三层PE外防腐层应用技术现状分析研究

鞠舰波 王毅

摘 要：埋地钢质管道防腐层是管道防腐的第一道防线，是延长管道寿命的决定因素。三层PE外防腐层于上世纪80年代首先在欧洲和加拿大使用，进而推广到全球。它具有良好的防腐性能，然而也存在一些值得研究和需要改进的问题。

关键词：防腐层;管道;三层PE;抗阴极剥离

据有关资料报道，在每年的管道事故中约有30%～40%是由腐蚀引起的[1]。因此，为了保证埋地管道的安全运行，延长管道的使用寿命，埋地钢质管道一般都有外防腐层和阴极保护组成的腐蚀防护系统：外防腐层的破损会引起电流的消耗，使外加电流的阴极保护效果降低甚至失效;而阴极保护效果的降低又会加剧埋地钢管的腐蚀。外防腐层在其中起着主要作用，NACE 1993年年会第17号论文在论证《外覆盖层基本原则》一文中指出：“正确涂敷的外覆盖层应该为埋地构件提供99%的保护需求，而余下的1%才由阴极保护（CP）提供”，因此外覆盖（防腐）层的质量决定着钢质管道防腐效果的好坏。3层结构聚乙烯防腐（以下简称三层PE）于80年代首先在欧洲和加拿大使用，进而推广到全球。中国从上世纪90年代中期开始先后在库-鄯输油管线陕-京输气管线及西气东输中使用。三层PE防腐层具有良好的防腐和坚韧耐久的使用性能，然而也存在一些值得研究和需要改进的问题[2]。

1 三层PE外防腐层系统

钢质管道三层PE外防腐结构是上世纪八十年代初由美国、加拿大、歐洲开发的新型管道外防腐涂料，目前倍受国际管道界的重视，现已越来越多地应用于油、气、水金属管道的防腐工程上。这种防腐涂料以三合一的方式将三层涂料熔融为一体，使它补充相互的不足，并充分地发挥了良好的粘结力和机械保护作用，从而达到最佳的防腐效果。是目前国际上较先进的管道防腐技术。

埋地钢质管道三层PE的外防腐层结构由以下三层组成：①底层：环氧粉末（FBE）②中间层：胶粘剂（AD）③外层：聚乙烯（PE）。至于各层的厚度，国内的《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》SY/T4013-2002中规定，普通级厚度为：①FBE厚度为不小于80mm，②AD：170～250um;120～160um;③PE：1.8～3.0mm;总共三层PE厚度在1.8～3.0mm范围内，加强级厚度约在2.5～3.7mm[3]。该标准还规定，焊缝处防腐层厚度应不低于管体厚度的70%。实验证明，只要FBE层能有效地遮盖钢质表面的锚纹深度，FBE的防腐性能就能得到保证，而且焊缝处的防腐层厚度不能低于1.0mm。国外关于三层PE的厚度说法不一，1996年，美国杜邦-努发公司的吉米.高克斯先生来华技术交流，针对防腐层结构提出了熔结环氧粉末底层为200um，胶粘剂中间层为225um，高密度聚乙烯外层厚度一般为1.5mm（焊缝处），管体上1.8～2.1mm[4]。

2 三层PE外防腐层的应用现状

据美国《Pipeline Digest》的统计报告，自1992年以来管道防腐聚乙烯层用量，与FBE、煤焦油瓷漆等一直处于埋地管道外防腐层的前三位。近年来，由于单一管道外防腐层的局限性和管道工程安全可靠性的需要，外防腐层技术正在向多层结构系统发展，三层聚乙烯外防腐层的用量到1996年己上升至第二位。《油气储运》杂志2001年第6期报道，国外曾对管道外防腐层应用进行调研和分析，依据各个项目的优劣程度和多年使用性能进行综合评分，FBE为8分，三层PE为8分，双层FBE为10分。

