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          冯少广:表面处理是管道防腐施工的“良心活”

             日期:2020-08-14     作者:中国无机涂料网    浏览:789    评论:0    

          冯少广:表面处理是管道防腐施工的“良心活” 涂料在线,coatingol.com冯少广

          中石油管道科技研究中心

          试验测试技术所所长



          ?媒体采访

          《涂层与防护》鄂忠敏




          冯少广,中石油管道科技研究中心试验测试技术所所长、高级工程师、博士。管道防腐涂层技术专家、国家认证认可第三方检测实验室负责人、国家认监委(CMA)国家级评审员、全国防腐蚀标准化技术委员会(SAC/TC381)委员、《油气储运》杂志青年编委。先后负责了中油管道“3PE管道防腐层剥离机理及对策研究”、“3PE管道防腐涂层失效分析与质量控制”、集团公司“十三五标准研究”等项目的研究工作无机涂料网cnwjtl.com。曾分别5次荣获中石油集团公司科技进步二等奖、三等奖和河北省科技进步三等奖等省部级奖项。


          先后负责或参与完成了3项美国腐蚀工程师协会(NACE)国际标准、1项国家标准、12项行业标准的编制工作,是NACETG520和TG555的工作组主席。以第一作者发表论文10篇,其中NACE论文2篇。目前,主要从事防腐涂层第三方检测与评价、缺陷修复及管道检测等领域的检测、研究与标准化工作,具有丰富的实验室和现场实践经验。


          引起管道腐蚀的因素有哪些?主要采取什么防护方法?


          目前,我国石油、天然气资源的输送主要依靠管道来实现,管材一般为钢质螺旋焊管。由于管道穿越地段地形复杂,所处的外部环境不仅在空间上不同,还随时间变化德甲下注-官方网站-德甲下注,会遭受各种介质的侵蚀。架空管道易受大气腐蚀,埋地或水下管道则要遭受土壤腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀德甲下注-官方网站-德甲下注。此外,管输介质也导致管道面临着严峻的内腐蚀环境德甲下注-官方网站-德甲下注,如输送天然气时含有H2S德甲下注-官方网站-德甲下注、CO2和水,输送的原油中含S和O2等。据有关资料研究统计,地下管道的平均腐蚀速度在1.5mm/a以上德甲下注-官方网站-德甲下注。我国地下油气管道投产1~2a后即发生腐蚀穿孔的情况已屡见不鲜。腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素德甲下注-官方网站-德甲下注,失效将导致巨大经济损失、酿成重大灾难事故、威胁社会公共安全德甲下注-官方网站-德甲下注。


          针对管道发生腐蚀的原因,采取有效措施,可大大减少腐蚀发生的几率,降低腐蚀的程度德甲下注-官方网站-德甲下注。目前,管道的主要防腐措施是“防腐涂层”和“阴极?;ぁ?。通常,管道外防腐系统是由防腐涂层与阴极?;ち讲糠炙槌傻?。阴极?;さ缌骱头栏坎愕慕岷嫌τ?德甲下注-官方网站-德甲下注,可构建一个性能优越、经济高效的防腐体系。防腐涂层用于?德甲下注-官方网站-德甲下注;ご蟛糠纸鹗舯砻?,而阴极?;は低持饕攵苑栏坎阃暾允艿剿鸷Φ牟课?。


          冯少广:表面处理是管道防腐施工的“良心活” 涂料在线,coatingol.com 

          管道铺设施工现场


          防腐涂层作为管道腐蚀防护的主要手段,新建管道进行涂层选择和设计时应如何考虑?如何看待原材料的价格问题?


