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    第十章 管道外防腐層性能比較

     

    第一節 選擇防腐層時需考慮的因素

     

    在選擇管線防腐層時,有幾個因素是很重要的,如:防腐層厚度,粘著

    力, 抗剝離性能,工作溫度,性能記錄,抗沖擊性,抗拉強度,延伸度,水滲

    透性, 涂敷工藝,抗生物侵蝕性,和混凝土加重層以及陰極保護系統的相

    容性。

    本文對海底和陸地兩種環境下的通用防腐層進行了討論, 評述和分

    類。 通用防腐層包括瀝青,煤焦油,環氧粉末,及聚乙烯防腐層。本文對

    現場補口的方法也進行了討論。其目的在于對選擇管線外防腐層相關的

    技術參數進行逐個的評述。但僅限于少數的通用管線防腐層。將防腐層

    如此分類也許會有爭議,但為了對現有資料進行評述,這樣的簡化是必要

    的。

     

    第二節 術語解釋如下

     

    1. 瀝青防腐層:熱涂瀝青防腐層,包括厚度3~7mm,內外纏繞加強玻

    璃纖維布或石棉的瀝青防腐層和厚度為13~20mm, 用砂子或石棉纖維加

    強的瀝青砂膠。

    2.煤焦油防腐層:為熱涂,煤焦油防腐層,厚度3~7mm,和瀝青防腐層

    一樣,內外用玻璃纖維或石棉來加強。

    3.環氧粉末防腐層:將干的環氧粉末靜電噴涂在熱管上而制成,厚度

    約0.3~0.5mm。

    4. 聚乙烯防腐層:聚慚烯基膜,厚度約2~4mm,可進一步細分為如下

    三類。

    ·將純聚慚烯粉末粘到噴丸除銹后的熱管上。

    ·沿縱或橫向擠壓聚乙烯板, 并將其粘接在除銹后的熱管上;蛘

    接到瀝青或橡膠基膜上。

    ·冷纏或熱纏聚乙烯粘膠帶 (一面或兩面帶有粘接劑),也有些是用

    橫向交聯的聚乙烯制成的熱收縮套。

     

    第三節 管道防腐層綜述

     

    在根據管線防腐層的長期防腐性能對其進行分類時, 有幾個指標是

    很重要的。

    防腐層厚度及性能的較大差異及不通用的試驗方法和結果, 是評價

    防腐層的主要困難。對各指標進行更加詳細的討論,可能會得出與表1不

    同的結論。

    1.防腐層厚度

    列入表1或下面將要討論的其他幾個參數取決于防腐層厚度。 與薄

    膜環氧防腐層相比,瀝青及煤焦油防腐層的厚度大是其一大優點,這將意

    味著,在管線長期運行期間,它不足夠的裕量來抵抗生物侵蝕,磨損,及化

    學,物理性能的退化?箾_擊性能和總滲透性也依賴于防腐層厚度,因此,

    對厚度指標應給予足夠重視。

    2.粘著力

    高粘著力是環氧粉末防腐層的一大優點, 據報道,其粘著力可達255

    Kg/cm`+2!`,即25MPa。

    對于瀝青基防腐層, 很難得到可比較的粘著力數值。在一定假設條

    件下,利用其基本數據進行簡單計算,可估算出它對鋼材的粘著力數值約

    為20 Kg/cm`+2!`,即2MPa。

    在可比條件下,一般認為,煤焦油防腐層對鋼材的粘著力稍大于瀝青

    防腐層。較高的估計值一般大于2MPa。這可能是因為在煤焦油防腐層中,

    含極性羥基較高的緣故。

    對聚乙烯防腐層, 是以其抗撕扯能力表示粘著力大小。 其單位是

    N/cm (單位長度的力)。該數值可以0.1N/cm變化到400N/cm。(依據試驗

    時間和粘接劑類型) ,當以熔化型聚乙烯聚合物為粘接劑時,其抗撕扯性

    能最好, 而以瀝青或異丁橡膠為粘接劑時,其抗撕扯性能最差。這說明,

    當直接將聚乙烯涂到管子上時,其粘著力要大于帶瀝青基膜時的粘著力。

    防腐廠通常給出室溫下, 新涂防腐層的粘著力或抗撕扯性能的試驗

    值。 但在實際中,防腐層是埋入地下或浸入水中,因此,其粘著力隨時間

    的變化速度更為重要。

    