我国长输管道自90年代开始采用三层PE复合结构防腐层技术。目前已在国家重点工程西气东输一线、二线、三线等项目中应用。三层PE外防腐层具有良好的防腐和坚韧耐久的使用性能，然而也存在一些如不适用于架空管、造价高、耐高温性能差，一旦出现开裂，有屏蔽问题等等值得研究和需要改进的问题。

3 三层PE外防腐层的缺点

3.1 它耐高温性能差，一旦出现开裂，有屏蔽问题。

由于三层结构施工作业是同时进行，时间间隔短，如果FBE没有完全固化，胶粘剂就会与FBE中的化学基团起反应。若控制不好，FBE没有有效固化，易出质量问题，涂敷时间范围很窄，通常只有几秒钟，这取决于粉末的反应速度及钢管表面温度。

3.2 不能与阴极保护协调工作，对保护电流构成屏蔽

三层PE的外层聚乙烯可阻止水气渗透和保护底层环氧粉末不受机械损伤。聚乙烯是良好的绝缘材料，但是一旦涂层破损，当水通过缺陷进入到未受损的涂层部位时，由于聚乙烯的内聚强度远大于其粘结强度，就会对保护电流产生屏蔽。环氧类防腐层由于内聚力小于其粘结力，则可使阴极保护电流到达钢管表面，使钢管变成阴极。对于一种防腐层而言，内聚强度与粘结强度的比值越高，屏蔽的趋势就越高，导致应力腐蚀开裂（SCC）的可能性就越大。

3.3 种不同族的材料组合存在分层的危险

三层PE防腐层是由底层环氧粉末中层粘胶剂和面层聚乙烯组成。环氧粉末是静电喷涂在钢管上，而粘胶剂和聚乙烯则是通过挤出机挤成片状后，侧向缠绕包敷在已涂环氧粉末的管子上。3种不同族的材料之间有明显的界面，操作时工艺参数调整不当，包敷中有空气进入时均使材料组合存在分层的危险;分层会造成剥离，且不易发现，但是在管端会出现如翘边等现象。

3.4 使用温度受限制

聚乙烯是一种对环境应力开裂极为敏感的材料，较高的温度、钢管内压及环境应力、外界腐蚀介质侵蚀均会促使应力开裂。温度的影响尤为明显：在室温25℃时，聚乙烯的分子运动已十分明显。当温度增加，由于高分子链段的跃动及分子蠕动加速，聚乙烯的机械性能会下降，环境应力开裂会上升。因此聚乙烯作为管道的包敷层，当温度超过55℃时，如压气站的出口段以及裸露管段，应考虑聚乙烯环境应力开裂的危险。

3.5 环向焊缝补口是一个隐患

采用三层PE外防腐层的管道现场环向焊缝补口只能采用热收缩套：其结构为粘胶剂+聚乙烯，可视为2层结构，其粘结力（特别是搭接处）低于三层PE。国外已经发现热收缩套在土壤应力下易起皱，比干线管涂层失效得快。特别是采用定向钻穿越河流时，土壤摩擦力增加更易使接头损伤。

4 结论

综上所述，三层PE虽然具有良好的物化性能、电绝缘性能、防止和耐化学腐蚀性能，以及具有较高的强度、抗冲击性能等，是当今埋地钢质管道外防腐层中比较理想的防腐结构;但是，管线在其使用期间，其寿命的长短和安全与保持防腐层的整体性有关。应当要求干线管、环焊缝、管件在内的整条管线采用相同的防腐层和一致的质量判据，管线的薄弱和重要地段要增加涂层厚度。采用三层PE防腐层的管线不能满足上述要求，干线管涂层与环焊缝和管件涂层不同，厚度不同，质量控制判据也不同。因此，尽管干线管采用了牢固的三层PE防腐层，但却不能保证环焊缝和管件的防腐层与干线管道有相同的寿命，而且阴极保护不能充分发挥作用，这些都是管线采用三层PE防腐层需要解决的问题。

参考文献

[1]王玉梅，郭书平，国外天然气管道事故分析，油气储运，2000，19（7），P5～P10

[2]肖冶，冯来义，3层结构聚乙烯防腐层的改进和发展，石油规划设计，2003，14（5），P24～P25