我国管道防腐层技术现状
长沙豪特防腐 中国防腐网 2015-10-27 11:43:18
胡士信董旭：我国管道防腐层技术现状，油气储运，2004，熔结接头、液态材料和三层聚丙烯4种防腐层补口新技术，并根据试验室评价和现场检测结果，对各种管道防腐层性能要求及其选用方法进行了综合分析，指出我国防腐层虽然基本实现了标准化，某些技术参数已达到国外先进标准，但与国外相比，我国管道防腐层在设计、应用、材料品质、设计方案和补口技术等方面还存在-定的差距。
主题词管道防腐层技术现状差距一、我国管道防腐层的应用 现状控制埋地钢质管道腐蚀的主要手段是防腐层加阴极保护。在某种程度上，防腐层质量决定着管道的使用寿命。与国外一样，我国管道防腐层的应用也是从沥青类 防腐层开始的，自20世纪50年代的第一条克独长输管道到70年代的东北输油管道等都采用了石油沥青防腐层；70年代后期至80年代，国外防腐层的新技术 已在我国投入应用，胶带、夹克、环氧粉末等防腐材料相继投入使用；80年代至90年代中期是各种防腐层发展、竞争的时期；90年代后期，熔结环氧粉末 （FBE）和三层聚乙烯（三层PE）两种防腐层己逐渐形成主流，作为世界最新的防腐材料，双层环氧也有少量的应用。
目前，我国防腐层基 本实现了标准化，某些技术参数己经达到了国外的先进水平，己建的国内外长输管道的防腐层材料主要为熔结环氧粉末、三层聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆；油田内部 主要集输管道的防腐层材料多为熔结环氧粉末、三层聚乙烯，非主要管道的防腐层材料仍然为石油沥青类；城市供水、供气管道的防腐层材料则一般多采用环氧煤沥 青和胶带。
二、国外防腐层现状及发展趋势1865年，埋地钢质管道刚投入使用时，由于没有解决管道外防腐问题，管道泄漏频繁发生。出于 防泄漏考虑，防腐层材料使用的是煤焦油沥青及改性的煤焦油瓷漆。这种材料在管道运行温度上升的情况下会发生氧化反应，挥发一部分馏分，导致脆变和剥离，使 阴极保护电流大。
70年代是各种防腐层材料竞争与发展的时期。石蜡、石油沥青、胶带、夹克陆续被开发出来，胶带防腐层也曾一度占据优势 地位。但这种材料在腐蚀性土壤中经常发生剥离，对阴极保护电流产生屏蔽，导致应力腐蚀开裂（SCC）。上述各种防腐材料的应用并没有改变煤焦油沥青的主导 地位，直到60年代出现双层挤塑聚乙烯结构防腐层。但随着管道运行条件的不断变化，这种双层挤塑聚乙烯防腐层逐渐暴露出易损坏、易剥离、屏蔽阴极保护电流 等缺陷。
70年代投产的阿拉斯加管道，标志着熔结环氧粉末防腐层应用时代的开始。通过改进组分和施工程序，熔结环氧粉末成为80年代应用最成功的防腐层。但美中不足的是其机械强度不理想。而双层熔结环氧粉末系统在机械强度方面进行了改进（也称为耐磨外防腐层（ARO））。
90年代，熔结环氧粉末和由聚乙烯发展而来的三层聚乙烯逐渐替代了煤焦油瓷漆，成为管道防腐层的主导材料。据美国《管道文摘》统计，熔结环氧粉末防腐层 以其优良的机械性能和防腐性能、极强的附着力和与阴极保护相融性等特点，一直是世界管道工程的首选防腐层。到1996年，三层聚乙烯防腐层的应用己经上升 至第二位。
目前，国外的防腐层发展趋势是改进三层结构，在双层熔结环氧粉末结构上下功夫。例如，在熔结环氧粉末防腐层表面采用液态的聚 氨酯或改性的环氧树脂。改性的目的是防止管道在吊装、敷设、定向钻穿越道路及河流等各种工序中发生损坏。最近有一种被称为1‘粗糙防腐层“的新材料，用在 熔结环氧粉末和聚烯烃防腐层的外部，目的是防止管道运输中的滑移或用于混凝土加重层前的管道防腐。