    3.剝離

    在長期浸于水中或埋入土壤過程中, 所有有機防腐層似乎都或多或少

    地產生剝離。一般認為,剝離與擴散現象有關,而擴散又或多或少地受陰極

    保護的影響。即陰極剝離。

    剝離機理可能包括氫離子反應, 而氫離子又是陰極保護的產物。對聚

    乙烯防腐層,它固有的化學不活潑性及較鋼材大得多的熱膨脹系數,也是產

    生剝離的主要因素。另外,過小的滲水性也將加速陰極剝離。只所以這樣,

    是因為滲透性較好的防腐層能把反應產物吸收有孔隙中, 而滲透性較差的

    防腐層則被反應產物撐起來。

    ①陸地管道運行經驗

    近年來, 對防腐層的選用發生了變化,與過去常用的瀝青,煤焦油基防

    腐層不同, 環氧粉末和聚乙烯防腐層的應用占了很大比例。產生該變化的

    原因之一是,剝離防腐層下面的應力腐蝕裂紋經常引發事故。也有資料說,

    應力腐蝕裂紋并不僅是剝離的結果, 管子表面殘余的氧化皮或腐蝕產物沒

    進行適當的表面處理也可能是產生應力腐蝕裂紋的必要條件。

    通過對德國的一條埋地聚乙烯防腐層管線的觀察 (只發生了較輕的一

    般腐蝕,沒有局部腐蝕),觀察表明,管線埋設7年或更長的時間后,聚乙烯防

    腐層的粘著力確有下降。 剝離現象首先出現在粘接型聚乙烯防腐層上,隨

    后才在擠壓粘接型聚乙烯防腐層上發生。

    其他學者認為, 由于剝離防腐層的屏蔽作用,使管子不再受陰極保護,

    因此,聚乙烯或類似材料,如PVC,防腐層的剝離是一種腐蝕事故。

    目前, 還不知道環氧粉末防腐層(最早的已有20年)與管線的粘著或剝

    離狀況。

    ②陸地管線的陰極剝離試驗

    外加電流陰極保護系統對剝離過程有限強的促進作用。剝離的主要機

    理似乎是氫氧根離子與防腐層中極性粘接成分的反應。

    已經發表了幾個陰極剝離試驗的結果,早期的試驗(雖然更適于環氧粉

    末)沒對此處討論的通用防腐層進行明確劃分。然而,最新的試驗結果表明,

    與厚膜瀝青,煤焦油防腐層相比,環氧粉末和聚乙烯防腐層更易發生陰極剝

    離。

    而在評價厚膜管線防腐層的防護性能時, 陰極剝離試驗幾乎不能作為

    一個有重要意義的試驗。而公認為,粘接強度在管線運輸,鋪設中更有意義。

    假設防腐層的化學,物理性能滿足要求,且與管子表面粘接良好。

    對各種剝離試驗方法之間的關系是有爭議的, 但無疑,對同一防腐層,

    尤其是薄膜防腐層,管線防腐層的剝離,意味著機械損壞的危險性增大。

    海底管線運行經驗

    據報道,海底管線防腐層的剝離不是一個重要問題。實際上,至今為止,

    所有大直徑海底管線都是采用厚膜瀝青,或煤焦油防腐層,且外加混凝土加

    重層。 只有最近在地中海鋪設的一條管線是用聚乙烯防腐層,在北海鋪設

    的一條管線用環氧粉末防腐層。

    在小,中直徑,無混凝土加重層的管線上用環氧粉末防腐層防腐已有20

    年的歷史,幾乎沒有關于環氧粉末,聚乙烯防腐層管線的運行記錄。有報道

    說,在溫濕環境中,環氧粉末防腐層有在幾個月內就喪失粘著力的危險。

