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      馮少廣:表面處理是管道防腐施工的“良心活”

         日期:2020-08-14     作者:中國無機涂料網    瀏覽:1372    評論:0    

      馮少廣:表面處理是管道防腐施工的“良心活” 涂料在線,coatingol.com馮少廣

      中石油管道科技研究中心

      試驗測試技術所所長



      ?媒體采訪

      《涂層與防護》鄂忠敏




      馮少廣,中石油管道科技研究中心試驗測試技術所所長、高級工程師、博士。管道防腐涂層技術專家、國家認證認可第三方檢測實驗室負責人、國家認監委(CMA)國家級評審員、全國防腐蝕標準化技術委員會(SAC/TC381)委員、《油氣儲運》雜志青年編委。先后負責了中油管道“3PE管道防腐層剝離機理及對策研究”、“3PE管道防腐涂層失效分析與質量控制”、集團公司“十三五標準研究”等項目的研究工作無機涂料網cnwjtl.com。曾分別5次榮獲中石油集團公司科技進步二等獎、三等獎和河北省科技進步三等獎等省部級獎項。


      先后負責或參與完成了3項美國腐蝕工程師協會(NACE)國際標準、1項國家標準、12項行業標準的編制工作,是NACETG520和TG555的工作組主席。以第一作者發表論文10篇,其中NACE論文2篇。目前,主要從事防腐涂層第三方檢測與評價、缺陷修復及管道檢測等領域的檢測、研究與標準化工作,具有豐富的實驗室和現場實踐經驗。


      引起管道腐蝕的因素有哪些?主要采取什么防護方法?


      目前,我國石油、天然氣資源的輸送主要依靠管道來實現,管材一般為鋼質螺旋焊管。由于管道穿越地段地形復雜,所處的外部環境不僅在空間上不同,還隨時間變化,會遭受各種介質的侵蝕。架空管道易受大氣腐蝕,埋地或水下管道則要遭受土壤腐蝕、細菌腐蝕和雜散電流腐蝕。此外,管輸介質也導致管道面臨著嚴峻的內腐蝕環境,如輸送天然氣時含有H2S、CO2和水,輸送的原油中含S和O2等。據有關資料研究統計,地下管道的平均腐蝕速度在1.5mm/a以上。我國地下油氣管道投產1~2a后即發生腐蝕穿孔的情況已屢見不鮮。腐蝕是影響管道系統可靠性及使用壽命的關鍵因素,失效將導致巨大經濟損失、釀成重大災難事故、威脅社會公共安全。


      針對管道發生腐蝕的原因,采取有效措施,可大大減少腐蝕發生的幾率,降低腐蝕的程度。目前,管道的主要防腐措施是“防腐涂層”和“陰極保護”。通常,管道外防腐系統是由防腐涂層與陰極保護兩部分所組成的。陰極保護電流和防腐涂層的結合應用,可構建一個性能優越、經濟高效的防腐體系。防腐涂層用于保護大部分金屬表面,而陰極保護系統主要針對防腐涂層完整性受到損害的部位。


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      管道鋪設施工現場


      防腐涂層作為管道腐蝕防護的主要手段,新建管道進行涂層選擇和設計時應如何考慮?如何看待原材料的價格問題?


      防腐涂層是埋地油氣管道防腐技術措施的重要組成部分,是管道與外部腐蝕性環境之間的屏障,能夠有效覆蓋管道表面99%以上的區域。作為防腐系統的一部分,涂層能夠通過減少金屬和電解質之間的通路(接觸)來降低保護管道所需要的總陰保電流量。此外,涂層還能使陰保電流分布更為均勻,并能實現快速極化。


      防腐涂層的選擇決策需要考慮許多因素,成本只是其中之一。根據國外的某研究報告,在管道項目成本中,施工安裝占67%,管理占3%,材料占30%。在“材料”成本中,鋼管占85%,涂層占10%,其他占5%。而該“涂層”系統的成本還包括原材料、涂敷施工、涂層修補,以及環焊縫的補口??傮w來看,在已經完成鋪設安裝的管道成本中,管道涂層僅占4%,其他成本包括管道施工作業帶(勘察、清障、破壞恢復)、工程/檢測、稅務/運輸、除防腐涂層以外的材料、勞動力、其他(法律、法規)。防腐涂層對管道壽命至關重要,管道使用壽命越長,相對成本就越低。在管道成本中,防腐涂層原材料成本僅是其中相當小的一部分。