          防腐涂层是埋地油气管道防腐技术措施的重要组成部分,是管道与外部腐蚀性环境之间的屏障,能够有效覆盖管道表面99%以上的区域。作为防腐系统的一部分,涂层能够通过减少金属和电解质之间的通路(接触)来降低?;す艿浪枰淖芤醣5缌髁?。此外,涂层还能使阴保电流分布更为均匀,并能实现快速极化德甲下注-官方网站-德甲下注。


          防腐涂层的选择决策需要考虑许多因素德甲下注-官方网站-德甲下注,成本只是其中之一。根据国外的某研究报告,在管道项目成本中,施工安装占67%,管理占3%,材料占30%。在“材料”成本中,钢管占85%,涂层占10%,其他占5%。而该“涂层”系统的成本还包括原材料、涂敷施工、涂层修补,以及环焊缝的补口。总体来看德甲下注-官方网站-德甲下注,在已经完成铺设安装的管道成本中德甲下注-官方网站-德甲下注,管道涂层仅占4%德甲下注-官方网站-德甲下注,其他成本包括管道施工作业带(勘察、清障、破坏恢复)、工程/检测、税务/运输、除防腐涂层以外的材料、劳动力、其他(法律德甲下注-官方网站-德甲下注、法规)德甲下注-官方网站-德甲下注。防腐涂层对管道寿命至关重要德甲下注-官方网站-德甲下注,管道使用寿命越长德甲下注-官方网站-德甲下注,相对成本就越低。在管道成本中,防腐涂层原材料成本仅是其中相当小的一部分。


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          管道机械化补口作业


          此外,选择防腐涂层时,施工安装方面需要考虑涂层的抗机械损伤性能、管道沿途地形德甲下注-官方网站-德甲下注、回填土、土壤状况、环焊缝补口方案;涂敷作业需要考虑物流与质量保证德甲下注-官方网站-德甲下注;管道使用寿命需要考虑涂层电阻稳定性德甲下注-官方网站-德甲下注、非阴保屏蔽、管道运行温度、土壤状况-耐受土壤化学特性和土壤应力、应力腐蚀开裂、生命周期中的成本等。


          选择某种特定的防腐涂层有许多理由,其中,防腐涂层与阴极?;は低车募嫒菪允欠浅V匾?。防腐涂层需要有很高的电阻,并且应当有能力在管道寿命期间维持这样的高电阻。假如防腐涂层失效,防腐涂层决不可屏蔽阴极?;さ缌?,不可阻碍?;さ缌鞯酱锕艿栏植谋砻?德甲下注-官方网站-德甲下注。有许多因素可以确保电阻的稳定性,由此可以使阴极?;さ缌餍枨罅拷档阶畹?。在这些影响因素中,包括主管道涂层的涂敷质量,与之兼容的环焊缝补口涂层的有效性德甲下注-官方网站-德甲下注。此外,防腐涂层还不应形成导致钢材应力腐蚀开裂(SCC)的环境德甲下注-官方网站-德甲下注。


          涂层作为一次投入,终生受益的防腐形式德甲下注-官方网站-德甲下注,是确保管道抵抗外界腐蚀,长期安全可靠运行的关键。但由于管道腐蚀具有隐蔽性和滞后性,建设之初往往并未给予充分的重视,导致管道运行几年或十几年以后频繁发生涂层失效以及由此导致的安全事故。管道建设和涂层涂敷的不可逆性,到时才悔不当初德甲下注-官方网站-德甲下注,已为时晚矣!


          管道环氧粉末的涂装工艺和质量如何把控?


          尽管熔结环氧粉末(FBE)管道涂层的涂敷是一个简单的顺序步骤德甲下注-官方网站-德甲下注。但任何涂敷工艺,最终效果都将取决于对涂敷细节的关注和控制。整个涂敷工艺主要包括以下工序:(1)来管检查;(2)抛丸清洁(表面前处理,可能还包括酸洗或其他处理);(3)钢管加热;(4)粉末喷涂;(5)固化;(6)冷却;(7)涂层检测和(8)修补。


