埋地管道防腐层阴极剥离性能试验

王乐， 王硕,2， 李剑楠

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)



埋地管道防腐层阴极剥离性能试验

王乐1， 王硕1,2， 李剑楠1

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

埋地管道；防腐层；镁阳极；阴极剥离；电解液

为测定埋地管道防腐层的抗阴极剥离性能，参照SY/T 0037-2012行业标准进行了为期45 d的试验。将3根相同管径和壁厚的无缝钢管外分别缠绕不同材料的防腐层(NTG粘弹体、玻璃纤维、碳纤维)，在不同位置设人为缺陷孔，分别和镁阳极连接，置于电解液中，在试验周期结束后观察不同防腐层在人为缺陷孔附近的剥离程度和表观现象。试验结果显示，3种防腐材料中，碳纤维材料的抗阴极剥离能力最好，NTG粘弹体防腐材料最差。该研究成果为施加阴极保护措施的管道工程防腐材料的选择提供依据。

0引言

随着经济的快速发展和城市化进程的加快，地下管网错综复杂，管道破坏事件时有发生。现今管道破损事故中，腐蚀是引起管道破坏的最普遍原因之一[1]。管道的防腐层在运输和敷设过程中，几乎不可避免地会有所损坏。防腐层破损的管道埋地后，因土壤电解质或阴极保护的作用，在漏点处会产生剥离，使得管道受到腐蚀的可能性大大增加。采用防腐材料与阴极保护相结合是现阶段钢质管道防腐的主要措施。目前，管道工程中使用的防腐层材料主要有聚氨酯、聚乙烯、石油沥青、环氧涂料等。对于这些材料的性能，研究人员进行了大量的试验研究。龚敏等研究了3种聚乙烯防腐层(3PE、热收缩带、热收缩套)在不同阴极保护电位下，阴极剥离过程中阴极保护电流的变化，以及它们在不同条件下的抗阴极剥离性能[2-3]。魏强邦等认为玻璃鳞片的存在相当于增加了环氧涂层的厚度，从而降低了水、氧以及介质离子的透过速度，增强了涂层的抗阴极剥离性能[4]。张其滨等人的研究表明，3PE防腐层的阴极剥离值随着基材变形量的增大而明显增大[5]。然而，这些材料在实际工程应用中都存在着各自的缺陷和局限[6]。随着粘弹体材料的开发研制，使其因良好的形状适应性，较宽的温度使用范围，较强的粘结力，自修复能力和方便现场施工等优势正在得到推广[7-8]；碳纤维材料以其抗拉强度高、安全可靠、灵活施工且不动火、适温范围广、修复性能稳定等优点使其在管道补强修复方面得到应用[9]。玻璃纤维在价格方面颇占优势。

本文以粘弹体、碳纤维+环氧树脂、玻璃纤维+环氧树脂为埋地管道防腐层材料，针对它们的阴极剥离性能进行试验对比研究。配制电解液，实现防腐层加速剥离的室内试验条件，通过直观检查方法对不同种类的防腐层剥离程度进行分析，用来测定各防腐层的抗阴极剥离性能。为埋地管道工程防腐材料的选取提供依据。

1试验概况

1.1试验材料

采用工业无水氯化钠、无水硫酸钠、无水碳酸钠以及自来水，按照质量份额各占1%，现配电解液[10]。用于制备管道防腐层的材料有粘弹体、粘弹体带、玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂以及固化剂。钢管采用直径72 mm，壁厚为3 mm的无缝钢管，管两端用橡胶塞密封以防管内腐蚀。包裹防腐层前管道表面进行除锈。试验用其他材料包括塑料桶、镁阳极、绝缘铜导线、钻头和直观检查工具(刀)、量程为0.01～5 V直流电压表、水银温度计(要求电解液的温度保持在21 ～25 ℃之间)和参比电极等。

1.2试件制备

将3根管长、管径、壁厚相同的无缝钢管涂敷不同的防腐层材料，并分别标注为试件I、试件II、试件III。所用防腐层材料分别为：粘弹体+防腐带，环氧树脂+碳纤维，环氧树脂+玻璃纤维。均匀涂敷3种防腐层材料的试件如图1。

图1　不同防腐层的试件

待防腐层干结硬化后，将管道底部用胶塞封堵，并用环氧树脂加以密封，防止试验周期电解液进入管道内，对其内部造成腐蚀，影响试验结果。在露出液面的管段试件顶部焊接绝缘铜导线，检验防腐层的连续性和端盖密封的有效性，检测防腐层是否存有漏点。导线的焊接处必须用绝缘材料保护和密封。在每个试件上钻人为缺陷孔，用来分析试验结果。

1.3试验装置与步骤

按照图2所示的试验装置图[10]，把试件I、试件II和试件III与镁阳极连接在一起。试件的人为缺陷孔背向镁阳极。

(1)试验进行前，在试验槽上标明浸没线的位置，每天要加水保持液位，确保溶液的浓度不会发生变化，然后测量试件I、II和参比电极之间的电位，如图2装置图中的虚线部分，确保电位值在-1.38～1.48 V之间。