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      管道機械化補口作業


      此外,選擇防腐涂層時,施工安裝方面需要考慮涂層的抗機械損傷性能、管道沿途地形、回填土、土壤狀況、環焊縫補口方案;涂敷作業需要考慮物流與質量保證;管道使用壽命需要考慮涂層電阻穩定性、非陰保屏蔽、管道運行溫度、土壤狀況-耐受土壤化學特性和土壤應力、應力腐蝕開裂、生命周期中的成本等。


      選擇某種特定的防腐涂層有許多理由,其中,防腐涂層與陰極保護系統的兼容性是非常重要的。防腐涂層需要有很高的電阻,并且應當有能力在管道壽命期間維持這樣的高電阻。假如防腐涂層失效,防腐涂層決不可屏蔽陰極保護電流,不可阻礙保護電流到達管道鋼材表面。有許多因素可以確保電阻的穩定性,由此可以使陰極保護電流需求量降到最低。在這些影響因素中,包括主管道涂層的涂敷質量,與之兼容的環焊縫補口涂層的有效性。此外,防腐涂層還不應形成導致鋼材應力腐蝕開裂(SCC)的環境。


      涂層作為一次投入,終生受益的防腐形式,是確保管道抵抗外界腐蝕,長期安全可靠運行的關鍵。但由于管道腐蝕具有隱蔽性和滯后性,建設之初往往并未給予充分的重視,導致管道運行幾年或十幾年以后頻繁發生涂層失效以及由此導致的安全事故。管道建設和涂層涂敷的不可逆性,到時才悔不當初,已為時晚矣!


      管道環氧粉末的涂裝工藝和質量如何把控?


      盡管熔結環氧粉末(FBE)管道涂層的涂敷是一個簡單的順序步驟。但任何涂敷工藝,最終效果都將取決于對涂敷細節的關注和控制。整個涂敷工藝主要包括以下工序:(1)來管檢查;(2)拋丸清潔(表面前處理,可能還包括酸洗或其他處理);(3)鋼管加熱;(4)粉末噴涂;(5)固化;(6)冷卻;(7)涂層檢測和(8)修補。


      當前,FBE涂層涂敷過程中的質量問題,主要還是集中在原材料質量和表面處理兩大方面。


      原材料方面,低價競爭一直是影響著防腐涂料質量的關鍵。一些企業為了降低成本,可能會采取添加回收粉、再生料或增加填料比例的方式,這在很大程度上影響著產品的質量和品質。針對這些問題,建議從招投標機制、產品質量抽檢制度(如隨機抽檢、見證取樣等方式)以及批次質量控制等方面進行加強和完善。


      表面處理是影響涂層性能最為關鍵的環節,也是管道涂敷的“良心活”。


      對于許多涂層系統,尤其是要求越來越高的涂層體系,需根據不同的工藝要求對鋼管表面進行處理。對于拋丸清潔,需了解鋼管的等級和硬度,并相應地選擇鋼丸/鋼砂混合物的類型和粒度分布,還要正確控制和管理磨料混合比及清潔度。酸洗可以有效去除拋丸清理后鋼表面殘留的污染物,尤其是氯化物。鉻酸鹽處理可以進一步優化涂層性能,可以確保涂層質量的總體一致性,但環保問題限制了它的使用。此外,管道涂敷工廠操作中使用的材料設備以及大氣環境等也會影響涂層的質量和性能。良好的表面處理將會帶來長期的利益回報。但如果管道表面處理環節做得不好,會對涂層使用壽命帶來巨大影響,造成高昂代價。


      針對不同的管道工況條件,應如何選擇涂層防護體系?


      目前,油氣管道外防腐主要采用三層結構聚乙烯防腐層(3PE),它是以FBE為底層、聚乙烯膠粘劑為中間層、聚乙烯(PE)為外層的防腐結構。FBE具有良好的抗氧滲透和防腐特性;PE既有良好的防水性,又有良好的機械強度,能夠抵抗運輸和施工中的機械損傷。目前該結構已成為國內管道防腐涂層的主流模式。


      此外,國內還有一些管道采用單層FBE或雙層FBE進行外防腐,盡管該防腐結構是北美地區使用最為普遍的涂層,但國內因施工等因素,應用比例并不算高。各種地形和土壤對防腐涂層的性能要求各異,起伏較大的地形要求涂層必須滿足現場冷彎的要求,石方區則要求涂層的抗沖擊性能好,粘土區則要求涂層抗土壤應力性能高,鹽漬化土壤要求涂層材料耐化學介質浸泡。


