管道防腐层的剥离

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1、管道防腐层的剥离管道防腐层的剥离 2010年11月02 日重要提醒：系统检测到您的帐号可能存在被盗风险，请尽快查看风险提示，并立即修改密码。 | 关闭 网易博客安全提醒：系统检测到您当前密码的安全性较低，为了您的账号安全，建议您适时修改密码 立即修改 | 关闭 3LPO管道防腐层的剥离 Disbondments of 3LPO Pipeline Coatings 摘要 本文列举了最近十几年运行中的国外油气管道上3LPE和3LPP防腐层剥离的案例，介绍了国外在此方面的分析研究结果和今后的研究动向。 关键词：3LPE，3LPP，防腐层剥离，原因分析 Abstract: The paper desc

2、ribes several failure cases of disbondments of 3LPE and 3LPP found on existing abroad oil and gas pipelines. Also it introduces the analysis result of the disbondment and the trend of future work in the world. Key words: 3LPE, 3LPP, coating disbondment, cause analysis 一、引言 3LPO是英文three layer polyole

3、fin的缩写，表示三层聚烯烃防腐层体系。常用的是3LPE（three layer polyethylene）三层聚乙烯防腐层体系和3LPP（three layer polypropylene）三层聚丙烯防腐层体系。实质上，3LPO由三层组成：熔结环氧粉末（FBE）底漆、共聚物粘接剂中间层和聚乙烯或者聚丙烯外防护层。 图1 三层聚烯烃管道防腐层的结构 从上世纪八十年代初，曼内斯曼公司（Mannesmann）用熔结环氧粉末（FBE）底漆取代以往采用的双组分环氧涂料，开发成功享有专利权的三层聚乙烯管道防腐层体系。 3LPO管道防腐层体系有优越的机械性能、耐高温（3LPP防腐层最高使用温度110），并

4、有良好的补口配套方案，所以在世界各地得到了广泛采用，尤其在欧洲、亚洲、中东、南美洲。近年实施的大型的3LPO管道防腐工程有： ? 阿尔及利亚到西班牙2000 km的48英寸天然气管道 ? 巴库-第比利斯-赛汗1700 km的36英寸输油管道 ? 乍得-喀麦隆1070 km的30英寸输油管道 三层聚烯烃（3LPO）主宰了世界管道防腐层市场，在世界大部分地区， 3LPO防腐层占新建管道防腐层用量的65%至90%。非洲和中东略少一点，用量占45%至50%。而在美国、加拿大和英国，三层聚烯烃（3LPO）防腐层只占新建管道防腐层用量的15%。在这些地区，熔结环氧粉末（FBE）的用量比较大。还有些地区仍然

5、在使用沥青和煤焦油瓷漆，用量占5%至20%。 2001年第14届国际管道防护会议上，J. J. W. Cox报告了各国新建管道 中3LPO防腐层体系所占百分比： ? 中欧 90%；斯堪的纳维亚 85%；土耳其 85%；巴基斯坦 85%； 日本 85%；东欧 80%；波兰 80%；希腊 80%；埃及 80%； 阿根廷 80%；以色列 75%；哥伦比亚 75%；伊朗 75%；巴西 75%；北非70%；阿拉伯联合酋长国 70%； ? 印度 55%；马来西亚 55%； 俄罗斯 55%；委内瑞拉 50%； 伊拉克 40%；中国 40%；印度尼西亚 40%；墨西哥 35%； 沙特阿拉伯 35%；南非 30

6、%； ? 智利 25%；泰国 20%；英国 20%；澳大利亚 15%； ? 美国 5%；加拿大 5%；新西兰 0% 然而，近年来，人们在已建的3LPE和3LPP管道上，发现不同程度的 防腐层剥离问题，包括输气管道和输油管道，既有运行温度比较高的管道，也有温度比较低的管道。报告的案例发生在阿布扎比、加蓬、叙利亚、印度、巴基斯坦、挪威、法国、印度尼西亚等。 二、案例之一：阿布扎比陆上集气管道 2.1 概况 阿布扎比陆上采油公司陆上集气管道本体部分是1998年工厂预制的挤出成型的非化学改性的聚丙烯。现场焊接补口部分是1999年采用化学改性的聚丙烯，用火焰喷涂技术在现场完成的。 这些沙漠地区的集气管道

