温度对油气管道外防腐层性能的影响规律研究*

2019-03-08莫子雄马卫锋任国琪任俊杰

石油管材与仪器 2019年1期

张良，蔡克，莫子雄，马卫锋，任国琪，王珂，任俊杰

(中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安 710077)

0 引言

美国防腐蚀工程协会指出：“正确涂覆的防腐涂层可为埋地管道提供99%的管道外保护需求，剩余的1%由阴极保护提供。”说明油气长输管道的外防腐层是确保管道安全的重要屏障[1,2]。防腐层失效会引起管道发生腐蚀，严重导致管道泄漏，造成人员与财产损失，带来的后果十分严重[3]。

目前，国内外在防腐层失效规律方面已开展了大量的研究工作，Worsley等人[4]认为，孔隙率是涂层耐阴极剥离的另一个重要因素，涂层中离子、水和氧等介质的渗透性取决于孔隙率，孔隙率越高水和氧等介质渗透率越强。张其滨等[5]对基材变形量和3PE防腐层的性能影响规律进行了研究，认为剥离强度和阴极剥离性能会随基材变形量的增大而增大。张金涛[6]研究了OH-离子对防腐层损伤的影响，认为OH-的迁移会造成聚合物与金属的粘结力降低，使与防腐层粘结的基体金属氧化物层溶解发生气泡、剥离。赵庆华[7]认为管道周围含水量大的地方防腐层质量优于干燥处。这些研究揭示了防腐层在部分环境条件下的损伤规律，为管道腐蚀防护提供了理论基础。但是，关于温度对油气管道外防腐层性能的影响规律研究却鲜见报道。因此，开展不同温度下防腐层的损伤规律研究，对掌握防腐层失效机理，保证埋地防腐管道安全运行有重要的理论指导意义和工程应用价值。本文采用阴极剥离、剥离强度和附着力测试方法研究了不同温度下防腐层的性能，总结了3PE、FBE两种防腐层在不同温度下的性能影响规律。

1 试验样品

试验样品取自国内某防腐厂生产的3PE防腐层材料和FBE防腐层材料，根据GB/T 23257-2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》和SY/T 0315-2005《钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层技术规范》标准的要求，对所取的3PE防腐层和FBE防腐层材料性能作了全面检验，检验结果见表1。从表1可见，所取的3PE防腐层和FBE防腐层材料性能均符合标准GB/T 23257-2009和SY/T 0315-2005标准的要求。

表1 试验样品性能检验结果

2 防腐层损伤规律研究试验

1)不同温度下3PE的剥离强度试验

在40～70 ℃下，依据标准GB/T 23257-2009附录J中的试验方法对3PE防腐层进行剥离强度测试，试验前，先将防腐层沿环向划开宽度约为20 mm、长10 cm左右的长条，划开时应划透防腐层，并撬起一端。在试样达到试验温度后，用测力计以10 mm/min的速率垂直钢管表面匀速拉起防腐层，记录测力计稳定数值。将测定时记录的力值除以防腐层的剥离宽度，即为剥离强度，单位为N/cm。剥离强度越大，3PE防腐层抗剥离强度越强。

样品试验情况及试验结果如图1所示。从图1的试验结果可以看出，在40 ℃时，3PE的剥离强度为155 MPa，50 ℃时，剥离强度为137 MPa，此时3PE仍具有较好的抗剥离性能，60 ℃时，剥离强度降至112 MPa，70℃时剥离强度低至95 MPa，较40 ℃时剥离强度降低38.7%。说明随着试验温度的升高，3PE防腐层的剥离强度明显降低。

图1 不同温度下的3PE剥离强度试验

2)不同温度下3PE的阴极剥离试验

采用恒温箱将试验温度控制在40～70 ℃下，依据标准GB/T 23257-2009附录D中的试验方法对3PE防腐层进行阴极剥离测试[9-12]，试验电位为-1.5 V，试验溶液为3%NaCl，单次试验周期为48 h。试验结束后，取下试件并冷却至室温，冷却时间不少于1 h，用小刀以试验孔为中心沿360°圆周的八个等分向外划割涂层，要划透防腐层露出基材，划割距离至少为20 mm。从试验孔边缘开始，测量每条划割线的剥离距离，并求出其平均值，即为该试件的阴极剥离距离。阴极剥离距离越小，防腐层抗剥离性能越强。

样品试验情况及试验结果如图2所示。从图2的试验结果可以看出，在40 ℃和50 ℃时，3PE的阴极剥离距离变化并不显著，分别为1.68 mm和1.86 mm，温度升高至60 ℃时，阴极剥离距离开始发生显著变化，60 ℃的剥离距离为2.70 mm，70 ℃时，则升高至2.92 mm，较40 ℃时阴极剥离距离增长了73.8%。说明随着试验温度的升高，3PE防腐层的抗阴极剥离性能明显降低。

图2 不同温度下的3PE阴极剥离试验

3)不同温度下FBE的附着力试验

在40～70 ℃下，依据标准SY/T 0315-2005中的试验方法对FBE防腐层进行拉开法附着力测试，试验前将FBE防腐层加热至试验温度，随后在涂层待测面上施加胶黏剂，胶黏剂固化后，通过拉拔式附着力测试仪对涂层进行定量的拉拔试验，在于涂层底材垂直的方向上施加拉伸应力，该应力以不超过1 MPa/s的速度稳步增加，破坏应从施加应力起90 s内完成，通过破坏截面(附着破坏)的拉力来表示实验结果。施加附着破坏应力越大，FBE防腐层附着力越强。

样品试验情况及试验结果如图3所示。从图3的试验结果可以看出，试验温度在从40 ℃逐渐升高至70 ℃时，FBE防腐层的附着力表现出明显的降低趋势，40 ℃下的附着力为12.1 MPa，70 ℃时的附着力则为8.0 MPa，降低了34.1%。

图3 不同温度下的FBE附着力试验

3 试验结果分析

以上试验结果表明，温度在70 ℃时，3PE的剥离强度降低38.7%，阴极剥离距离增长73.8%，而FBE的附着力也降低了34.1%。可以看出，随试验温度升高，3PE和FBE防腐层的性能均呈现出一定的下降趋势，说明温度对防腐层的性能有明显的影响，即随着温度升高，防腐层的阴极剥离性能、剥离强度性能及附着力均发生明显降低，其中阴极剥离受温度影响变化最为显著。