      人文條件也是涂層選擇者應該足夠重視的因素。所謂人文條件是指施工單位的質量意識和管道所經地段居民的素質。野蠻裝卸、野蠻施工的現象在我國還沒有杜絕;管道沿線居民對未下溝回填管道防腐涂層的人為損壞現象仍然存在。一個工程不宜選用多種防腐層,應根據最壞的條件選擇一種或兩種防腐層??雌饋砗孟裼行├速M,實際上考慮到管子倒運,布管等多種因素,品種越少可能越省投資,這與國內防腐廠的設置密切相關,在制管廠預制防腐層將省去一筆可觀的管子倒運費。


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      管道作業導致FBE涂層劃傷


      油氣管道內涂層,目前主要采用FBE或無溶劑液態環氧涂料進行防腐。對于大口徑輸氣管道,普遍使用溶劑型或無溶劑型內減阻涂層。輸水管道也是管道防腐領域的重點,國內已有大量的水利工程項目正在建設或規劃之中,目前主要的防腐形式是內FBE涂層、外聚乙烯粉末涂層或3PE涂層。也有污水管道、飲用水管道等采用內外FBE、內外無溶劑環氧涂料或內外無溶劑聚氨酯涂料的防腐形式。


      隨著杭州灣大橋、港珠澳大橋等重點跨海大橋項目的通車,鋼管樁在跨海大橋領域的應用越來越多,鋼管樁具有直徑大、長度長、質量大的特點。目前,管樁主要采用單層、雙層以及三層FBE的防腐形式,當需要進行內壁防腐時,通常采用無溶劑液體環氧涂料。此外,為了降低大橋鋪設過程中對管樁造成的機械損傷,也在嘗試在管樁浪濺區增加復合材料外護層的結構形式。


      熱力管道目前主要采用發泡聚氨酯保溫層+聚乙烯外護層的保溫結構。當需要考慮管道防腐時,就需要對鋼管先涂裝防腐層,通常采用FBE涂層。


      3PE管道防腐涂層服役過程中的主要問題有哪些?導致這些問題的可能原因是什么?


      我國自20世紀90年代陜京輸氣管道首次采用3PE涂層至今,西氣東輸工程一/二線、中緬、中俄、慶鐵、蘭鄭長、澀寧蘭等多條國家重點管道工程均采用了3PE涂層,3PE已成為我國管道防腐的主導涂層。但在過去的10a里,國外出現了多起陸上長輸管道3PE涂層粘接失效的案例,包括印度、南美洲、伊朗、敘利亞和加蓬,都曾報道了FBE底層與鋼管底材之間大面積剝離的事故。國內,防腐層有效性現場調查也發現了大面積的3PE防腐層粘接失效的現象,且剝離失效后的防腐層會屏蔽陰極保護電流。當水汽進入剝離涂層與鋼管界面之后,管體將會發生自由腐蝕,為管道安全運行埋下了隱患。


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      3PE防腐涂層粘接失效


      從國內外3PE管道的失效情況來看,當前防腐層失效主要有以下幾個方面的特點:

      (1)剝離主要發生在FBE和管體之間,防腐層與管體粘接力基本喪失,用刀將防腐層割開后,徒手可將防腐層整體剝離,剝離后的管體表面基本無環氧粉末殘留,有金屬光澤、無腐蝕,部分管道表面有肉眼可見的污物或雜質;(2)許多管道防腐層失效發生在投產后的3~5a,甚至剛投產即有防腐層剝離失效,遠低于管道設計壽命30~50a的要求;(3)防腐層失效的范圍廣,不同輸送工藝、不同氣候地區以及不同管徑管道均有防腐層粘接失效問題發生。


      總體而言,3PE防腐層失效,尤其是早期的整體剝離失效,已經成為國內3PE管道目前面臨的主要問題。針對這一問題,國內外也已經進行了相關的研究工作,基于已完成的相關研究成果,認為導致3PE防腐層早期粘接失效的原因主要包括:

      (1)表面處理;(2)涂層內應力;(3)原材料質量;(4)管道涂敷工藝控制,尤其是鋼管加熱溫度、傳輸速度、工藝銜接等方面;(5)施工管控等方面。


      防腐層缺陷以及由此導致的涂層失效是一種嚴重的質量問題,輕者影響產品質量,重者導致防腐層甚至管道報廢。有的涂層缺陷可以在出管崗位檢查出來,有的在發管現場才能發現,有的要到管道建設工地才能暴露問題,有的管道服役后才能發現。但問題一旦產生,不僅修補極其困難,而且由于所造成的風險可能需要潛伏相當長的時間才能暴露,很難防范。因此,涂層的涂敷質量問題必須在生產過程中予以防范和解決。


      FBE體系在管道防腐領域應用呈現逐步增多的趨勢,但也經常發生涂層失效的問題,主要的失效形式有哪些?可從哪些方面進行改善?


