作用，形成三層PE防腐層。

管體表面處理和污染情況、固化溫度、固化時(shí)間、涂層厚度、水冷控制等各環(huán)節(jié)的控制對(duì)于影響涂層與鋼管之間粉的粘接均有不同程度的影響。

2.1.1 鋼管表面處理太差

防腐層失效，一個(gè)困難和爭議多的因素是管體表面的預(yù)處理，特別是防腐層已經(jīng)使用相當(dāng)長的時(shí)間的情況下。無論如何，一個(gè)不爭的事實(shí)是大多數(shù)防腐層失效問題是因?yàn)楸砻骖A(yù)處理不當(dāng)做成的。從現(xiàn)場剝離失效后對(duì)鋼管表面的觀察可以發(fā)現(xiàn)，失效涂層普遍存在鋼管表面處理不*的問題。表面潮濕、油污、表面清潔度、錨紋形態(tài)不合適等都會(huì)*影響涂層的粘接性能。此外，空氣中的干燥灰塵、粉塵直接落到管表面上，或落到經(jīng)過除銹的鋼管傳送設(shè)備上再間接玷污管表面，都對(duì)管表面形成了玷污，也可引起粘結(jié)力降低的問題。

涂層必須與基材形成親密的物理接觸才能實(shí)現(xiàn)良好的粘接，無論化合鍵還是次級(jí)鍵，都只發(fā)生在只有10-10m的距離內(nèi)，F(xiàn)BE熔化并與鋼鐵親密接觸的過程叫潤濕，只有充分的潤濕才有良好的附著力。FBE高溫熔化粘度很大，并且很快固化，要想充分潤濕必須要有好的前處理（去除氧化鐵皮、灰塵、油污、打出錨紋），管道一般采用噴砂或拋丸的前處理方式，不但有利于潤濕，還增大了接觸面積，影響表面張力，提高了機(jī)械結(jié)合力，附著力會(huì)顯著提高。

管體表面的噴砂除銹是表面處理質(zhì)量的關(guān)鍵。要想管體表面達(dá)到良好的處理狀態(tài)，需滿足：

• 噴砂清理形成一定角度的粗糙度，錨紋峰谷高度50um；

• 表面清理達(dá)到Sa 2.5；

• 表面無任何粉塵；

• 表面清潔度達(dá)到每平方厘米可溶鹽含量少于2微克。

但有些管體表面經(jīng)噴砂處理后，仍存在底材上磨料沒有清理干凈，鋼管表面上還殘留軋制鐵鱗和底材被灰塵、可溶鹽或者磨料污染臟了等問題。

2.1.2 管道涂覆工藝控制不當(dāng)

3PE管道涂覆是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到環(huán)氧粉末涂層與管體間的粘接，還涉及到與膠黏劑和聚乙烯層形成一個(gè)整體。管道涂覆溫度的控制，以及后續(xù)涂層的纏繞都需要良好的銜接與配合，否則也將*影響涂層的粘接效果。

（1）涂裝溫度控制不當(dāng)

鋼管防腐涂覆前一般采用中頻感應(yīng)預(yù)熱，通常要求加熱溫度達(dá)到190-230℃（根據(jù)粉末膠化的低溫度及膠化、固化時(shí)間與鋼管運(yùn)行速度的匹配來確定），以確保粘接劑中間層不發(fā)生降解退化，使環(huán)氧粉末底漆與粘接劑層相互作用并完美地粘合在一起。圖5是粉末噴涂熔融示意圖。FBE噴涂過程是一個(gè)粉末顆粒熔融、擠出錨紋內(nèi)空氣并填充到錨紋之內(nèi)然后固化粘接的過程。

