1、长输管道外部腐蚀机理及外防腐层的应用与存在的问题油气 0902班-0120905690213-陈亚强【摘要】 介绍了我国长输管道外防腐层的应用情况,根据埋地管道外防腐层性能和防腐层选择的技术要求,对管道外防腐层的设计准则提出了一些看法。对管体防腐层配套补口技术存在的局限性、防腐层涂装作业条件与质量控制等问题进行了分析,提出了目前几种管道外防腐层应用中存在的问题和解决这些问题的方法。【Abstract】 The description on the application of external coating for long-distance pipeline in China is giv
2、en in this article. Viewpoints upon the design criteria of external coating of pipelines is presented on the basis of technical requirements on the property and selection standards of external coating for buried pipelines. The authors analyze the technical limitations in necessary field coating for
3、welded joint, coating operation and quality control,and put forward solutions for the application of external coat.【关键词】 长输管道 机理 外防腐层 应用 问题 分析【key words】 long distance pipeline; mechanism ；external coating; application; problem; analysis【正文】十几年来, 我国管道防腐层技术得到了很大发展,特别是煤焦油瓷漆、 三层聚乙烯、 熔结环氧粉末等防腐层得到了广泛应用,
4、各种防腐层涂敷作业线或涂敷机具的引进和国产化均已完成, 出现了众多的专业化钢管防腐层涂装公司。与此同时, 对防腐层技术的评价和选择准则的研究进一步深化, 取得了令人瞩目的成绩。然而, 一些非技术因素已影响了管道工程覆盖层防腐技术的应用,造成了某些技术上的认识混乱,需要认真对待并加以澄清。本文主要先从长输管道的外部防腐机理讨论开始，然后重点分析了外防腐层的应用与存在的问题。1 油气集输管道的外腐蚀及其防护技术 1.1 金属管道的外腐蚀管道的外腐蚀主要是指金属管道在其周围介质(主要是土壤、水、空气等 ) 的作用下 ，与其发生化学变化、电化学变化或物理溶解作用而对管道的外壁产生的破坏。埋地管道的外腐
5、蚀主要是土壤造成的腐蚀。海底的管道主要是海水作用下的电化学腐蚀 。 1.1.1 土壤对管道的腐蚀 土壤是一个由固、液、气三相组成的极为复杂的体系。土壤中充满了空气和水，水的存在使土壤成为导体 。氧的存在和传递形成 了氧的浓度差，近而形成氧浓差电池，这种微电池加剧了管道的腐蚀 。 土壤腐蚀类型有 ：( 1 )宏观电池腐蚀 ；( 2 )微电池腐蚀；( 3 ) 两种不同金属在土壤中产生的宏观电池； ( 4 ) 土壤中微生物引起的腐蚀。1.1.2 海水作用下的电化学腐蚀 对于海上油田而言。油气集输管道从海水中穿过难免要接触海水。海水是电解质溶液，金属处于电解质溶液中，由于金属表面不同区域的材料状态、组
6、织结构化学成分、夹杂缺陷等材料差异性，使金属表面上不 同部位产生了不同的电极电位。这些电极电位通过金属自身电连接在一起 ，在具有导电性的电解质溶液中构成了完整的电流回路 ，即形成了原电池 。称之为腐蚀原电池。腐蚀原电池会造成金属表面的全面腐蚀或局部腐蚀，如坑蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等。2 管道外防腐层材料的应用概况我国油气管道已经采用的防腐层材料有石油沥青、煤焦油瓷漆(CTE )、挤出聚乙烯( 包括 2PE 与3PE)、 熔结环氧 (FBE)、泡沫夹克、环氧煤沥青和聚乙烯胶带等。石油沥青一直是我国地下管道的基本防腐层, 曾占据长输管道防腐层的统治地位。20 世纪 80 年代泡沫夹克管在中