      隨著涂層老化,許多特性都會隨之發生變化。大部分性能改變往往取決于管道所服役的外部環境。站在實際角度來看,Neal給出了嚴格的失效定義,并提供了一個工作模型:“當繼續維持陰極保護不再經濟時,這時地下管道涂層就失效了”。針對FBE涂層,目前發現的涂層失效模式主要包括以下幾類:

      (1)涂層剝離或粘接失效

      *陰極剝離導致的涂層粘接失效

      *水分滲透過完好涂層導致的涂層起泡

      *粘接失效的大面積擴展導致的涂層成片剝離

      (2)機械損傷

      *沖擊破壞

      *劃傷

      *彎曲裂紋或開裂

      (3)涂層粉化

      (4)其他失效

      *微生物腐蝕

      *土壤化學導致的降解

      針對管道建設期導致的涂層失效風險,應重點關注:

      (1)使用質量更優的環氧粉末涂料。原材料質量是確保涂層長期穩定的核心,低質的原材料將給后期管道運行帶來不可挽回的損失。

      (2)提升管道涂敷工藝。重點關注鋼管表面處理、涂敷溫度、涂敷速度以及工藝的匹配性。

      (3)加強施工質量管控。建立可控的管道裝卸、運輸和堆放操作要求,避免管道鋪設下溝、回填時的野蠻作業。盡可能降低涂層的破損率。


      管道建成投產之后,腐蝕幾乎都發生在管道防腐層存在嚴重缺陷或出現破損的地方。由于管道埋在地下,不便于直接觀測和檢查,加上土壤環境條件復雜多變,給防腐層的管理維護帶來了許多困難。防腐層的維護,可主要采取以下措施:

      (1)經常監測防腐層狀況。通常采用定期進行防腐層缺陷檢漏、防腐層絕緣電阻測量等方法,分析陰極保護參數的變化情況及原因,判定防腐層質量及損傷程度。

      (2)防腐層分級管理。對不同管段、不同狀況的防腐層,按其技術狀況分級,分別采用不同的維修對策。目前對防腐層是根據其絕緣電阻值從大到小分為五個級別:優、良、中、差、劣。最差的一級需要及時維修更換原有的防腐層。

      (3)制定實施維修計劃。對檢測確定的不同級別的防腐層,分別采取定期檢測、修補或更換的措施。

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      管道開挖后的現場剝離強度測試


      實現陰極保護與涂層體系兼容協調,涂層應具備哪些特性?


      實施陰極保護的管道,防腐涂層應滿足以下要求:

      (1)有效的電絕緣體,但不構成屏蔽

      許多文獻都要求與陰極保護結合使用的防腐涂層應具有較高的阻抗。為了消除屏蔽效應,涂層電阻必須足夠高來減小流過涂層的電流量,但同時又要足夠低以允許足夠的電流穿過涂層,以實現涂層發生剝離或者起泡時,陰極保護電流可以有效保護鋼管。如果涂層特別厚并且電阻率也很高,就可能會造成陰極屏蔽。經過幾十年的應用證明,FBE涂層能夠很好地平衡這些特性。


      (2)有效的濕氣阻隔

      包括FBE在內的所有有機涂層都會吸收水分而降低其電阻。但是,存在水分和陰極保護電流時,FBE涂層會維持其絕緣特性。


      (3)能夠耐受裝卸和回填過程的損傷并能長時間阻止漏點的發展

      防腐管裝卸應倍加小心,特別是管道施工安裝期間,可以最大程度減小對管道防腐涂層的損傷,這是減少管道防腐涂層破損的關鍵。由于涂層漏點處會發生陰極剝離并隨時間會逐漸擴展,因此在管道施工安裝期間加強涂層漏點的檢測與修補,對減少裸露金屬面積非常重要。


      (4)良好的附著力與抗陰極剝離特性

      大多數情況下陰極保護電流量的增加可能是由于涂層發生了陰極剝離,因此涂層應具備良好的附著力和抗陰極剝離特性。


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      FBE涂層陰極剝離失效


      管道防腐涂料體系如何順應日益嚴苛的環保法規?


      目前,管道防腐領域主流體系為熔結環氧粉末、聚烯烴以及無溶劑環氧涂料,也有少量光固化預浸料或水性涂料在使用。根據國家產業結構調整目錄的相關規定,上述相關產品均屬于環境友好型涂料,因此從產品自身而言,所面臨的環保問題不大。但相關產品在生產或涂敷時,由于企業生產管控問題,可能會出現粉塵、揮發性物質(如添加大量再生料)超標的問題,這是當前企業應該重點管控的方面。


       
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