据美国1993年统计，各种防腐层按 面积计算所占的比例为，熔结环氧粉末为29.12%，挤塑聚乙烯为39. 27%，煤焦油瓷漆为15.94%，沥青瓷漆为37%，煤焦油环氧为0.8%.表1给出了1992~1996年国外各类防腐层的用量。据美国 《Pipeline调查中，熔结环氧粉末的用量有10次位居榜首。
表1 1992~1996年国外各类防腐层的用量年份熔结环氧粉末煤焦油二层聚乙烯三层聚乙烯石油沥青煤沥青胶带其它注*可能有误。
结环氧粉末腐层在温条件下表现出1较好的性blis冲击性、较低的吸水率r、热水浸泡下的性能较差、可t三、防腐层基本性能评价及检测应用防腐层的目的 决定了对其基本性能的要求。防腐层的基本性能包括粘结力、耐土壤应力、抗微生物侵蚀、化学稳定性、机械性能、吸水性、电绝缘性和阴极剥离等。对于防腐层的 基本性能，国内外都制订了相关的检测标准。多数检测都是在防腐层制作过程中进行的，由于短期的试验不可能预测出管道在各种环境条件下长期使用中可能出现的 各种问题，因此使用的历史经验是一个非常宝贵的佐证材料。
我国一些研究单位曾对常用的几种防腐层做过试验室性能综合评价，评价内容及方 法见表2.①熔结环氧粉末防腐层具有极好的附着力、低阴极剥离值、相对较低的抗冲击性和适中的吸水性。当温度升高时，单层熔结环氧粉末防腐层对附着力的损 失和阴极剥离的加比较敏感，而双层熔能，其吸水率随着温度的升高而加，但仍然处在可以接受的范围内。由于防腐层的吸水率较高，因此对阴极保护电流不会产生 屏蔽作用。
肢带防腐层具有较高的抗冲击性、低吸水率、中高阴极剥离和适中的附着力值等特性，但在高温（60*C）下会出现阴极剥离超标，不能使用。在现场的土壤应力试验中，胶带耐土壤应力性能较低，在具有土壤应力的环境中不宜使用，高温沙漠地区也不宜使用。
多层结构防腐层具有较高的附着力和抗冲击性、低阴极剥离值和低吸水率，热水浸泡下有良好的性能，热水浸泡后仍能保持较好的附着力。
环氧煤沥青附着力好，抗冲击性很低，抗阴极剥离能力较强，吸水率低，在热水浸泡下的性能相对较好。但这只是对试验室制备的试片的描述，现场应用中的问题在试验室反映不出来，如固化时间长、针孔多、面积电阻低等。
巧聚氨酯具有较高的抗冲击性、低附着力、高阴极剥离值、低吸水率、热水浸泡性能较差。只检验了一家公司的产品，该产品不宜用于防腐。
⑥挤塑聚乙烯具有较好的附着力、较好的抗图 表2试验室评价内容及方法评价内容评价标准及方法30670（熔结环氧粉末、三层聚乙烯、胶带）Z245.20（熔结环氧粉末）-C的温度下，浸泡 48h后测定热水浸泡在60-C和95 -C的温度下浸泡48h，然后观察是否出现起泡、变色、软化或硬化等现象，再进行评价；考察90-C热水浸泡后附着力的变化（ASTMD4541）土壤应 力现场观察土壤应力对胶带的影响，将防腐管暴露在高应力的岩石中3年加拿大TCPL公司在横贯加拿大的10管道上进行了防腐层现场使用性能检测评估，测取 探坑数据3000余个，测试项目有防腐层电导率（取平均测试值）、阴极保护电流密度、探坑检测和管/地电位。被检管道防腐层（除聚氨酯防腐层）长度均超过 200km.被检管道防腐层类型及其使用时间见表3.表3被检管道防腐层类型及使用时间使用时间防腐层种类管径使用时间防腐层种类管径聚乙烯胶带沥青玛脂 石油沥青熔结环氧粉末煤焦油瓷漆聚氨酯方腐层电导率防腐层电导率是面积电阻的倒数，测试方法为直流电位法。为了便于比较，对不同时间段的防腐层都选用了 5~7年的测量数据，结果见。从可以看出，熔结环氧粉末防腐层性能最佳。
电流密度阴极保护电流密度与防腐层的电导率密切相关，电流密度数据是通过对外加电流系统的输入电流计算得来的，结果见（a）和1987年发表的，当时熔结环氧粉末防腐层只有5年的数据。在后来的技术交流中，加拿大提供了新的数据，即（b）给出的数据。