7、洛线、花格线及阿塞线中应用, 由于管道出现严重腐蚀和该技术存在的缺陷而被限制使用。 1995 年煤焦油瓷漆防腐层开始在轮库复线、靖西等管道中应用。3PE 在陕京输气管道、 兰成渝成品油管道和涩宁兰管道中得到很好的应用, 使煤焦油瓷漆与 3PE 位居新建油气长输管道防腐层用量的第一位和第二位 , 而石油沥青的用量大大降低,FBE 开始规模应用。2001 年, 以西气东输管道建设为标志 , 先进的管道覆盖层在我国完全占据统治地位。西气东输干线管道( 1 016, 4 000 km) 全部采用 3PE,弯头部分采用双层熔结环氧粉末 ( 2DPS)。西南成品油管道有 1 200 km 采用 3PE,
8、700 km 采用 FBE,甬沪宁管道 ( 650 km)全部采用 FBE,忠武输气管道( 900 km)全部采用 3PE 覆盖层。此外 ,将在苏丹输油管道应用的三层聚丙烯( 3PP)已在涂装厂开始生产并运往苏丹施工现场。3 管道外防腐层选用存在的问题管道防腐层出现的腐蚀问题有些归于防腐层的选用,有些则是由于覆盖层及涂装技术存在缺陷。补口技术选用存在的问题, 主要反映在与管体防腐层的结合、性能匹配以及补口施工等问题上, 导致管道防腐层过早出现失效;管道安装条件通常得到设计方的关注, 但涂装作业条件没有得到业主充分重视而难以控制涂装质量; 寿命越长的防腐层一般投资越大,其选择有向顶级看齐的倾向;
9、新类型材料的使用有泛滥之虑。3.1、 防腐层配套补口技术的局限性( 1)沥青类防腐层的补口传统石油沥青、煤焦油瓷漆防腐层采用环氧类、聚氨酯类涂料进行补口, 存在管体覆盖层和补口覆盖层之间的粘结力不足问题;补口带防腐层不能达到管体覆盖层性质和性能要求 , 而且同钢管基材的结合质量较差。浇涂补口质量可靠, 但国内只能采用手工浇涂 ,劳动条件恶劣。( 2)聚烯烃类防腐层的补口 3PE、3PP 等防腐层的补口可以采用重防腐液体涂料,但也存在液体涂料和聚烯烃防腐层之间的粘结问题;热缩套补口的技术要求很高,尤其是大口径管道的补口, 因达不到要求而容易产生小空鼓和粘结缺陷。3PE 防腐层的寿命更多地取决于补
10、口防腐层, 预期使用寿命受到影响。( 3)熔结环氧粉末覆盖层的补口熔结环氧粉末覆盖层的补口技术最为成熟, 包括粉末喷涂补口和无溶剂环氧涂料补口, 可以保证管体防腐层的预期使用寿命。各种补口防腐质量状况的改善, 需要引入聚氨酯/聚脲等快速固化成型的无溶剂液体涂料及双组分加热喷涂设备, 但这些先进技术装备必须由专业化的防腐公司来掌握与应用。3.2、 防腐层涂装作业条件与质量控制钢管防腐涂装质量取决于管道防腐厂的条件。但有些防腐厂的装备条件不具备,有些缺乏必要的生产技术人员, 从而无法达到防腐施工的工艺要求,给质量控制造成了很大的困难。一些不合格防腐层流入管道安装现场, 导致一些问题无法解决, 有的
11、甚至无法发现,如局部层下粘结力丧失的问题。业主应当对管道防腐承包商的资质进行严格把关, 对其装备条件进行周密的考察。3.3、 防腐层材料的应用历史防腐层的选择应根据防腐层的应用历史进行选择, 但这一点往往被忽视。管道防腐层的品种稳定周期很长,新品种从试验到规模应用的周期也比较长。管道防腐应当避免新类型材料的试验风险, 不能单凭试验室测试数据选择防腐材料和防腐层, 因为目前还没有科学方法来预测防腐层在运行中的表现及使用寿命。因此,对设计人员而言,选择具有长期良好运行记录的防腐层尤为重要。目前补口技术和材料的选择比较混乱, 部分管道的使用寿命受到了较大的影响。4 防腐层材料的应用问题及改进措施4.
