第十章 管道外防腐层性能比较

第一节 选择防腐层时需考虑的因素

在选择管线防腐层时,有几个因素是很重要的,如:防腐层厚度,粘着

力, 抗剥离性能,工作温度,性能记录,抗冲击性,抗拉强度,延伸度,水渗

透性, 涂敷工艺,抗生物侵蚀性,和混凝土加重层以及阴极保护系统的相

容性。

本文对海底和陆地两种环境下的通用防腐层进行了讨论, 评述和分

类。 通用防腐层包括沥青,煤焦油,环氧粉末,及聚乙烯防腐层。本文对

现场补口的方法也进行了讨论。其目的在于对选择管线外防腐层相关的

技术参数进行逐个的评述。但仅限于少数的通用管线防腐层。将防腐层

如此分类也许会有争议,但为了对现有资料进行评述,这样的简化是必要

的。

第二节 术语解释如下

1. 沥青防腐层:热涂沥青防腐层,包括厚度3～7mm,内外缠绕加强玻

璃纤维布或石棉的沥青防腐层和厚度为13～20mm, 用砂子或石棉纤维加

强的沥青砂胶。

2.煤焦油防腐层:为热涂,煤焦油防腐层,厚度3～7mm,和沥青防腐层

一样,内外用玻璃纤维或石棉来加强。

3.环氧粉末防腐层:将干的环氧粉末静电喷涂在热管上而制成,厚度

约0.3～0.5mm。

4. 聚乙烯防腐层:聚惭烯基膜,厚度约2～4mm,可进一步细分为如下

三类。

·将纯聚惭烯粉末粘到喷丸除锈后的热管上。

·沿纵或横向挤压聚乙烯板, 并将其粘接在除锈后的热管上。或粘

接到沥青或橡胶基膜上。

·冷缠或热缠聚乙烯粘胶带 (一面或两面带有粘接剂),也有些是用

横向交联的聚乙烯制成的热收缩套。

第三节 管道防腐层综述

在根据管线防腐层的长期防腐性能对其进行分类时, 有几个指标是

很重要的。

防腐层厚度及性能的较大差异及不通用的试验方法和结果, 是评价

防腐层的主要困难。对各指标进行更加详细的讨论,可能会得出与表1不

同的结论。

1.防腐层厚度

列入表1或下面将要讨论的其他几个参数取决于防腐层厚度。 与薄

膜环氧防腐层相比,沥青及煤焦油防腐层的厚度大是其一大优点,这将意

味着,在管线长期运行期间,它不足够的裕量来抵抗生物侵蚀,磨损,及化

学,物理性能的退化。抗冲击性能和总渗透性也依赖于防腐层厚度,因此,

对厚度指标应给予足够重视。

2.粘着力

高粘着力是环氧粉末防腐层的一大优点, 据报道,其粘着力可达255

Kg/cm`+2!`,即25MPa。

对于沥青基防腐层, 很难得到可比较的粘着力数值。在一定假设条

件下,利用其基本数据进行简单计算,可估算出它对钢材的粘着力数值约

为20 Kg/cm`+2!`,即2MPa。

在可比条件下,一般认为,煤焦油防腐层对钢材的粘着力稍大于沥青

防腐层。较高的估计值一般大于2MPa。这可能是因为在煤焦油防腐层中,

含极性羟基较高的缘故。

对聚乙烯防腐层, 是以其抗撕扯能力表示粘着力大小。 其单位是

N/cm (单位长度的力)。该数值可以0.1N/cm变化到400N/cm。(依据试验

时间和粘接剂类型) ,当以熔化型聚乙烯聚合物为粘接剂时,其抗撕扯性

