埋地鋼質(zhì)管道3PE防腐涂層是80年代以德國(guó)為代表的歐洲國(guó)家開發(fā)并成功應(yīng)用的管道防腐技術(shù)，它由熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）底層、中間層粘結(jié)劑和聚乙烯（PE）外層所組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
其中環(huán)氧粉末涂層具有與金屬優(yōu)異的附著力和抗陰極剝離性能以及優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性和抗氧氣滲透性，聚乙烯涂層具有優(yōu)異的抗沖擊性能和抗水滲透性能。兩者通過中間層粘結(jié)劑粘接的配合而形成的復(fù)合涂層充分顯示了各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們的缺點(diǎn)。鑒于3PE涂層優(yōu)異的綜合性能使其在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，是目前國(guó)內(nèi)外大型管道工程上主流防腐結(jié)構(gòu)。
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(guó)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)期的長(zhǎng)期腐蝕控制性能產(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(guó)外報(bào)道了多起的陸上長(zhǎng)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。2010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(cè)發(fā)現(xiàn)3處異常。 為了檢測(cè)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。
2009年伊朗國(guó)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)完全失去粘附力，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。
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）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)劑通過專用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。
2.2 涂層內(nèi)應(yīng)力對(duì)剝離的影響
一般來講，3PE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)，但防腐層與管道長(zhǎng)期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，其優(yōu)越性也是以其長(zhǎng)期防腐有效為前提的，3PE防腐層的優(yōu)越性是長(zhǎng)期有效為前提的，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(chǎng)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(zhǎng)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。
來源：中國(guó)石油管道科技研究中心