12、1 石油沥青石油沥青防腐层不宜在沼泽、水下、盐碱土环境中使用, 其运行温度不能超过规定的使用温度范围。在植物根须繁茂的土壤中, 石油沥青防腐层被穿透的情况比较普遍。我国传统石油沥青防腐技术存在以下问题。( 1)浇涂缠绕工艺 浇涂缠绕工艺与现代管道逐根连续涂敷工艺不同 ,前者为钢管单根浇涂缠绕, 管端防腐层质量和外形的控制难度较高,容易产生质量缺陷、玻璃布未浸透等问题, 端头外形也不规则,端面没有坡面。( 2)防腐层的保护 传统技术直接采用沥青作为涂料, 缠绕玻璃布以增强防腐层的机械性能, 用塑料布作外保护。国外通常采用添加有矿物填料的沥青( 称为沥青瓷漆 ) ,使用玻璃毡增强覆盖层,防腐层表面
13、保护采用浸过沥青的玻璃毡或带网格层的玻璃毡, 使防腐层整体的一致性、 机械性能、 耐温性能得到了很大改善。在存放和管道敷设时,对于防腐层受阳光辐射出现变软、 变形的问题, 可以通过使用防晒漆解决。随着国外浇涂作业线的引进, 传统钢管沥青防腐工艺将逐步得到改进, 但防腐层材料技术仍不会变化。4.2 煤焦油瓷漆作为比较经济的防腐层, 煤焦油瓷漆的实际使用寿命很长,现有的寿命记录为 100 年, 目前在美国等发达国家的新建管道中仍在使用。煤焦油瓷漆存在的一些问题如下。(1)底漆涂装 部分国产防腐作业线保留了石油沥青作业线的底漆涂敷方法,其缺点是, 钢管螺旋送进, 在除锈后, 底漆随即经固定的刷子涂敷
14、到管表面, 底漆漆膜没有经过干燥就受到托辊的滚压和破坏。一方面底漆层很难保持完整, 另一方面除锈后的钢管很难进行除锈质量检查。(2)环境保护煤焦油瓷漆在涂敷时会产生有毒和有害的烟气,部分涂装作业线的处理设施或运行维护达不到规定要求, 造成环境污染。尽管国内主要的煤焦油瓷漆防腐厂对有毒烟气实行了有效控制 , 但在环保方面的争议,很大程度上制约了煤焦油瓷漆的进一步应用。(3)存放和搬运问题在夏季曾出现煤焦油瓷漆防腐层软化变形、防腐层之间粘连的情况。通常要求在煤焦油瓷漆防腐层上涂防晒漆, 并尽可能选择使用温度等级高的瓷漆, 否则暴晒可使黑色瓷漆的温度升高(可能高于气温 25 30 摄氏度 ) ; 长
15、期暴晒还可能造成轻组分迁移、芳香族苯环遭受破坏 , 致使防腐层老化、龟裂。此外,在冬季, 为了避免防腐层产生裂纹或开裂,瓷漆防腐层不能在低于最低静置温度的气温条件下放置。4.3 熔结环氧在所有管道覆盖层当中, 熔结环氧的粘结力最大,机械强度非常高, 具有最好的阴极保护可靠性, 通常没有阴极电流屏蔽问题。其主要缺陷有以下两个。(1)温度限制由于具有一定的亲水性, 熔结环氧防腐层运行温度一般限制在- 30 100 摄氏度 ,在地下水浸没或极度潮湿的地段,运行温度宜限制在 70 摄氏度以下。(2)机械损伤单层熔结环氧(FBE) 受到磕碰容易产生损伤,这种覆盖层非常坚硬, 但韧性不足。提高覆盖层厚度不