          当前德甲下注-官方网站-德甲下注,FBE涂层涂敷过程中的质量问题,主要还是集中在原材料质量和表面处理两大方面。


          原材料方面,低价竞争一直是影响着防腐涂料质量的关键。一些企业为了降低成本德甲下注-官方网站-德甲下注,可能会采取添加回收粉德甲下注-官方网站-德甲下注、再生料或增加填料比例的方式,这在很大程度上影响着产品的质量和品质。针对这些问题,建议从招投标机制、产品质量抽检制度(如随机抽检、见证取样等方式)以及批次质量控制等方面进行加强和完善。


          表面处理是影响涂层性能最为关键的环节,也是管道涂敷的“良心活”。


          对于许多涂层系统,尤其是要求越来越高的涂层体系,需根据不同的工艺要求对钢管表面进行处理。对于抛丸清洁,需了解钢管的等级和硬度,并相应地选择钢丸/钢砂混合物的类型和粒度分布,还要正确控制和管理磨料混合比及清洁度。酸洗可以有效去除抛丸清理后钢表面残留的污染物德甲下注-官方网站-德甲下注,尤其是氯化物德甲下注-官方网站-德甲下注。铬酸盐处理可以进一步优化涂层性能,可以确保涂层质量的总体一致性,但环保问题限制了它的使用德甲下注-官方网站-德甲下注。此外,管道涂敷工厂操作中使用的材料设备以及大气环境等也会影响涂层的质量和性能。良好的表面处理将会带来长期的利益回报。但如果管道表面处理环节做得不好德甲下注-官方网站-德甲下注,会对涂层使用寿命带来巨大影响,造成高昂代价。


          针对不同的管道工况条件,应如何选择涂层防护体系?


          目前,油气管道外防腐主要采用三层结构聚乙烯防腐层(3PE),它是以FBE为底层德甲下注-官方网站-德甲下注、聚乙烯胶粘剂为中间层、聚乙烯(PE)为外层的防腐结构。FBE具有良好的抗氧渗透和防腐特性;PE既有良好的防水性,又有良好的机械强度德甲下注-官方网站-德甲下注,能够抵抗运输和施工中的机械损伤。目前该结构已成为国内管道防腐涂层的主流模式德甲下注-官方网站-德甲下注。


          此外,国内还有一些管道采用单层FBE或双层FBE进行外防腐德甲下注-官方网站-德甲下注,尽管该防腐结构是北美地区使用最为普遍的涂层德甲下注-官方网站-德甲下注,但国内因施工等因素,应用比例并不算高。各种地形和土壤对防腐涂层的性能要求各异,起伏较大的地形要求涂层必须满足现场冷弯的要求,石方区则要求涂层的抗冲击性能好,粘土区则要求涂层抗土壤应力性能高,盐渍化土壤要求涂层材料耐化学介质浸泡。


          人文条件也是涂层选择者应该足够重视的因素。所谓人文条件是指施工单位的质量意识和管道所经地段居民的素质德甲下注-官方网站-德甲下注。野蛮装卸、野蛮施工的现象在我国还没有杜绝德甲下注-官方网站-德甲下注;管道沿线居民对未下沟回填管道防腐涂层的人为损坏现象仍然存在。一个工程不宜选用多种防腐层德甲下注-官方网站-德甲下注,应根据最坏的条件选择一种或两种防腐层??雌鹄春孟裼行├朔?,实际上考虑到管子倒运,布管等多种因素,品种越少可能越省投资德甲下注-官方网站-德甲下注,这与国内防腐厂的设置密切相关,在制管厂预制防腐层将省去一笔可观的管子倒运费。


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          管道作业导致FBE涂层划伤


          油气管道内涂层德甲下注-官方网站-德甲下注,目前主要采用FBE或无溶剂液态环氧涂料进行防腐。对于大口径输气管道,普遍使用溶剂型或无溶剂型内减阻涂层。输水管道也是管道防腐领域的重点,国内已有大量的水利工程项目正在建设或规划之中,目前主要的防腐形式是内FBE涂层、外聚乙烯粉末涂层或3PE涂层。也有污水管道、饮用水管道等采用内外FBE、内外无溶剂环氧涂料或内外无溶剂聚氨酯涂料的防腐形式德甲下注-官方网站-德甲下注。


