溫度對油氣管道外防腐層性能的影響規(guī)律研究*

張 良，蔡 克，莫子雄，馬衛(wèi)鋒，任國琪，王 珂，任俊杰

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

0 引 言

美國防腐蝕工程協(xié)會指出：“正確涂覆的防腐涂層可為埋地管道提供99%的管道外保護需求，剩余的1%由陰極保護提供?！闭f明油氣長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，造成人員與財產(chǎn)損失，帶來的后果十分嚴(yán)重[3]。

目前，國內(nèi)外在防腐層失效規(guī)律方面已開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。張其濱等[5]對基材變形量和3PE防腐層的性能影響規(guī)律進行了研究，認(rèn)為剝離強度和陰極剝離性能會隨基材變形量的增大而增大。張金濤[6]研究了OH-離子對防腐層損傷的影響，認(rèn)為OH-的遷移會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)為管道周圍含水量大的地方防腐層質(zhì)量優(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，為管道腐蝕防護提供了理論基礎(chǔ)。但是，關(guān)于溫度對油氣管道外防腐層性能的影響規(guī)律研究卻鮮見報道。因此，開展不同溫度下防腐層的損傷規(guī)律研究，對掌握防腐層失效機理，保證埋地防腐管道安全運行有重要的理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。本文采用陰極剝離、剝離強度和附著力測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 試驗樣品

試驗樣品取自國內(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，對所取的3PE防腐層和FBE防腐層材料性能作了全面檢驗，檢驗結(jié)果見表1。從表1可見，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 試驗樣品性能檢驗結(jié)果

2 防腐層損傷規(guī)律研究試驗

1)不同溫度下3PE的剝離強度試驗

在40～70 ℃下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23257-2009附錄J中的試驗方法對3PE防腐層進行剝離強度測試，試驗前，先將防腐層沿環(huán)向劃開寬度約為20 mm、長10 cm左右的長條，劃開時應(yīng)劃透防腐層，并撬起一端。在試樣達(dá)到試驗溫度后，用測力計以10 mm/min的速率垂直鋼管表面勻速拉起防腐層，記錄測力計穩(wěn)定數(shù)值。將測定時記錄的力值除以防腐層的剝離寬度，即為剝離強度，單位為N/cm。剝離強度越大，3PE防腐層抗剝離強度越強。

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

圖1 不同溫度下的3PE剝離強度試驗

2)不同溫度下3PE的陰極剝離試驗

采用恒溫箱將試驗溫度控制在40～70 ℃下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23257-2009附錄D中的試驗方法對3PE防腐層進行陰極剝離測試[9-12]，試驗電位為-1.5 V，試驗溶液為3%NaCl，單次試驗周期為48 h。試驗結(jié)束后，取下試件并冷卻至室溫，冷卻時間不少于1 h，用小刀以試驗孔為中心沿360°圓周的八個等分向外劃割涂層，要劃透防腐層露出基材，劃割距離至少為20 mm。從試驗孔邊緣開始，測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。

樣品試驗情況及試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2的試驗結(jié)果可以看出，在40 ℃和50 ℃時，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，陰極剝離距離開始發(fā)生顯著變化，60 ℃的剝離距離為2.70 mm，70 ℃時，則升高至2.92 mm，較40 ℃時陰極剝離距離增長了73.8%。說明隨著試驗溫度的升高，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

3)不同溫度下FBE的附著力試驗

在40～70 ℃下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0315-2005中的試驗方法對FBE防腐層進行拉開法附著力測試，試驗前將FBE防腐層加熱至試驗溫度，隨后在涂層待測面上施加膠黏劑，膠黏劑固化后，通過拉拔式附著力測試儀對涂層進行定量的拉拔試驗，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，通過破壞截面(附著破壞)的拉力來表示實驗結(jié)果。施加附著破壞應(yīng)力越大，F(xiàn)BE防腐層附著力越強。

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

圖3 不同溫度下的FBE附著力試驗

3 試驗結(jié)果分析

以上試驗結(jié)果表明，溫度在70 ℃時，3PE的剝離強度降低38.7%，陰極剝離距離增長73.8%，而FBE的附著力也降低了34.1%。可以看出，隨試驗溫度升高，3PE和FBE防腐層的性能均呈現(xiàn)出一定的下降趨勢，說明溫度對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的剝離強度降低38.7%，陰極剝離距離增長73.8%，而FBE的附著力也降低了34.1%。

2)溫度對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。