3PE表面处理与双层改性环氧涂层补口结构试验

陈守平，顾玉佳，孙卫松

（大庆油田工程建设公司天宇设计院，黑龙江大庆 163712）

3PE表面处理与双层改性环氧涂层补口结构试验

陈守平，顾玉佳，孙卫松

（大庆油田工程建设公司天宇设计院，黑龙江大庆 163712）

3PE防腐管道的现场补口质量是影响埋地管道整体防腐质量的重要环节，聚乙烯层与各种通用胶粘剂的粘接强度相对较弱，造成很多常用补口材料在3PE防腐管道上补口失效，因此，改善聚乙烯的表面性能是提高3PE防腐管道现场补口效果的重要途径。文章介绍了三种PE表面处理方法及无溶剂液体环氧涂料补口的试验情况。结果表明，三种表面处理方法及无溶剂液体环氧涂料补口技术很好地解决了补口涂层与PE材料的粘结问题，具有施工方便、施工效率高、防腐效果好的特点。

钢质管道；防腐；管道补口；3PE层表面处理；无溶剂环氧涂料

据调查统计，大多数管道损坏是由管道外腐蚀引起的，而管道的腐蚀穿孔事故多数发生在补口、补伤等部位。因为管道主体的防腐层是在工厂内由专用的自动化作业线预制完成的，工艺控制相对容易，其防腐层和防护层的质量比较可靠，而现场补口的施工过程受气候条件、地形地貌、施工设备、施工人员技术水平以及各种环境因素的影响，补口工艺控制的难度要比在工厂内预制大得多，因此补口处就成为整个管道防腐系统中最薄弱的环节。

1 3PE层表面处理

目前埋地钢质管道外防腐层应用较多的是3PE防腐层，3PE防腐最外层为聚乙烯层，聚乙烯有良好的化学稳定性，但表面能低又无极性基团，与各种通用胶粘剂的粘接强度相对较弱，这一特点造成了很多常用补口材料在3PE防腐管道上的补口失效。因此，改善聚乙烯的表面性能是提高3PE防腐管道现场补口效果的重要途径。

对聚乙烯表面进行处理，主要是通过在聚乙烯表面的分子链上导入极性基团来提高材料的表面能，并提高表面的粗糙度，消除表面的弱界面层。聚乙烯表面处理的具体工艺方法有：火焰烘烤处理、低温等离子体处理和专用气体极化处理等，为满足结合面的粘接性能要求，我们试验了几种方法，检测了极化处理后PE表面润湿张力，验证了极化效果。

1.1 火焰烘烤处理

火焰烘烤PE表面极化处理试验在防腐管道厂内进行，烘烤方式采用人工手持火焊枪吹扫PE表面。火大时PE表面有轻微烟尘出现，火小时PE表面未见烟尘。本次试验共做4个试件，1、2号为厚12 mm PE层，3、4号为厚1.5～2 mm PE层，检测工具为达因笔。试验记录见表1，PE表面处理试验检测结果对比见图1。

表1火焰烘烤PE表面处理试验记录

图1 火焰PE表面处理试验检测结果对比

从表1和图1可以看出，火焰烘烤处理后，PE表面润湿张力有很大提高，加热时间与润湿张力成正比关系，但火焰烘烤处理法虽简单，但受人为操作因素影响较多，容易将试件表面烘烤焦煳致破坏，试件较薄时容易变形。

1.2 低温等离子体处理

喷射式大气低温等离子体表面处理器产生的低温等离子体中粒子的能量一般约为几至几十电子伏特，大于聚合物材料的结合键能 （几至十几电子伏特），完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；通过低温等离子体表面处理，PE材料表面可发生多种物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善，使材料的表面由非极性、难粘性转变为有一定极性、易粘性和亲水性。

本次试验所用设备为南京产CTD-2000F型大气低温等离子体表面改性处理设备，本次试验共做6个试件，1、2号为厚12 mm PE层，3～6号为厚1.5～2 mm PE层，检测工具为达因笔。试验记录见表2， PE表面处理试验检测结果对比见图2。

表2 低温等离子体PE表面处理试验记录

图2 低温等离子体PE表面处理试验检测结果对比

低温等离子体处理之后，PE表面润湿张力有很大提高，表面处理时间达到30 s时，表面润湿张力达到平稳数值。等离子处理方法的优点是被处理样品多样性，不受外观形状、基材厚度等限制，产生的等离子体火焰作用在被处理样品表面不会导致其变形、烧损。不足之处是处理效率低，等离子体火焰的轨迹为点状或线状，如果运行速度快，处理效果就不太好或处理不均匀。

1.3 专用气体极化处理

该处理技术是采用专用薄膜对待处理部位进行包扎密封，然后注入专用极化气体，保持一定时间，使PE表面具有活性，以增加涂料的粘接力。

本次试验所用专用气体由北京北科双元科技公司提供，试验共做7个试件，均为厚1.5～2 mm PE层，检测工具为达因笔。试验记录见表3，PE表面处理试验检测结果对比见图3。