    海底管線的陰極剝離

    與陸地管線相比, 海底管線的陰極剝離試驗意義不大。原因是海底管

    線大多采用犧牲鋅極或鋁極陰極保護,其電壓僅為0.25V。與外加電流陰極

    保護系統的電壓(幾伏)相比較小,所以,海底管線不可能發生過保護。另外,

    大于某一直徑的所有海底管線,防腐層外部都有混凝土加重層,它能有效地

    防止防腐層剝離和機械損傷。

    陸地管線聚乙烯防腐層的剝離記錄是限制它作海底管線防腐層的重要

    原因。

    對剝離防腐層間隙下面的陰極保護效率進行了研究表明, 在一定條件

    下,當間隙中充滿停滯海水時,腐蝕似乎停止,而當間隙中的海水流動時,陰

    極保護只有很小的作用。

    剝離區域范圍,間隙寬度,及管線運營溫度都是重要參數。當進行適當

    的陰極保護時,與豎管(部分管段處于較高的溫度下)相比,海底管線防腐層

    的剝離,危險性較小。

    但無論如何,最好的方法是避免防腐層剝離。

    4.運營溫度界限

    根據實驗室確定的軟化點,熔化點,老化溫度來確定管線的運營溫度有

    很大爭議。一般認為,最高運營溫度與防腐層軟化點相差30℃。

    廠家標明的環氧粉末防腐層的上限運營溫度約100~120℃。最近的記

    錄表明,該數值的可信的。

    瀝青和煤焦油基防腐層管線的上限運營溫度在50~90℃之間。 最近,

    通過對海底管線煤焦油防腐層的研究發現,在熱管線上,其軟化點隨時間而

    提高。也有文獻說,在混凝土加重層下面的涂料,在較冷的海水中能耐90℃

    高溫。

    聚乙烯防腐層的上限運營溫度約65℃。

    通常, 沒有嚴格規定運營溫度下限。廠家一般標明環氧粉末和聚乙烯

    防腐層管線運營溫度下限是-40℃。煤焦油防腐層-30℃,瀝青防腐層-25℃。

     

    與瀝青, 煤焦油防腐層相比,環氧粉末和聚乙烯防腐層管線的彎曲,裝

    卸溫度范圍小。這可能是因為,短時低溫造成的瀝青,煤焦油防腐層的輕微

    破壞,在溫度回升時,由于流動,能在某種程度上自身愈和,而環氧粉末和聚

    乙烯防腐層無此能力。

    5.抗沖擊性能

    考慮到管子裝卸, 運輸,布管,下溝,回填,土壤應力,拖網沖擊,澆鑄混

    凝土加重層,防腐層的抗沖擊性是很有意義的。以下討論說明,如果不考慮

    管線實際的運營環境,實驗室試驗結果可能會有誤的。

    ①實驗室試驗結果

    相應于不同的溫度和條件,已經發表了各種各樣的沖擊試驗結果?

    歸結為下表。

     

    防腐層抗沖擊強度 表2

    ┏━━━━━┯━━━━━━┓

    ┃防腐層類型│耐沖擊值 N/m┃

    ┠─────┼──────┨

    ┃ 環氧粉末 │ 4~88 ┃

    ┠─────┼──────┨

    ┃ 瀝 青 │ 2~8 ┃

    ┠─────┼──────┨

    ┃ 聚 乙 烯 │ 35~50 ┃

    ┗━━━━━┷━━━━━━┛

    (防腐層厚度見表1)

     

