埋地鋼質(zhì)管道3PE防腐涂層是80年代以德國為代表的歐洲國家開發(fā)并成功應(yīng)用的管道防腐技術(shù)，它由熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）底層、中間層粘結(jié)劑和聚乙烯（PE）外層所組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
其中環(huán)氧粉末涂層具有與金屬優(yōu)異的附著力和抗陰極剝離性能以及優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性和抗氧氣滲透性，聚乙烯涂層具有優(yōu)異的抗沖擊性能和抗水滲透性能。兩者通過中間層粘結(jié)劑粘接的配合而形成的復(fù)合涂層充分顯示了各自的優(yōu)點，彌補了它們的缺點。鑒于3PE涂層優(yōu)異的綜合性能使其在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，是目前國內(nèi)外大型管道工程上主流防腐結(jié)構(gòu)。
自3PE管道防腐涂層技術(shù)開始使用，至今已有二十多年的時間。盡管3PE涂層技術(shù)呈現(xiàn)了優(yōu)異的防腐和抗機械損傷性能。但在許多國家，在用的3PE防腐層出現(xiàn)了嚴重的附著力減退問題。導(dǎo)致能夠毫不費力地將防腐層從鋼管上剝離下來。這當(dāng)然使人們對這種防腐層預(yù)期的長期腐蝕控制性能產(chǎn)生了疑問，但是并沒有確定屬于結(jié)構(gòu)性的腐蝕問題。在過去的十年里，國外報道了多起的陸上長輸管道3PE涂層失效的案例，包括墨西哥、印度、南美洲、伊朗、敘利亞和加蓬等，主要的失效形式表現(xiàn)為FBE與鋼管底材之間的整體剝離。2010年位于墨西哥東南部、管徑位24寸天熱氣管道的3PE涂層發(fā)生失效，該管道僅運行5年，便在2008年通過內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)3處異常。 為了檢測涂層系統(tǒng)的完整性，進行了多次開挖。總共評估了13處管段，發(fā)現(xiàn)有12處管段存在3PE剝離失效，絕大多數(shù)失效位于管體與FBE底漆界面，防腐的剝離照片如圖2所示。
2009年伊朗國家石油公司曾報告一條42英寸的管道在運行2年后，發(fā)生大面積的3LPE失效，涂層粘附力嚴重降低。
沿管道135處開挖后取樣，45%的取樣點完全失去粘附力，30%的取樣點僅剩很少的粘附力，僅有9.4%的取樣點顯示具有良好的粘附力。超過75%的粘附失效發(fā)生在FBE底漆與管體表面之間，防腐層剝離的照片如圖3所示，從圖片中可以發(fā)現(xiàn)防腐層表面存在部分污物和雜質(zhì)量。相比而言，臨近的FBE涂層管道，涂層狀況完好，未出現(xiàn)涂層失效問題。
管道在運行過程中要求防腐涂層與管體間保持良好的粘結(jié)力，否則一旦涂層失去粘結(jié)力，潮氣就會聚結(jié)于鋼管與防腐涂層之間，導(dǎo)致涂層失去防腐功能。引起管體腐蝕，從而威脅管道運行安全，因此涂層與管體間的良好粘接是控制管道防腐質(zhì)量的關(guān)鍵。