能最好, 而以沥青或异丁橡胶为粘接剂时,其抗撕扯性能最差。这说明,

当直接将聚乙烯涂到管子上时,其粘着力要大于带沥青基膜时的粘着力。

防腐厂通常给出室温下, 新涂防腐层的粘着力或抗撕扯性能的试验

值。 但在实际中,防腐层是埋入地下或浸入水中,因此,其粘着力随时间

的变化速度更为重要。



3.剥离

在长期浸于水中或埋入土壤过程中, 所有有机防腐层似乎都或多或少

地产生剥离。一般认为,剥离与扩散现象有关,而扩散又或多或少地受阴极

保护的影响。即阴极剥离。

剥离机理可能包括氢离子反应, 而氢离子又是阴极保护的产物。对聚

乙烯防腐层,它固有的化学不活泼性及较钢材大得多的热膨胀系数,也是产

生剥离的主要因素。另外,过小的渗水性也将加速阴极剥离。只所以这样,

是因为渗透性较好的防腐层能把反应产物吸收有孔隙中, 而渗透性较差的

防腐层则被反应产物撑起来。

①陆地管道运行经验

近年来, 对防腐层的选用发生了变化,与过去常用的沥青,煤焦油基防

腐层不同, 环氧粉末和聚乙烯防腐层的应用占了很大比例。产生该变化的

原因之一是,剥离防腐层下面的应力腐蚀裂纹经常引发事故。也有资料说,

应力腐蚀裂纹并不仅是剥离的结果, 管子表面残余的氧化皮或腐蚀产物没

进行适当的表面处理也可能是产生应力腐蚀裂纹的必要条件。

通过对德国的一条埋地聚乙烯防腐层管线的观察 (只发生了较轻的一

般腐蚀,没有局部腐蚀),观察表明,管线埋设7年或更长的时间后,聚乙烯防

腐层的粘着力确有下降。 剥离现象首先出现在粘接型聚乙烯防腐层上,随

后才在挤压粘接型聚乙烯防腐层上发生。

其他学者认为, 由于剥离防腐层的屏蔽作用,使管子不再受阴极保护,

因此,聚乙烯或类似材料,如PVC,防腐层的剥离是一种腐蚀事故。

目前, 还不知道环氧粉末防腐层(最早的已有20年)与管线的粘着或剥

离状况。

②陆地管线的阴极剥离试验

外加电流阴极保护系统对剥离过程有限强的促进作用。剥离的主要机

理似乎是氢氧根离子与防腐层中极性粘接成分的反应。

已经发表了几个阴极剥离试验的结果,早期的试验(虽然更适于环氧粉

末)没对此处讨论的通用防腐层进行明确划分。然而,最新的试验结果表明,

与厚膜沥青,煤焦油防腐层相比,环氧粉末和聚乙烯防腐层更易发生阴极剥

离。

而在评价厚膜管线防腐层的防护性能时, 阴极剥离试验几乎不能作为

一个有重要意义的试验。而公认为,粘接强度在管线运输,铺设中更有意义。

假设防腐层的化学,物理性能满足要求,且与管子表面粘接良好。

对各种剥离试验方法之间的关系是有争议的, 但无疑,对同一防腐层,

尤其是薄膜防腐层,管线防腐层的剥离,意味着机械损坏的危险性增大。

海底管线运行经验

据报道,海底管线防腐层的剥离不是一个重要问题。实际上,至今为止,

所有大直径海底管线都是采用厚膜沥青,或煤焦油防腐层,且外加混凝土加

重层。 只有最近在地中海铺设的一条管线是用聚乙烯防腐层,在北海铺设