    從表2似乎可以看出, 就沖擊強度而言,環氧粉末和聚乙烯防腐層的上

    限值要比瀝青防腐層高得多, 煤焦油防腐層與瀝青防腐層的抗沖擊性能為

    同一數量級。

    ②實際經驗

    對于沒有混凝土外層的陸上埋地管線,聚乙烯防腐層對抵抗管子裝卸,

    運輸過程中的破壞的能力要比瀝青,煤焦油防腐層優良得多。與厚膜瀝青,

    煤焦油防腐層相比,環氧粉末防腐層最易受碰撞破壞。不過,只要在管子裝

    卸,運輸,和鋪管過程中采用預防措施,此缺點很容易克服。

    當防腐層被高質量混凝土加重層包裹時, 大直徑海底管線防腐層的抗

    沖擊性能沒有實際意義。 但薄膜環氧粉末防腐層除外,因為在澆鑄混凝土

    時, 防腐層易遭破壞。因此,在澆鑄混凝土外層時,應在防腐層和混凝土加

    重層之間加入一緩沖層。

    6.延伸度

    管線防腐層必須有一定的相對延伸度, 從而能夠抵抗鋪管時的彎曲和

    運營過程中,彎頭的反復移動。若防腐層相對延伸率不足,則由于試壓而使

    管徑增大時,防腐層甚至會出現縱向裂紋。

    特殊情況下, 防腐層局部環向應變可達3~4%。陸地管線局部環向應

    變最大可達2%。 對于沒有冷彎和屈服試壓的海底管線,防腐層延伸率達

    0.5~1%, 就可滿足要求。采用輪式鋪管船鋪管時將產生延伸達1~2%的

    反復彎曲。

    相對延伸率的概念是不嚴密的,通常是指防腐層斷裂時的極限延伸率,

    對所討論的防腐層,由于加載速度和溫度不同,將產生不同程度的變化。

    廠家標明的環氧粉末防腐層室溫下延伸率約2~6%, 加載速度對它的

    影響很小。

    對于瀝青防腐層,當溫度為4~20%,加載周期300s時,可估算出斷裂時

    的延伸率為2.5~5%。 當防腐層被加強后,其延伸性能將復雜化?稍O定

    煤焦油防腐層與瀝青防腐層具有相近的延伸率。已發表的聚乙烯防腐層的

    極限延伸率為500~600%。

    對于塑料材料,尤其是聚乙烯,材料性能發生根本變化的臨蜀延伸率要

    比它斷裂時的延伸率小得多。

    對于海底管線, 此處所討論的所有通用防腐層似乎都能滿足最小相對

    延伸率要求。 而當地陸上管一進行冷彎時,瀝青,煤焦油防腐層,甚至某些

    環氧粉末防腐層都有困難。

    7.拉伸強度

    僅管以下數值的來源和試驗方法不同, 但它能表明所討論防腐層的強

    度等級。

     

    表3 防腐層拉伸強度

    ┏━━━━━━━┯━━━━━━┓

    ┃ 防腐層類型 │拉伸強度 MPa┃

    ┠───────┼──────┨

    ┃環氧粉末防腐層│ 50 ┃

    ┠───────┼──────┨

    ┃ 瀝青防腐層 │ 2 ┃

    ┠───────┼──────┨

    ┃ 聚乙烯防腐層 │ 15 ┃

    ┗━━━━━━━┷━━━━━━┛

     