管道防腐是一個系統(tǒng)工程，它不但涉及到防腐涂層還涉及到涂層與陰極保護的匹配性。影響管道防腐質(zhì)量的因素很多，管道防腐原材料質(zhì)量和涂敷工藝控制、管道敷設(shè)及管道運行等諸多環(huán)節(jié)所涉及到的多種因素影響。 涂層失效可能是上述原因之一引起的，也可能是其中幾個原因共同引起的。理論上講以上各環(huán)節(jié)中的任何一個控制點出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致3PE防腐層的失效。從文獻報道出現(xiàn)的防腐層從鋼管表面整體剝離的情況來看，F(xiàn)BE與管體間粘接性能不佳可能是導(dǎo)致涂層整體剝離失效的主要因素。研究表明許多因素都會影響熔結(jié)環(huán)氧粉末底漆的附著力，主要包括原材料質(zhì)量、鋼管表面預(yù)處理、環(huán)氧粉末的涂敷工藝等。此外FBE涂層厚度、涂層內(nèi)應(yīng)力、管道儲存環(huán)節(jié)控制不嚴、野蠻施工等因素也會在一定程度上影響涂層的粘接。
（2）環(huán)氧粉末在經(jīng)過中頻感應(yīng)加熱的鋼管表面形成滿足標準厚度要求的粉末層，在粉末合適的膠化狀態(tài)下，中間粘結(jié)劑通過專用模具和擠出熔融的膠帶纏繞在粉末層表面，同時PE擠出機擠出聚乙烯帶，纏繞在中間粘結(jié)劑的表面；（3）冷卻定型，通過風(fēng)冷和水冷共同作用，形成三層PE防腐層。
管體表面處理和污染情況、固化溫度、固化時間、涂層厚度、水冷控制等各環(huán)節(jié)的控制對于影響涂層與鋼管之間粉的粘接均有不同程度的影響。
2.2 涂層內(nèi)應(yīng)力對剝離的影響
一般來講，3PE通常采用比較厚的聚乙烯面層增強防腐層抗機械損傷和防水滲透的能力。但是，聚乙烯的熱膨脹系數(shù)比鋼材高十倍之多（如表1所示）且非常厚（2～6mm）。在3PE涂敷過程中，將三層聚烯烴涂層材料從很高的溫度（200～250℃）急冷到60℃左右（如圖6所示），往往會因為聚乙烯分子來不及通過分子熱運動達到穩(wěn)定的聚集狀態(tài)而在涂層內(nèi)部產(chǎn)生比較高的殘余熱應(yīng)力。因為殘余應(yīng)力高，造成防腐層剝離，尤其在管端截短防腐層和任何防腐層的邊上，因為這些是高應(yīng)力集中部位。 特別是假如鋼管表面預(yù)處理不當(dāng)或工藝不匹配，就無法保證防腐層持久達到很強的粘合強度。如果FBE底漆配方選擇不當(dāng)、質(zhì)量偏差或發(fā)生熱氧化降解，也將導(dǎo)致防腐層過早失效。
通過研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力集中與FBE厚度、PE層厚度、坡口角度、FBE熱量、熱膨脹系數(shù)的差異有關(guān)。PE層厚度增加會加大FBE 與鋼管之間脫層的風(fēng)險，殘余應(yīng)力在坡口處集中，坡口角度越大越容易發(fā)生涂層翹邊。
3、結(jié)論
3PE防腐層具有抗機械損傷、穩(wěn)定性好、陰極保護一次投資及運行成本低的優(yōu)點，但防腐層與管道長期粘接良好是首要前提。由于3PE涂層生產(chǎn)過程中涉及的工序較多且工藝復(fù)雜，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素較多，任何一個工序操作不當(dāng)都會影響防腐層的質(zhì)量。3PE防腐設(shè)計壽命一般都是30～50年，其優(yōu)越性也是以其長期防腐有效為前提的，3PE防腐層的優(yōu)越性是長期有效為前提的，是必須以嚴格的質(zhì)量控制體系為保證的。因此，必須從嚴把控管道投產(chǎn)運行之前的各個環(huán)節(jié)，以保證管道防腐質(zhì)量。 防腐層失效是一種嚴重的質(zhì)量問題，輕者嚴重影響產(chǎn)品形象，重者導(dǎo)致防腐層報廢。有的失效可以在出管崗位檢查出來，有的在發(fā)管現(xiàn)場才能發(fā)現(xiàn)，有的要到管道建設(shè)工地才暴露問題。問題一旦產(chǎn)生，不僅修補極其困難，而且由于有的問題要潛伏相當(dāng)長的時間才暴露，很難防范。因此，涂層的粘接質(zhì)量問題必須在生產(chǎn)過程中予以防范和解決。
來源：中國石油管道科技研究中心