16、能提高其抗机械损伤的能力,反而会降低其能力, 厚度宜设定在 350 450 Lm 之间。双层熔结环氧防腐层( 2DPS) 能够提高运行温度 ,同时面层具有比较好的抗冲击能力。有观点认为, 2DSP 的厚度应达到 800 1200 Lm 或更厚才能显著改善单层 FBE 的抗磕碰损伤能力, 但这样的防腐层比较昂贵。4.4 3PE 结构3PE 结构被称为/完美涂层 0,其熔结环氧底层和管体结合牢固,中间胶粘剂层能够为底层和外层提供理想的粘结力, PE 外层完好,补口防腐层的性能和管体防腐层一致 ,使用寿命超过 40 年。3PE 结构的整体性控制和补口覆盖层质量是两个关键。(1)钢管防腐层预制质量3P
17、E 结构涂装工艺复杂,如果控制不严格 ,就会出现各种缺陷, 包括粘结力、 气泡与空鼓及厚度三类缺陷。尤其是粘结力的控制和钢管表面处理质量、钢管加热温度和温度均匀程度密切相关, 钢管表面有微尘、浮锈、油污, 粉末层固化不完全、固化过快甚至焦化, 都将产生粘结力缺陷,有的粘结力缺陷要经过一段时间甚至相当长的时间才能表现出来。同时, 粘结力缺陷的危害性最大 ,如果防腐层有破损,就可能出现阴极电流屏蔽, 导致防腐层下的钢管腐蚀加速。(2)补口技术和施工质量目前, 3PE 结构还不能用于补口,各种补口技术都不能达到管体防腐层的质量水平 ,也没有一种补口技术能够保证 3PE 结构的覆盖层完整性。国内主要采
18、用热缩套 /带补口, 手工作业难度大, 质量控制困难,尤其是大口径管道的补口。4.5 环氧煤沥青环氧煤沥青主要用于市政燃气管道、 水管道以及工厂管道等,长输管道一般只在站场和防腐层大修中采用。环氧煤沥青的应用主要存在以下问题。( 1)覆盖层结构国内大多采用玻璃布增厚的薄覆盖层结构,由于漆膜薄,玻璃布和涂料不易融合,与纯环氧煤沥青覆盖层相比,其抗冲击性、阴极剥离、耐介质腐蚀性大幅度下降,因此除现场施工因素外,加玻璃布增厚是造成管道覆盖层出现质量问题的客观因素。( 2)涂敷要求国内与国外技术有较大的差距。美国 ANSI/AWWA C210 规定, 湿膜厚度为 0. 35 mm 时应无流挂, 覆盖层
19、结构为一底一面或一底二面即达到所需厚度;国内标准没有不流挂厚度指标 , 涂料不能厚涂, 所以采用玻璃布增厚。无溶剂、 厚膜型和快速固化产品不仅简化了环氧煤沥青覆盖层的涂装工艺( 只涂 1 3 道,不使用玻璃布 ) ,而且保障了覆盖层的防腐性能, 应当大力推广,这样才能解决环氧煤沥青目前面临的问题。我国长输管道外防腐层的应用已经和国外同步,先进技术得到推广,传统方式逐步被淘汰。钢管涂装作业装备、 涂装过程控制以及补口技术开发与引进的问题需要引起业内的注意,并认真加以解决;补口防腐层质量的提高、 技术的进步有待于专业化现场补口作业公司的诞生和发展。参考文献【1】 张本新. 埋地长输管道的防腐与防护J. 管道技术与设备 , 2011,(01) .【2】 杨静,马国光,张友波,李仁科. 长输管道外防护技术研究J. 全面腐蚀控制, 2005,(05) .【3】 李安军,张智亮. 输油管道防腐新技术J. 化工装备技术, 2008,(01) .【4】 陈强. 国内外油气管道防腐新技术发展现状J. 甘肃石油和化工 , 2010,(03) .【5】 黄学斌. 埋地管道防腐涂料的发展趋势J. 广州化工, 2010,(09) .【6】 徐欣,许立宁,柳伟. 埋地管线防腐层性能评价研究进展J. 腐蚀科学与防护技术, 2011,(04)