如果企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本，管體的涂覆溫度達(dá)不到粉末涂覆溫度，將導(dǎo)致熔結(jié)環(huán)氧粉末無法充分流淌浸潤整個(gè)鋼管表面的錨紋，還可能會(huì)導(dǎo)致熔結(jié)環(huán)氧粉末無法充分固化，導(dǎo)致粉末與管體間無法形成佳粘接。此外，如果為了片面追求生產(chǎn)效率，通過提高管道涂覆溫度，將導(dǎo)致環(huán)氧粉末固化反應(yīng)太快，粉末來不及熔融浸潤鋼管就已經(jīng)固化了，導(dǎo)致與鋼管表面粘結(jié)不良，甚至還會(huì)到導(dǎo)致粉末焦化，*影響FBE與膠黏劑層的粘接。

（2）工藝銜接不佳

為了獲得合適的粘附性，施加膠黏劑時(shí)，F(xiàn)BE的固化需在30%-70%之間。低于30%，在固化過程中膠黏劑層會(huì)把FBE從管道表面擠走。這將引起管道和FBE底漆之間粘附失效。高于70%，F(xiàn)BE沒有足夠的未反應(yīng)點(diǎn)與膠黏劑層的氫氧根結(jié)合。這將導(dǎo)致FBE與聚烯烴層間的分離。

2.2 涂層內(nèi)應(yīng)力對(duì)剝離的影響

一般來講，3PE防腐通常采用比較厚的聚乙烯面層增強(qiáng)防腐層抗機(jī)械損傷和防水滲透的能力。但是，聚乙烯的熱膨脹系數(shù)比鋼材高十倍之多（如表1所示）且非常厚（2~6mm），在3PE涂敷過程中，將三層聚烯烴涂層材料從很高的溫度（200~250℃）急冷到60℃左右（如圖6所示），往往會(huì)因?yàn)榫垡蚁┓肿觼聿患巴ㄟ^分子熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定的聚集狀態(tài)而在涂層內(nèi)部產(chǎn)生比較高的殘余熱應(yīng)力。因?yàn)闅堄鄳?yīng)力高，造成防腐層剝離，尤其在管端截短防腐層和任何防腐層的邊上，因?yàn)檫@些是高應(yīng)力集中部位。特別是假如鋼管表面預(yù)處理不當(dāng)或工藝不匹配，就無法保證防腐層持久達(dá)到很強(qiáng)的粘合強(qiáng)度。如果FBE底漆配方選擇不當(dāng)、質(zhì)量偏差或發(fā)生熱氧化降解，也將導(dǎo)致防腐層過早失效。

通過研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力集中與FBE厚度、PE層厚度、坡口角度、FBE熱量、熱膨脹系數(shù)的差異有關(guān)。PE層厚度增加會(huì)加大FBE 與鋼管之間脫層的風(fēng)險(xiǎn)，殘余應(yīng)力在坡口處集中，坡口角度越大越容易發(fā)生涂層翹邊。

3 結(jié)論

3PE防腐層具有抗機(jī)械損傷、穩(wěn)定性好、陰極保護(hù)一次投資及運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，但防腐層與管道*粘接良好是首要前提。由于3PE涂層生產(chǎn)過程中涉及的工序較多且工藝復(fù)雜，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素較多，任何一個(gè)工序操作不當(dāng)都會(huì)影響防腐層的質(zhì)量。3PE防腐設(shè)計(jì)壽命一般都是30~50年，其*性也是以其*防腐有效為前提的，3PE防腐層的*性是*有效為前提的，是必須以嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系為保證的。因此，必須從嚴(yán)把控管道投產(chǎn)運(yùn)行之前的各個(gè)環(huán)節(jié)，以保證管道防腐質(zhì)量。

防腐層失效是一種嚴(yán)重的質(zhì)量問題，輕者嚴(yán)重影響產(chǎn)品形象，重者導(dǎo)致防腐層報(bào)廢。有的失效可以在出管崗位檢查出來，有的在發(fā)管現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)，有的要到管道建設(shè)工地才暴露問題。問題一旦產(chǎn)生，不僅修補(bǔ)極其困難，而且由于有的問題要潛伏相當(dāng)長的時(shí)間才暴露，很難防范。因此，涂層的粘接質(zhì)量問題必須在生產(chǎn)過程中予以防范和解決。