探坑检测探坑检测比较直观，可以方便地进行现场可视性检测和防腐层测试。用小试样来判断大面积区域会引起争议，然而，当采用大量的检测这些探坑检测结果显示，在防腐层性能不好的地区，阴极保护并不充分，腐蚀监测也不是百分之百有效。
1986年，TCPL公司在两个地区挖掘探坑，管道防腐层为熔结环氧粉末，土壤为粘土，电阻率约为50D*m，地表电位和管道表面电位分别为1 330mV，没有发现任何腐蚀、起泡或松动，管道埋设时间为1982年。在另一处也得到了同样的结果。
电位测量电位测量可以精确地反映阴极保护与防腐层的关系。在上述长为26km的熔结环氧粉末防腐层的管段中，测得保护电流为300mA，电流密度为 4UA/m2.在其它管道的胶带和沥青防腐层的探坑检测中找到了腐蚀的证据，测得的-1000mV电位表明了阴极保护的屏蔽作用。在电位测量中，煤焦油、 沥青玛脂、熔结环氧粉末和聚氨酯防腐层没有屏蔽情况发生。根据测量结果，较好的防腐层电位曲线是平滑的，而不好的防腐层曲线是陡的，衰减很快。质量欠佳的 防腐层在高电阻率环境中的电流分布不均匀，在低电阻率环境中虽然电流也可以均匀分布，但保护范围却很小。而质量好的防腐层，无论是在高电阻率环境中，还是 在低电阻率环境中，都很容易获得保护。
几种防腐层性能衰减的趋势，由小到大排列是溶结环氧粉末（FBE）、煤焦油、胶带、沥青、玛脂。
现场检测结果与试验室性能检测对应关系好的防腐层是熔结环氧粉末（FBE）和聚氨酯，其它防腐层均不良。
在有电流屏蔽的地方，阴极保护可能是无效的，管/地电位显示不出屏蔽问题。
四、新建管道防腐层的选用选用防腐层要考虑外界环境条件、管道设计寿命、防腐层的性能质量及费用4个因素。
1996年11月公布了一份关于加拿大埋地管道应力腐蚀开裂（SCC）的调查报告。报告指出，1977年以来，加拿大己有22条管道因应力腐蚀发生破 裂、穿孔，其中有73%的应力腐蚀开裂出现在胶带防腐层管道沥青防腐层管道上，其余9%的应力腐蚀开裂出现在热绝缘的管道上。为此，1996年，加拿大 13家管道公司投入480x104美元协作开展应力腐蚀开裂的研究，投资3000x104美元用于管道维护。对于新建的管道，加拿大国家能源局推荐采用熔 结环氧粉末、二层聚乙烯和三层聚乙烯防腐层。
根据上述试验室检测和现场检测结果，熔结环氧粉末和三层聚乙烯是性能优良的防腐层，不仅具有良好的防腐性能，而且还能与阴极保护相融，具有保护电流密度小、保护范围大的特点。
单层熔结环氧粉末的机械性能较差，因此发展了双层熔结环氧粉末，极大地提高了防腐层的机械性能，在抗磨强度上，己经可以与三层聚乙烯相媲美。在特殊地区，例如河流穿越段，可以大胆使用。
但由于其价格稍高，推广普及的程度较低。
2001展览会上所作的专题报告中指出：“对于熔结环氧树脂来讲，其非常令人满意的工艺己经用了多年，从而是向中国管道推荐的首选防腐层系统‘。他首推的防腐层材料也是熔结环氧粉末。
管道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，熔结环氧粉末防腐层为8分，三层聚乙烯防腐层为8分，双层熔结环氧粉末防腐层为10分。
与熔结环氧粉末防腐层相比，三层聚乙烯和三层聚丙烯（PP）防腐层存在以下缺点。
耐高温性能差，一旦出现开裂，就会产生屏蔽。三层防腐结构的生产是顺序进行的，而且时间间隔短，如果熔结环氧粉末没有完全固化，胶粘剂就会与其化学基团发生反应，反应速度和钢管表面温度决定了其涂敷时间通常为几秒钟，如果作业时间控制不好，就会影响防腐层的质量。