    環氧粉末防腐層的上述數值是廠家標明的, 瀝青的抗拉強度值是根

    據公路工業的數據大致估算的。 聚乙烯防腐層的抗拉強度是公布的數

    據。

    煤焦油防腐層與瀝青防腐層具有相同的抗拉強度, 而環氧粉末防腐

    層和聚乙烯防腐層的抗拉強度, 而環氧粉末防腐層和聚乙烯防腐層的抗

    拉強度要比它們高幾倍。

    對于粘接在管表面的有機防腐層,抗拉強度指標的意義不大,對于外

    加混凝土加重層的海底管線,抗拉強度指標實際上沒有意義。

    8.水滲透性

    所有有機防腐層都或多或少地具有滲水性,與薄膜環氧防腐層相比,

    瀝青和煤焦油的滲透與雖然較高, 但可用其大厚度來補償。聚乙烯防腐

    層滲透性差, 也較厚。 (數據見表1,其中瀝青防腐層的數據是廠家給出

    的)。

    據報道, 鋪設多年的瀝青防腐層管線,由于生物侵蝕,所需陰極保護

    電流在逐年增大, 對聚乙烯和環氧粉末防腐層, 還沒可供比較的長期數

    據。

    如果生物侵蝕是嚴重的,那么,薄膜環氧粉末防腐層的滲水性將隨時

    間而增大。 聚乙烯防腐層埋地管線最初所需的陰極保護電流最小,環氧

    粉末防腐層稍高,瀝青基防腐層電流最大。

    可以這樣說,為了滿足管線運營期間對陰極保護電流的要求,考慮到

    防腐層厚度,涂料的滲水性應低于某一數值。

    9.氧滲透性

    低的氧滲透性是一優點, 因為氧是鋼材腐蝕的必要條件。環氧粉末

    防腐層的氧滲透性明顯低于聚乙烯防腐層(見表1)。

    和滲水性一樣, 在可比的各級防腐層中,關于氧滲透性的影響,還沒

    有確定的結論。

    10.生物侵蝕

    有機防腐層可能會受到生物侵蝕, 煤焦油基防腐層含有毒的酚醛成

    分, 在這方面是一個優點。埋地管線的瀝青防腐層會被植物根損傷或穿

    透,而煤焦油防腐層卻不會遭受這種破壞。

    土壤中微生物對瀝青基防腐層的侵蝕似乎更嚴重。

    對厚膜防腐層, 生物侵蝕似乎是主要問題,而在管線長期運營時,微

    生物可能會損壞薄膜環氧粉末防腐層。

    11.耐磨

    對于陸上管線和沒有混凝土加重層的海底管線, 防腐層耐磨性及其

    對土壤應力的抵抗能力是很重要的, 在這方面,防腐層厚度有很大影響,

    它能在某種程度上,使之與環氧粉末防腐層的機械韌性相媲敵。

    12.涂敷性能

    根據瑞典標準Sa2.5或相應的NACE N02,瀝青,煤焦油及其他防腐層,

    在涂底漆時,都要求管面最小清潔度達近白色。

    在縱焊縫附近, 粘著力可能不足,因此,必須有一個適當的質量控制

    系統,保證正確涂敷,尤其那些防腐層質量取決于手工勞動的地方。

    在涂敷工藝上,聚乙烯防腐層和瀝青,煤焦油防腐層有某些相似之處。

    雖然其生產對人工勞動依懶性不大, 但涂敷困難同樣要求嚴格的質量控

    制。

    與其他防腐層相比,環氧粉末防腐層在涂敷和固化過程中,對管子表

    面清潔度, 粗糙度及溫度要求更為嚴格。因此,要保證防腐層質量,從粉

    末生產到涂敷廠,必須進行嚴格的質量控制。

    與混凝土加重層的相容性

    大于某一直徑的所有海底管線, 都需用混凝土外層來增加負浮力。

    如果加重層有相當的強度且采取了加強措施,使之在鋪管時不被破壞,那

    么, 它可以對防腐層起到很好的機械保護作用。對陸地管線也有同樣作

    用;炷镣鈱油ǔJ菨茶T而成。

    厚膜瀝青,煤焦油,及聚乙烯防腐層,對混凝土澆鑄工藝無特殊要求,

    而薄膜環氧粉末防腐層需采取預防措施。以免受到損壞。

    管線鋪設:

    鋪設海底管線的主要經驗是: 高質量混凝土加重層下面的瀝青和煤

    焦油防腐層,不會給鋪管帶來問題。在歐洲水域中,還沒有鋪設環氧粉末

    和聚乙烯防腐層管線的經驗,也無重大問題的報道。

    鋪設150m水下的管線,可以認為,由于張力而引起的混凝土加重層和

    瀝青防腐層之間的, 滑移,沒有什么危害。而在海水更深時,各種防腐層

    與混凝土加重層之間的滑移特性還需進一步研究。即便是在適當的水深

    和加有緩沖層的情況下, 環氧粉末防腐層與混凝土加重層之間的滑移也

    應予于足夠重視。對聚乙烯防腐層這面的特性知道的很少。

    在鋪設陸地管線時,一般認為瀝青和煤焦油防腐層易遭破壞。

    當采取一定防護措施,聚乙烯和環氧粉末防腐層要好得多。

    13.野外補口

    在鋪管船上,傳統的補口方法是用瀝青砂膠澆鑄,若能正確地使用瀝

    青砂膠, 這種方法是非常令人滿意的。瀝青砂膠起著防腐和充填與混凝

    土外層間隙的雙重作用。

    在瀝表砂膠下面經常使用PVC/瀝青粘膠帶,其優點如下:

    ·它是涂敷或包裹管子的方便方法。

    ·底部帶有粘膠帶的瀝青砂膠充填接頭, 能比無膠帶接頭更有效地

    抵抗拖網的沖擊。

    反對使用粘膠帶的理由是:

    ·一旦剝離,會對陰極保護起屏蔽作用,且細菌會在縫隙的停滯海水

    中生長。

    ·澆鑄熱瀝青砂膠時,會損壞膠帶。

    ·不良的性能記錄。

    在陸上管線中, 粘接型聚乙烯作補口材料有良的使用記錄。

    象其他聚乙烯材料一樣,在聚乙烯防腐層管線上用熱收縮套補口時,

    有可能喪失粘著力。不過,聚乙烯熱縮套比冷纏PVC膠帶機械強度高。

    雖然在類似的應用中,聚氨脂的長期性能記錄不令人信服,但它可能

    適于作現場接頭充填材料。其明顯的缺點是,密度小,抵消混凝土加重層

    的負浮力。另外,它可能會將氟氯烷釋放到大氣中(甚至微量的異氰酸鹽)

    從而造成環境污染。

    補口材料最好是與防腐層同樣的材料, 環氧粉末防腐層最好用環氧

    粉末補口。因此,對接口處管子必須進行嚴格的噴丸除銹和溫度控制,當

    然,在野外作到這一點是很困難的。

    對帶有混凝土加重層的海底管線, 一般都需要填充材料,NPD研究了

    一種不加金屬模具(它有破壞漁具的危險)的新方法,促進了現場補口。

    根據近白, 或Sa2.5噴丸除銹標準,對現場補口管子表面進行適當處

    理也是很重要的。

    14.陰極保護

    對于海底管線,犧牲鋅極或鋁極陰極保護是唯一可行的方法,它不會

    產生導致防腐層剝離過保護。另外,在海水中,防腐層的退化在很大程度

    上能得到沉淀石灰質的補償。

    在設計北海瀝青,煤焦油防腐層管線的陰極保護系統時,將裸管平均

    參數取為10%。 這樣設計,即不保守,效果也非常滿意。必須想到,在惡

    劣氣候和深水中鋪管時,防腐層最初的破壞是不可避免的。

    最近鋪設的一條薄膜環氧粉末防腐層管線,裸鋼設計參數取為2.5%。

    對環氧粉末及聚乙烯防腐層的海底管線,還沒有運行觀測記錄發表。

    陸上埋地管線一般采用外加電流陰極保護, 它很可能導致過保護和

    陰極剝離。 從以上討論似乎可以看出,環氧粉末,聚乙烯防腐層比瀝青,

    煤焦油防腐層更容易發生陰極剝離。不過,瀝青,煤焦油防腐層管線的陰

    極保護電流要大些。

    四.性能總結

    對于海底管線,瀝青及煤焦油防腐層非常滿意。還沒有獨立的,環氧

    粉末及聚乙烯防腐層管線的應力腐蝕和一般腐蝕經常引發事故, 這似乎

    促進了環氧粉末防腐層的應用。當然,上述腐蝕事故中,表面處理不當是

    其重要原因。

    盡管認為環氧粉末防腐層效果最好, 但幾乎還沒有關于它的長期使

    用性能記錄,而早期的事故是眾所周知的。

    已經證實,在埋地管線運營期間,聚乙烯防腐層會發生剝離。但對剝

    離程度還有爭議。這可能是因為,當管子表面處理適當,且陰極保護合適

    時,剝離現象就不嚴重。盡管剝離,一般還認為聚乙烯防腐層具有良好的

    防腐效果。

    可以認為,因為技術上的原因,不要四種防腐層中的任一種都不是適

    當的。對帶有混凝土加重層的海底管線,瀝青,煤焦油仍是適用的防腐層,

    也可能是最好的涂料。環氧粉末防腐層次之,聚乙烯防腐層最差,這不僅

    是因為它易于剝離,且上限溫度低。

    對于陸地管線, 環氧粉末防腐層是最佳選擇,(尤其是工作溫度較高

    時)。如果表面處理適當,且裝卸,下溝時注意防護,那么,瀝青,煤焦油防

    腐層仍是適用的。

    聚乙烯防腐層適于作陸上埋地管線防腐層, 盡管它易于剝離且上限

    溫度低,但在管線下溝和運營期間不易損壞。

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