表3 专用气体PE表面处理试验记录

图3 专用气体PE表面处理试验检测结果对比

从测试数据可以看出，采用专用气体对PE表面极化处理得到的表面张力数值较高，显示出较好的处理效果。另外，通过不同充气时间从3～15 min得到的表面张力，数值是逐渐增加的，但到9 min后就稳定在了较高的数值，说明该方法充气时间至少应在9 min以上，而且表面张力数值在24 h内基本无变化。

1.4 三种表面处理方法比较

根据现场施工需要，表面处理时间取60 min以内，对三种表面处理方法进行比较，表面处理后的PE表面润湿张力均取最高数值，对比结果见表4和图4。

表4 处理时间60 min内润湿张力最高值比较

图4 三种PE表面处理润湿张力最高值对比

通过上述PE表面极化处理机理和处理方式的试验对比分析，三种处理方法都能提高PE表面的润湿张力，增强PE表面的极性，都可以用于PE表面改性处理，经处理后PE表面润湿张力可以从34×10-3N/m提高到60×10-3N/m以上，其中等离子体处理和专用气体极化处理由于电子能量和化学能量高，极化效果较好；在60 min内PE表面处理数据中，专用气体极化处理后的润湿张力值最高。

2 液体环氧涂层补口结构试验

2.1 试件准备

试件为直径159 mm钢管，表面采用喷砂除锈，达到Sa2.5级，PE段采用电动钢丝刷打磨+专用气体表面处理，润湿张力为68×10-3N/m。

2.2 补口涂料

液体环氧补口涂层采用100%固含量双组分无溶剂液体环氧涂料。补口涂层结构为：底层改性环氧涂料+面层改性环氧涂料，底层的作用为防腐并与PE表面粘接，面层的作用主要是防护。涂层的主要性能指标见表5。

表5 改性环氧涂料涂层主要性能指标

2.3 底漆涂刷

调配底漆，混合比例为涂料∶固化剂=3∶1（体积比）。将非补口部位采用胶带隔离，保证补口端面平齐。采用适当的涂刷工具 （短毛刷或刮板）将底漆均匀涂敷在补口部位上。在涂敷过程中，随时用湿膜测厚仪检测湿膜厚度。

2.4 面漆涂刷

调配面漆，混合比例为涂料∶固化剂=3∶1（体积比）。底漆表干后，开始涂刷面漆，采用适当的涂刷工具将面漆均匀涂敷在补口部位上。在涂敷过程中，随时用湿膜测厚仪检测湿膜厚度。

2.5 补口涂层与PE层粘结检测

补口涂层固化后，对补口涂层与PE的粘结情况进行了检测，补口涂层不能被撬剥下来；采用拉拔法测试，其粘结力达到5 MPa以上，补口涂层与PE的粘结力高于ISO 21809-3《石油和天然气工业管道输送系统中使用的地下或水下管道的外部涂层——第3部分：安装接头涂层》中关于液态补口涂料粘结力≥3.5 MPa的规定。

3 结束语

（1）建议在管道补口标准中增加表面处理检测评价条款，无论采用哪种表面改性处理方法，表面改性处理工序完成后，都应对已处理后的表面进行检测评价，然后才能进行下道工序操作。处理后的评价指标建议润湿张力达到60×10-3N/m以上。

（2）专用气体表面处理施工时不需要加温，被处理材料表面不会因温度过高而产生变形、老化等损伤，而且操作简单，表面处理速度快、效率高，处理后的表面性能稳定性和均匀性好，在3PE防腐管道现场补口方面有较好的推广应用前景。

（3）液体环氧涂料补口技术现场操作简单、施工效率高，与专用气体表面处理技术结合，补口涂层与PE层结合面粘结性能优异、补口涂层的防腐和物理机械性能好，现场质量检测方便，很好地解决了补口材料与PE材料粘结的问题，使补口涂层同管道主体防腐层形成一个有机整体，从而切实保障埋地钢质管道整体防腐体系的防腐功效。

[1]魏强邦，王国境，王红杰，等.新型3PE管道补口技术的研究[J].腐蚀与防护，2008，29（9）：555-556.

Tests of 3PE Surface Treatment and Field Joint with Double Layer Modified Epoxy Coating

CHEN Shou-ping（Tianyu Design Institute of Daqing Oilfield Construction Co.,Daqing 163712， China），GU Yu-jia，SUN Wei-song

Field joint quality of 3PE anticorrosion pipeline is a key factor affecting integral anticorrosion quality of the buried pipeline.The bonding strength between polythene layer and kinds of common adhesives is relatively small and it causes field joint failures as using some common materials for the joint of 3PE anticorrosion pipeline.Hence meliorating polythene surface performance is an important way to improve field joint effect.Three PE surface treatment methods（flame firing treatment,plasma treatment and special gas polarizing treatment）and solvent-free liquid epoxy coating for field joint are tested and the results show that they solve the bonding problem between the field joint coating and the PE material very well,and have the advantages of high construction efficiency and good anticorrosion effect.

steel pipeline;anticorrosion;pipeline field joint;3PE layer surface treatment;solvent-free liquid epoxy coating;test

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.011

陈守平 （1959-），男，辽宁凤城人，高级工程师，1982年毕业于东北农学院，长期从事油田管道防腐保温工程研究工作。

2011-10-13