7、设计最高运行温度为85。管道安装期间，已经用牺牲阳极作为临时阴极保护措施。管道安装完成后，该管道就用外加电流系统实施了阴极保护。 2.2 检测结果 管道开挖后，防腐层外观没有出现任何溶胀或者外部损坏，防腐层总体状况良好。外层聚丙烯防护层维持原有状态和原有的白色，但是，熔结环氧粉末（FBE）底漆已经由原来的黄色变为黄褐色。 但是，剥离问题太严重了，以至有七处可以轻易地将3LPP防腐层从管道本体上完整地揭下来。 剥离问题几乎都发生在熔结环氧粉末（FBE）底漆与钢管表面之间的界面上，而熔结环氧粉末与粘接剂层之间以及粘接剂层与聚丙烯外防护层之间依然保持完好黏结。 切开管道防腐层，发现外露的钢管表面处于

8、良好的状态，没有发现任何腐蚀产物或者铁锈。 图2 完全剥离的3LPP防腐层 2.3 剥离原因 为了查明3LPP防腐层剥离的原因，在此管道上采集的3LPP管道防腐层样品在德国一家专业研究机构进行了系列试验。 2.3.1热影响 调查研究了熔结环氧粉末（FBE）底漆的热影响，在实验室电炉里使样品处于与工厂预制3LPP防腐层时采用的相同温度条件下。发现在140的温度下16小时后，熔结环氧粉末（FBE）底漆变成带褐色的颜色。在低一点温度下但更长的时间后也会产生相同的结果。 2.3.2机械性能 机械性能试验结果表明3LPP防腐层体系与单层PP的 材料 性能差别非常大。 虽然发现单层PP 材料 （除去粘接剂

9、和FBE底漆）的断裂张力应变值介于69%与367%之间，但是，发现完整的防腐层体系的断裂张力应变值却介于2.5%与6.6%之间。完整的防腐层体系的屈服应变值介于2.1%与4.8%之间。 某些拉伸试验结果表明它们不符合聚丙烯的典型值，也不符合原始涂料技术标准中的规定值。例如，在某样品上获得的断裂拉伸应变值为69%，而技术标准规定新的聚丙烯原料的断裂拉伸应变值为400%。在聚丙烯上的拉伸试验结果是材料 变脆的征兆，可能是温度影响的。 对于标准聚丙烯 材料 ，没有进行化学改性来提高 材料 的耐温性，在110的恒定操作温度下，它的正常使用寿命大约为四年。 2.3.3 弯曲试验 为查明3LPP防腐层体系

10、的特性，进行了额外的弯曲试验。 当3LPP样品从里侧熔结环氧粉末（FBE）底漆层向聚丙烯外防护层弯曲时，它们在直径15 mm的心轴上能够承受弯曲180而没有出现任何破裂。与此相反，当相同防腐层的样品从聚丙烯外防护层向里侧熔结环氧粉末（FBE）底漆层弯曲时，不到30的弯曲角度，它们就破裂了，显示脆性结构断裂。 仅仅在聚丙烯层上（除去粘接剂和FBE底漆）进行相同的弯曲试验，结果表明两面（里侧和外侧）都可以弯曲180而没有发生任何破裂。 弯曲试验和拉伸试验结果表明聚丙烯防腐层可能会受到影响，但是，即使机械性能（伸长率和屈服值）严重减退时，它的机械性能也不显示出脆性。 当聚丙烯层和其他两层，即熔结环氧

11、粉末（FBE）底漆和粘接剂层，结合在一起进行试验时，防腐层的机械性能（断裂拉伸应变值）从300%减少到大约5%，并且导致 材料 变脆。 实验室结果表明，熔结环氧粉末（FBE）底漆改变了其原有特性，变成性质更硬的 材料 状态。认为这样的变化是操作温度的热影响造成的。 2.4 事故的可能原因 认为以下是造成防腐层剥离的可能原因： 2.4.1 阴极保护的干扰（阴极剥离） 现场开挖时发现大段管道表面上发生防腐层剥离问题。在所有令人关注的防腐层剥离事例中，没有发现防腐层有任何外部损坏现象。也没有观察到其他可能引起阴极剥离的迹象，如存在氧化物、气泡、局部变色、银色晕状物等。这些管道的设计电流密度极低（0.