的一条管线用环氧粉末防腐层。

在小,中直径,无混凝土加重层的管线上用环氧粉末防腐层防腐已有20

年的历史,几乎没有关于环氧粉末,聚乙烯防腐层管线的运行记录。有报道

说,在温湿环境中,环氧粉末防腐层有在几个月内就丧失粘着力的危险。

海底管线的阴极剥离

与陆地管线相比, 海底管线的阴极剥离试验意义不大。原因是海底管

线大多采用牺牲锌极或铝极阴极保护,其电压仅为0.25V。与外加电流阴极

保护系统的电压(几伏)相比较小,所以,海底管线不可能发生过保护。另外,

大于某一直径的所有海底管线,防腐层外部都有混凝土加重层,它能有效地

防止防腐层剥离和机械损伤。

陆地管线聚乙烯防腐层的剥离记录是限制它作海底管线防腐层的重要

原因。

对剥离防腐层间隙下面的阴极保护效率进行了研究表明, 在一定条件

下,当间隙中充满停滞海水时,腐蚀似乎停止,而当间隙中的海水流动时,阴

极保护只有很小的作用。

剥离区域范围,间隙宽度,及管线运营温度都是重要参数。当进行适当

的阴极保护时,与竖管(部分管段处于较高的温度下)相比,海底管线防腐层

的剥离,危险性较小。

但无论如何,最好的方法是避免防腐层剥离。

4.运营温度界限

根据实验室确定的软化点,熔化点,老化温度来确定管线的运营温度有

很大争议。一般认为,最高运营温度与防腐层软化点相差30℃。

厂家标明的环氧粉末防腐层的上限运营温度约100～120℃。最近的记

录表明,该数值的可信的。

沥青和煤焦油基防腐层管线的上限运营温度在50～90℃之间。 最近,

通过对海底管线煤焦油防腐层的研究发现,在热管线上,其软化点随时间而

提高。也有文献说,在混凝土加重层下面的涂料,在较冷的海水中能耐90℃

高温。

聚乙烯防腐层的上限运营温度约65℃。

通常, 没有严格规定运营温度下限。厂家一般标明环氧粉末和聚乙烯

防腐层管线运营温度下限是-40℃。煤焦油防腐层-30℃,沥青防腐层-25℃。

与沥青, 煤焦油防腐层相比,环氧粉末和聚乙烯防腐层管线的弯曲,装

卸温度范围小。这可能是因为,短时低温造成的沥青,煤焦油防腐层的轻微

破坏,在温度回升时,由于流动,能在某种程度上自身愈和,而环氧粉末和聚

乙烯防腐层无此能力。

5.抗冲击性能

考虑到管子装卸, 运输,布管,下沟,回填,土壤应力,拖网冲击,浇铸混

凝土加重层,防腐层的抗冲击性是很有意义的。以下讨论说明,如果不考虑

管线实际的运营环境,实验室试验结果可能会有误的。

①实验室试验结果

相应于不同的温度和条件,已经发表了各种各样的冲击试验结果。可

归结为下表。

防腐层抗冲击强度 表2

┏━━━━━┯━━━━━━┓

┃防腐层类型│耐冲击值 N/m┃

┠─────┼──────┨

┃ 环氧粉末 │ 4～88 ┃

┠─────┼──────┨

┃ 沥 青 │ 2～8 ┃

┠─────┼──────┨

┃ 聚 乙 烯 │ 35～50 ┃

┗━━━━━┷━━━━━━┛

(防腐层厚度见表1)