对于螺旋焊缝管，如果压辊不能有效挤压，就容易在焊缝处产生连续空鼓。例如，在西气东输管道工程中，发现长期放置后的三层聚乙烯防腐管道的端部有大面积防腐层剥离现象。
防腐层的补口较困难，补口材料难以与聚乙烯相融。
上述这些缺点，除了屏蔽问题，其它都可以通过控制施工工艺得到解决。
（1）液态环氧补口涂料现场常温施工，可机喷也可以手涂，固化时间短，夏天固化4h后就可以下沟，补口层为刚性，与钢表面附着力好，一次喷涂厚度可达 200Um，易补伤，与熔结环氧粉末粘结性好，五、防腐层补口技术的新发展熔结环氧粉末防腐层采用熔结环氧粉末材料补口是可行的。国外的补口技术己经向多 样化方向发展，例如，使用液态环氧、聚氨酯、冷缠带和收缩套用于熔结环氧粉末防腐层的补口。对于三层（熔结环氧粉末-聚烯烃）防腐层的补口，主要问题反映 在与管体聚烯烃的粘结上。经过试验研究，目前己开发出熔结聚丙烯聚合物、挤塑聚丙烯片、火焰喷射聚丙烯共聚物、注模聚丙烯和合成挤压聚丙烯带5种不同的补 口技术。这些补口技术在结构上都以熔结环氧粉末作为第一层，并在熔结环氧粉末胶化期间喷射絮状的聚丙烯共聚物与其粘结，最后涂敷外保护层。在这5种补口技 术中，火焰喷射聚丙烯共聚物最常用，还可用于弯头上。
对于三层聚乙烯和二层聚乙烯防腐层的补口，国外研究了一种新方法，称为熔结接头保 护结构（F-W）。该技术是将夹克层紧贴在管子表面，用加热元件加热夹克，使补口夹克和管体上的夹克熔融在一起。该结构具有机械强度好、密封性能好、耐磨 等特点，可用于定向钻和沙漠土壤应力大的环境里。加热元件是导电的金属网，加热温度在232*C，电源是一台标准的电弧焊机。对于3mm厚的聚乙烯防腐 层，仅用60s就可以完成熔结。
当采用传统的热收缩套和三层材料补口时，阴极屏蔽问题是显而易见的。一份补口材料的调查报告指出，热收 缩套施工合格率只有50%.对全部采用热收缩套补口的，一条长370km的煤焦油瓷漆防腐管道和长110km的三层聚乙烯防腐管道进行了调查，结果表明， 有漏点的补口高达80%，由于补口失败，导致管道严重腐蚀。而液体材料补口可以避免此类腐蚀问题，液体补口是国外的一种较新技术，发展很快，主要有液态环 氧和聚氨酯两种补口材耐碱性，造价低。其缺点为，低温下不宜使用，防腐层脆，耐冲击性和耐磨性差，不能用于三层聚乙烯防腐层。
（2）液 态聚氨酯涂料是新近发展的新材料，可用于补口和弯管的管体上。其优点是，低温下可以施工，固化时间短，可配成弹性体或刚性体，能与三层聚乙烯配合，与钢管 表面粘结性能好，一次涂敷厚度可达1.2mm，施工简单，易补伤，既能与熔结环氧粉末粘结，也能与三层聚乙烯粘结，有韧性，耐磨，抗拖拉，抗机械损伤，抗 冲击，化学稳定性好，抗紫外线，寿命可达50年，成本低。缺点是，施工中对原料的配比要求严格。采用该材料补口是一种很有前途的补口技术。
采用三层聚丙烯补口时，材料与管体防腐层的补口技术。其操作工序为，在管道表面先涂敷一层250*厚的熔结环氧粉末，然后再涂敷一层200Wm厚的化学改性聚丙烯粉末，最后把预先制备的300mm宽的聚丙烯复合带贴到接头处，并用挤压钳夹紧。
六、我国防腐技术存在的差距防腐层材料品质差，不论是聚乙烯材料，还是粉末材料，都落后于国外产品。在材料的生产和研究方面还有待提高。
防腐层的设计方案缺少整体观念。在防腐层的设计、选用方面，应加拿大NOVA公司研究的防腐层最低性能量化指标。
防腐层补口技术落后。当前国际上液体补口技术发展很快，建议加快技术探索步伐，尽快达到国外同类技术的水平。
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