(2)本试验周期为45 d，试验周期内要求每天测定电解液的温度，以确保溶液温度在21～25 ℃之间，并对电解液进行搅拌确保电解液浓度的均匀。

(3)试验周期结束，用温水轻轻冲洗3个试件的浸没区，直观检查试件是否出现新的漏点，并观察人为孔处防腐层的变化情况。

(4)对人为缺陷孔进行切割，用工具将切割的部分剥开，随后测量防腐层剥离面积，确定材料的抗阴极剥离能力。

图2　试验装置

2试验结果和分析

当45 d试验周期结束时，观测3个试件，如图3，没有出现新漏点，粘弹体管的人为孔处的防腐层松动并且皱缩，表面结有极少量的盐块；碳纤维管体表面结有大量的盐块，并且碳纤维黑色变浅，人为孔处防腐层基本没有什么变化；玻璃纤维表面有少量的盐体凝结，人为孔处防腐层变化很小，防腐层的颜色变为乳白色。

图3　试验结束后的防腐层外观

之后将每一个人为缺陷孔进行切割剥离处理，如图4，并计算剥离面积。通过计算得出：粘弹体材料3个人为孔的剥离面积分别为1 965 mm，2 286 mm，3 024 mm；碳纤维和玻璃纤维的剥离面积近似为0 mm。

图4　各试件人为孔处防腐层的剥离

通过直观观察，同样可以看出与镁阳极连接的粘弹体试件防腐层有明显剥离，而且剥离程度相对试件II、III要大得多，主要是因为连接镁阳极的管道被过度保护，使延展性、整体性良好的粘弹体处于跟管壁接触但易剥离的状态。试件II、III的阴极剥离程度很小，与管道表面粘结得很好，这是环氧树脂加纤维的结果，两者结合可以使原管壁得到加固，所以它们的剥离面积接近于零。对难以剥离的碳纤维和玻璃纤维试件施加人为外力进行剥离，玻璃纤维防腐层与管道表面出现防腐层脆性破坏而且面积很容易扩大，而碳纤维材料没有变化。从抗阴极剥离能力来看，碳纤维材料最好，而粘弹体材料最差。所以在采取阴极保护措施的管道涂敷粘弹体材料时，必须注意不要发生过保护现象，以免造成防腐层的阴极剥离，加深腐蚀。

3结论

(1)环氧树脂和碳纤维结合成的防腐层材料抗阴极剥离性能好，抵抗外界破坏力能力强，弹塑性较大的粘弹体防腐材料抗阴极剥离性能较差。所以在埋地管道施加阴极保护措施时，不要实施过度保护，会影响粘弹体材料的防腐效果。

(2)由于环氧树脂干结硬化，防腐层材料如果过于稀疏单薄，防腐层很容易发生脆性断裂。在试验中人为剥离防腐层时玻璃纤维防腐层很容易发生断裂并且逐渐延伸，使得防腐层和管体分离，而碳纤维防腐层与管体粘结牢固。

(3)人为缺陷孔处防腐层阴极剥离面积随着在电解液中浸没高度的加深剥离面积不断增大。说明剥离程度和不同位置处的压强有一定的关系。

[1]张婷. 3PE防腐层埋地钢质管道阴极剥离研究[D]. 四川:四川理工学院，2012.

[2]龚敏. 油气运输管道防腐层的抗阴极剥离性能[J]. 表面技术, 2012, 41(1):30-32,47.

[3]龚敏. 影响埋地管道3PE防腐层剥离的因素探讨[J]. 专论, 2011, 25(2):10-13.

[4]魏强邦, 周永峰. 玻璃鳞片对环氧涂料抗阴极剥离性能的影响[J]. 腐蚀与防护, 2008, 29(8):490-491.

[5]张其滨, 张莉, 李爱贵, 等. 基材变形对3PE防腐层性能的影响[J]. 石油工程建设, 2009, 35(6):33-35.

[6]胡登辉, 张延丰. 埋地管道防腐层维修材料的选择[J]. 装备环境工程, 2009, 6(1):85-88.

[7]张颖怀, 王修云, 阮景红. 粘弹体相关标准及其技术参数解析[J]. 腐蚀与防护, 2013, 34(8):730-733.

[8]袁春, 李建忠, 王颖, 等. 粘弹体防腐材料研制及其应用[J]. 油气储运, 2012, 31(11):837-840.

[9]王悦. 埋地输气管道腐蚀缺陷分析及修复对策[J]. 石油工程建设, 2009, 35(3):41-43.

[10]中华人民共和国石油天然气行业标准. SY/T 0037-2012管道防腐层阴极剥离试验方法[S]. 北京:石油工业出版社, 2012.

Experiment on Cathodic Disbonding Property of Anti-corrosive Coating of Buried Pipeline

WANG Le1, WANG Shuo1,2, LI Jian-nan1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009, China;2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan Hebei 063009,China)

buried pipeline;anti-corrosive coating;Mg anode;cathodic disbonding;electrolyte

In order to measure cathodic disbonding property of anti-corrosive coating of buried pipeline, experiment was done in 45 days by reference to industrial standard SY/T 0037-2012. Three seamless steel pipes with the same diameter and wall thickness were respectively wrapped with NTG visco-elastic materials, glass fiber and carbon fiber materials. Man-made defect holes were set at different places. These pipes were connected with Mg anode which were put into electrolyte. At the end of this test, disbonding extent and appearance of anti-corrosive coating near man-made defect holes were observed. The results show that the resistance ability of carbon-fiber to cathodic disbonding is the best, and the resistance ability of NTG visco-elastic material is the worst in the three anti-corrosive coating materials. The research results provide some

for the choice of anti-corrosive coating materials used in pipeline engineering with cathodic protection.

2095-2716(2015)04-0113-04

U177.1

A