从表2似乎可以看出, 就冲击强度而言,环氧粉末和聚乙烯防腐层的上

限值要比沥青防腐层高得多, 煤焦油防腐层与沥青防腐层的抗冲击性能为

同一数量级。

②实际经验

对于没有混凝土外层的陆上埋地管线,聚乙烯防腐层对抵抗管子装卸,

运输过程中的破坏的能力要比沥青,煤焦油防腐层优良得多。与厚膜沥青,

煤焦油防腐层相比,环氧粉末防腐层最易受碰撞破坏。不过,只要在管子装

卸,运输,和铺管过程中采用预防措施,此缺点很容易克服。

当防腐层被高质量混凝土加重层包裹时, 大直径海底管线防腐层的抗

冲击性能没有实际意义。 但薄膜环氧粉末防腐层除外,因为在浇铸混凝土

时, 防腐层易遭破坏。因此,在浇铸混凝土外层时,应在防腐层和混凝土加

重层之间加入一缓冲层。

6.延伸度

管线防腐层必须有一定的相对延伸度, 从而能够抵抗铺管时的弯曲和

运营过程中,弯头的反复移动。若防腐层相对延伸率不足,则由于试压而使

管径增大时,防腐层甚至会出现纵向裂纹。

特殊情况下, 防腐层局部环向应变可达3～4％。陆地管线局部环向应

变最大可达2％。 对于没有冷弯和屈服试压的海底管线,防腐层延伸率达

0.5～1％, 就可满足要求。采用轮式铺管船铺管时将产生延伸达1～2％的

反复弯曲。

相对延伸率的概念是不严密的,通常是指防腐层断裂时的极限延伸率,

对所讨论的防腐层,由于加载速度和温度不同,将产生不同程度的变化。

厂家标明的环氧粉末防腐层室温下延伸率约2～6％, 加载速度对它的

影响很小。

对于沥青防腐层,当温度为4～20％,加载周期300s时,可估算出断裂时

的延伸率为2.5～5％。 当防腐层被加强后,其延伸性能将复杂化。可设定

煤焦油防腐层与沥青防腐层具有相近的延伸率。已发表的聚乙烯防腐层的

极限延伸率为500～600％。

对于塑料材料,尤其是聚乙烯,材料性能发生根本变化的临蜀延伸率要

比它断裂时的延伸率小得多。

对于海底管线, 此处所讨论的所有通用防腐层似乎都能满足最小相对

延伸率要求。 而当地陆上管一进行冷弯时,沥青,煤焦油防腐层,甚至某些

环氧粉末防腐层都有困难。

7.拉伸强度

仅管以下数值的来源和试验方法不同, 但它能表明所讨论防腐层的强

度等级。

表3 防腐层拉伸强度

┏━━━━━━━┯━━━━━━┓

┃ 防腐层类型 │拉伸强度 MPa┃

┠───────┼──────┨

┃环氧粉末防腐层│ 50 ┃

┠───────┼──────┨

┃ 沥青防腐层 │ 2 ┃

┠───────┼──────┨

┃ 聚乙烯防腐层 │ 15 ┃

┗━━━━━━━┷━━━━━━┛

环氧粉末防腐层的上述数值是厂家标明的, 沥青的抗拉强度值是根

据公路工业的数据大致估算的。 聚乙烯防腐层的抗拉强度是公布的数

据。

煤焦油防腐层与沥青防腐层具有相同的抗拉强度, 而环氧粉末防腐

层和聚乙烯防腐层的抗拉强度, 而环氧粉末防腐层和聚乙烯防腐层的抗

拉强度要比它们高几倍。

对于粘接在管表面的有机防腐层,抗拉强度指标的意义不大,对于外

加混凝土加重层的海底管线,抗拉强度指标实际上没有意义。

8.水渗透性

所有有机防腐层都或多或少地具有渗水性,与薄膜环氧防腐层相比,

沥青和煤焦油的渗透与虽然较高, 但可用其大厚度来补偿。聚乙烯防腐

层渗透性差, 也较厚。 (数据见表1,其中沥青防腐层的数据是厂家给出

的)。

据报道, 铺设多年的沥青防腐层管线,由于生物侵蚀,所需阴极保护

电流在逐年增大, 对聚乙烯和环氧粉末防腐层, 还没可供比较的长期数

据。