12、01 mA/m2），并且，此防腐层体系是能够耐受阴极剥离的。因此，这样的防腐层剥离现象好像不是阴极剥离即阴极保护的干扰造成的。 2.4.2 钢管表面预处理 证明防腐层失效问题的一个最困难和争议最多的原因是原始表面的预处理，特别是防腐层已经使用相当长的时间的情况下。无论如何，一个不争的事实是大多数防腐层失效问题是因为表面预处理不当造成的。在此事例中，无法确认钢管表面预处理时用的铬酸盐处理液的浓度和水漂洗温度是否符合技术标准的要求。 我们测量了钢管表面粗糙度，这是符合技术标准要求的（50-75微米）。 在防腐层剥离的样品里侧也测量出相同的表面粗糙度。 2.4.3 钢管表面被其他异物污染 认为钢管表

13、面被异物污染的猜测是不可能发生的，因为在工厂预制防 腐层是在严格的质量控制下完成的。工厂预制防腐层与现场补口的检验和试验纪录表明对钢管表面进行了氯化物污染的试验。此外，还检查了钢管表面的清洁度，没有灰尘、砂粒和油脂等，所有各项指标完全符合技术标准的要求。预期可能有异物，特别是砂粒的部位是现场补口，因为是在沙漠中现场完成补口作业的。有意思的是，现场补口没有发现防腐层剥离现象。 2.4.4 防腐层涂敷期间造成三层聚丙烯防腐层原始状态的不足 有可能熔结环氧粉末（FBE）没有充分流淌布满整个钢管表面的锚纹（例如，因为施工温度偏低）。可能熔结环氧粉末（FBE）有许多还没有充分固化，其也支持施工中观察到的

14、熔融粉末流淌不良问题。但是，对某些回收的熔结环氧粉末（FBE）进行的 玻璃化 温度（Tg）试验也没有发现固化不足的问题，甚至原先可能确实有这样的问题，但是因为管道已经在80-90的温度下长期运行2-3年了。 另一可能是熔结环氧粉末（FBE）起泡，因为起泡会降低附着力。这 可能是钢管防腐层涂敷时加热温度过高造成的。同样，很难确认因为涂敷以后已经过了很长时间了。 2.4.5 管道热伸长引起的机械应力 我们无法得出结论认为防腐层的剥离是因为使用过程中管道伸长产生的机械应力所造成的。也没有发现有关这样的防腐层体系的热伸长系数可以参考的文献。 合理的假设是防腐层体系能够适应正常的钢管伸长，并且，异常的伸

15、长产生某些防腐层损坏也是可能的。后来进行了直流电压梯度（DCVG）调查，结果表明没有发生这样的防腐层损坏。 2.4.6 超过原先规定的管道操作温度。 分析了两个月（2004年7月和8月）里管道的最高日操作温度。 在这两个月里，平均操作温度比设计操作温度（85）高出10至14，比熔结环氧粉末（FBE）底漆的 玻璃化 温度（Tg）（按照其技术数据表此 玻璃化 温度应为90）高出5至9。 至于单一温度值的情况，考虑到连接此条管道的五口气井（井A至井E）的具体状况，温度对防腐层的热影响更明显了。 井A有四天时间的最高操作温度为103，比在此采用的熔结环氧粉末（FBE）底漆的 玻璃化 温度高出13。井B

16、的平均温度为92，但是在2004年8月份有五天时间的操作温度达到97。井C的平均温度为93，但是在2004年7月份有八天时间的操作温度达到97。井D的平均温度为93，但是在2004年7月份有十天时间的操作温度达到97。井E的平均温度为95，但是在2004年7月份有十二天时间的操作温度达到或者超过100。 在这样的温度下，按照德国标准DIN 30678（表3），这样的防腐层已经达到或者接近达到其使用寿命的终点了。 剥离的防腐层样品的里侧没有出现原有的黄色，而是不同的颜色，从浅黄褐色到褐色。熔结环氧粉末（FBE）底漆颜色的变化极有可能与操作温度有关。 根据两个月的温度数据，可以推断，在最初使用的四年时间里，熔结环氧粉末（FBE）底漆可能已经从钢管表面发生剥离了。防腐层剥离的时间早晚取决于输气管道的操作温度，并且不同的输气管道在不同时期受到的影响肯定是不同的。 2.4.7 结论 当然，所讨论过的某个或多个原因是可能的，即阴极保护的干扰（阴极剥离）、钢管表面预处