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3PE管道防腐涂層質(zhì)量控制關(guān)鍵因素分析報告
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間。盡管3PE涂層技術(shù)呈現(xiàn)了優(yōu)異的防腐和抗機械損傷性能。但在許多國家,在用的3PE防腐層出現(xiàn)了嚴重的附著力減退問題。導致能夠毫不費力地將防腐層從鋼管上剝離下來。這當然使人們對這種防腐層預期的*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,進行了多次開挖??偣苍u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告一條42英寸的管道在運行2年后,發(fā)生大面積的3LPE失效,涂層粘附力嚴重降低。沿管道135處開挖后取樣,45%的取樣點*失去粘附力,30%的取樣點僅剩很少的粘附力,僅有9.4%的取樣點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,潮氣就會聚結(jié)于鋼管與防腐涂層之間,導致涂層失去防腐功能,引起管體腐蝕,從而威脅管道運行安全,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)鍵因素分析報告
2 3PE管道防腐涂層的質(zhì)量控制
管道防腐是一個系統(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,也可能是其中幾個原因共同引起的。理論上講以上各環(huán)節(jié)中的任何一個控制點出現(xiàn)問題都有可能導致3PE防腐層的失效。從文獻報道出現(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致涂層整體剝離失效的主要因素。研究表明許多因素都會影響熔結(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)應力、管道儲存環(huán)節(jié)控制不嚴、野蠻施工等因素也會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)過中頻感應加熱的鋼管表面形成滿足標準厚度要求的粉末層,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PE擠出機擠出聚乙烯帶,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、固化時間、涂層厚度、水冷控制等各環(huán)節(jié)的控制對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,一個困難和爭議多的因素是管體表面的預處理,特別是防腐層已經(jīng)使用相當長的時間的情況下。無論如何,一個不爭的事實是大多數(shù)防腐層失效問題是因為表面預處理不當做成的。從現(xiàn)場剝離失效后對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*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現(xiàn)良好的粘接,無論化合鍵還是次級鍵,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,提高了機械結(jié)合力,附著力會顯著提高。
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;
表面清理達到Sa 2.5;
表面無任何粉塵;
表面清潔度達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
3PE管道涂覆是一個系統(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
鋼管防腐涂覆前一般采用中頻感應預熱,通常要求加熱溫度達到190-230℃(根據(jù)粉末膠化的低溫度及膠化、固化時間與鋼管運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,管體的涂覆溫度達不到粉末涂覆溫度,將導致熔結(jié)環(huán)氧粉末無法充分流淌浸潤整個鋼管表面的錨紋,還可能會導致熔結(jié)環(huán)氧粉末無法充分固化,導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,將導致環(huán)氧粉末固化反應太快,粉末來不及熔融浸潤鋼管就已經(jīng)固化了,導致與鋼管表面粘結(jié)不良,甚至還會到導致粉末焦化,*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,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沒有足夠的未反應點與膠黏劑層的氫氧根結(jié)合。這將導致FBE與聚烯烴層間的分離。
2.2 涂層內(nèi)應力對剝離的影響
一般來講,3PE防腐通常采用比較厚的聚乙烯面層增強防腐層抗機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),往往會因為聚乙烯分子來不及通過分子熱運動達到穩(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力。因為殘余應力高,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,因為這些是高應力集中部位。特別是假如鋼管表面預處理不當或工藝不匹配,就無法保證防腐層持久達到很強的粘合強度。如果FBE底漆配方選擇不當、質(zhì)量偏差或發(fā)生熱氧化降解,也將導致防腐層過早失效。
通過研究發(fā)現(xiàn),殘余應力集中與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層厚度增加會加大FBE 與鋼管之間脫層的風險,殘余應力在坡口處集中,坡口角度越大越容易發(fā)生涂層翹邊。
3 結(jié)論
3PE防腐層具有抗機械損傷、穩(wěn)定性好、陰極保護一次投資及運行成本低的優(yōu)點,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雜,影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素較多,任何一個工序操作不當都會影響防腐層的質(zhì)量。3PE防腐設(shè)計壽命一般都是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,是必須以嚴格的質(zhì)量控制體系為保證的。因此,必須從嚴把控管道投產(chǎn)運行之前的各個環(huán)節(jié),以保證管道防腐質(zhì)量。
防腐層失效是一種嚴重的質(zhì)量問題,輕者嚴重影響產(chǎn)品形象,重者導致防腐層報廢。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,不僅修補極其困難,而且由于有的問題要潛伏相當長的時間才暴露,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。