如果生物侵蚀是严重的,那么,薄膜环氧粉末防腐层的渗水性将随时

间而增大。 聚乙烯防腐层埋地管线最初所需的阴极保护电流最小,环氧

粉末防腐层稍高,沥青基防腐层电流最大。

可以这样说,为了满足管线运营期间对阴极保护电流的要求,考虑到

防腐层厚度,涂料的渗水性应低于某一数值。

9.氧渗透性

低的氧渗透性是一优点, 因为氧是钢材腐蚀的必要条件。环氧粉末

防腐层的氧渗透性明显低于聚乙烯防腐层(见表1)。

和渗水性一样, 在可比的各级防腐层中,关于氧渗透性的影响,还没

有确定的结论。

10.生物侵蚀

有机防腐层可能会受到生物侵蚀, 煤焦油基防腐层含有毒的酚醛成

分, 在这方面是一个优点。埋地管线的沥青防腐层会被植物根损伤或穿

透,而煤焦油防腐层却不会遭受这种破坏。

土壤中微生物对沥青基防腐层的侵蚀似乎更严重。

对厚膜防腐层, 生物侵蚀似乎是主要问题,而在管线长期运营时,微

生物可能会损坏薄膜环氧粉末防腐层。

11.耐磨

对于陆上管线和没有混凝土加重层的海底管线, 防腐层耐磨性及其

对土壤应力的抵抗能力是很重要的, 在这方面,防腐层厚度有很大影响,

它能在某种程度上,使之与环氧粉末防腐层的机械韧性相媲敌。

12.涂敷性能

根据瑞典标准Sa2.5或相应的NACE N02,沥青,煤焦油及其他防腐层,

在涂底漆时,都要求管面最小清洁度达近白色。

在纵焊缝附近, 粘着力可能不足,因此,必须有一个适当的质量控制

系统,保证正确涂敷,尤其那些防腐层质量取决于手工劳动的地方。

在涂敷工艺上,聚乙烯防腐层和沥青,煤焦油防腐层有某些相似之处。

虽然其生产对人工劳动依懒性不大, 但涂敷困难同样要求严格的质量控

制。

与其他防腐层相比,环氧粉末防腐层在涂敷和固化过程中,对管子表

面清洁度, 粗糙度及温度要求更为严格。因此,要保证防腐层质量,从粉

末生产到涂敷厂,必须进行严格的质量控制。

与混凝土加重层的相容性

大于某一直径的所有海底管线, 都需用混凝土外层来增加负浮力。

如果加重层有相当的强度且采取了加强措施,使之在铺管时不被破坏,那

么, 它可以对防腐层起到很好的机械保护作用。对陆地管线也有同样作

用。混凝土外层通常是浇铸而成。

厚膜沥青,煤焦油,及聚乙烯防腐层,对混凝土浇铸工艺无特殊要求,

而薄膜环氧粉末防腐层需采取预防措施。以免受到损坏。

管线铺设:

铺设海底管线的主要经验是: 高质量混凝土加重层下面的沥青和煤

焦油防腐层,不会给铺管带来问题。在欧洲水域中,还没有铺设环氧粉末

和聚乙烯防腐层管线的经验,也无重大问题的报道。

铺设150m水下的管线,可以认为,由于张力而引起的混凝土加重层和

沥青防腐层之间的, 滑移,没有什么危害。而在海水更深时,各种防腐层

与混凝土加重层之间的滑移特性还需进一步研究。即便是在适当的水深

和加有缓冲层的情况下, 环氧粉末防腐层与混凝土加重层之间的滑移也

应予于足够重视。对聚乙烯防腐层这面的特性知道的很少。

在铺设陆地管线时,一般认为沥青和煤焦油防腐层易遭破坏。

当采取一定防护措施,聚乙烯和环氧粉末防腐层要好得多。

13.野外补口

在铺管船上,传统的补口方法是用沥青砂胶浇铸,若能正确地使用沥

青砂胶, 这种方法是非常令人满意的。沥青砂胶起着防腐和充填与混凝

土外层间隙的双重作用。

在沥表砂胶下面经常使用PVC/沥青粘胶带,其优点如下:

·它是涂敷或包裹管子的方便方法。

·底部带有粘胶带的沥青砂胶充填接头, 能比无胶带接头更有效地

抵抗拖网的冲击。

反对使用粘胶带的理由是:

·一旦剥离,会对阴极保护起屏蔽作用,且细菌会在缝隙的停滞海水

中生长。

·浇铸热沥青砂胶时,会损坏胶带。

·不良的性能记录。

在陆上管线中, 粘接型聚乙烯作补口材料有良的使用记录。

象其他聚乙烯材料一样,在聚乙烯防腐层管线上用热收缩套补口时,

有可能丧失粘着力。不过,聚乙烯热缩套比冷缠PVC胶带机械强度高。

虽然在类似的应用中,聚氨脂的长期性能记录不令人信服,但它可能

适于作现场接头充填材料。其明显的缺点是,密度小,抵消混凝土加重层

的负浮力。另外,它可能会将氟氯烷释放到大气中(甚至微量的异氰酸盐)

从而造成环境污染。

补口材料最好是与防腐层同样的材料, 环氧粉末防腐层最好用环氧

粉末补口。因此,对接口处管子必须进行严格的喷丸除锈和温度控制,当

然,在野外作到这一点是很困难的。

对带有混凝土加重层的海底管线, 一般都需要填充材料,NPD研究了

一种不加金属模具(它有破坏渔具的危险)的新方法,促进了现场补口。

根据近白, 或Sa2.5喷丸除锈标准,对现场补口管子表面进行适当处

理也是很重要的。

14.阴极保护

对于海底管线,牺牲锌极或铝极阴极保护是唯一可行的方法,它不会

产生导致防腐层剥离过保护。另外,在海水中,防腐层的退化在很大程度

上能得到沉淀石灰质的补偿。

在设计北海沥青,煤焦油防腐层管线的阴极保护系统时,将裸管平均

参数取为10％。 这样设计,即不保守,效果也非常满意。必须想到,在恶

劣气候和深水中铺管时,防腐层最初的破坏是不可避免的。

最近铺设的一条薄膜环氧粉末防腐层管线,裸钢设计参数取为2.5％。

对环氧粉末及聚乙烯防腐层的海底管线,还没有运行观测记录发表。

陆上埋地管线一般采用外加电流阴极保护, 它很可能导致过保护和

阴极剥离。 从以上讨论似乎可以看出,环氧粉末,聚乙烯防腐层比沥青,

煤焦油防腐层更容易发生阴极剥离。不过,沥青,煤焦油防腐层管线的阴

极保护电流要大些。

四.性能总结

对于海底管线,沥青及煤焦油防腐层非常满意。还没有独立的,环氧

粉末及聚乙烯防腐层管线的应力腐蚀和一般腐蚀经常引发事故, 这似乎

促进了环氧粉末防腐层的应用。当然,上述腐蚀事故中,表面处理不当是

其重要原因。

尽管认为环氧粉末防腐层效果最好, 但几乎还没有关于它的长期使

用性能记录,而早期的事故是众所周知的。

已经证实,在埋地管线运营期间,聚乙烯防腐层会发生剥离。但对剥

离程度还有争议。这可能是因为,当管子表面处理适当,且阴极保护合适

时,剥离现象就不严重。尽管剥离,一般还认为聚乙烯防腐层具有良好的

防腐效果。

可以认为,因为技术上的原因,不要四种防腐层中的任一种都不是适

当的。对带有混凝土加重层的海底管线,沥青,煤焦油仍是适用的防腐层,

也可能是最好的涂料。环氧粉末防腐层次之,聚乙烯防腐层最差,这不仅

是因为它易于剥离,且上限温度低。

对于陆地管线, 环氧粉末防腐层是最佳选择,(尤其是工作温度较高

时)。如果表面处理适当,且装卸,下沟时注意防护,那么,沥青,煤焦油防

腐层仍是适用的。

聚乙烯防腐层适于作陆上埋地管线防腐层, 尽管它易于剥离且上限

温度低,但在管线下沟和运营期间不易损坏。