          随着杭州湾大桥、港珠澳大桥等重点跨海大桥项目的通车,钢管桩在跨海大桥领域的应用越来越多,钢管桩具有直径大、长度长、质量大的特点。目前,管桩主要采用单层、双层以及三层FBE的防腐形式德甲下注-官方网站-德甲下注,当需要进行内壁防腐时德甲下注-官方网站-德甲下注,通常采用无溶剂液体环氧涂料。此外德甲下注-官方网站-德甲下注,为了降低大桥铺设过程中对管桩造成的机械损伤德甲下注-官方网站-德甲下注,也在尝试在管桩浪溅区增加复合材料外护层的结构形式。


          热力管道目前主要采用发泡聚氨酯保温层+聚乙烯外护层的保温结构。当需要考虑管道防腐时,就需要对钢管先涂装防腐层,通常采用FBE涂层。


          3PE管道防腐涂层服役过程中的主要问题有哪些?导致这些问题的可能原因是什么?


          我国自20世纪90年代陕京输气管道首次采用3PE涂层至今,西气东输工程一/二线、中缅德甲下注-官方网站-德甲下注、中俄、庆铁、兰郑长、涩宁兰等多条国家重点管道工程均采用了3PE涂层,3PE已成为我国管道防腐的主导涂层。但在过去的10a里德甲下注-官方网站-德甲下注,国外出现了多起陆上长输管道3PE涂层粘接失效的案例德甲下注-官方网站-德甲下注,包括印度、南美洲、伊朗、叙利亚和加蓬德甲下注-官方网站-德甲下注,都曾报道了FBE底层与钢管底材之间大面积剥离的事故。国内德甲下注-官方网站-德甲下注,防腐层有效性现场调查也发现了大面积的3PE防腐层粘接失效的现象,且剥离失效后的防腐层会屏蔽阴极?;さ缌?。当水汽进入剥离涂层与钢管界面之后,管体将会发生自由腐蚀,为管道安全运行埋下了隐患。


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          3PE防腐涂层粘接失效


          从国内外3PE管道的失效情况来看,当前防腐层失效主要有以下几个方面的特点:

          (1)剥离主要发生在FBE和管体之间,防腐层与管体粘接力基本丧失,用刀将防腐层割开后,徒手可将防腐层整体剥离德甲下注-官方网站-德甲下注,剥离后的管体表面基本无环氧粉末残留,有金属光泽德甲下注-官方网站-德甲下注、无腐蚀,部分管道表面有肉眼可见的污物或杂质;(2)许多管道防腐层失效发生在投产后的3~5a,甚至刚投产即有防腐层剥离失效德甲下注-官方网站-德甲下注,远低于管道设计寿命30~50a的要求;(3)防腐层失效的范围广,不同输送工艺、不同气候地区以及不同管径管道均有防腐层粘接失效问题发生。


          总体而言,3PE防腐层失效,尤其是早期的整体剥离失效,已经成为国内3PE管道目前面临的主要问题。针对这一问题德甲下注-官方网站-德甲下注,国内外也已经进行了相关的研究工作,基于已完成的相关研究成果,认为导致3PE防腐层早期粘接失效的原因主要包括:

          (1)表面处理;(2)涂层内应力;(3)原材料质量;(4)管道涂敷工艺控制,尤其是钢管加热温度德甲下注-官方网站-德甲下注、传输速度、工艺衔接等方面;(5)施工管控等方面。


          防腐层缺陷以及由此导致的涂层失效是一种严重的质量问题,轻者影响产品质量德甲下注-官方网站-德甲下注德甲下注-官方网站-德甲下注,重者导致防腐层甚至管道报废德甲下注-官方网站-德甲下注。有的涂层缺陷可以在出管岗位检查出来,有的在发管现场才能发现,有的要到管道建设工地才能暴露问题,有的管道服役后才能发现。但问题一旦产生,不仅修补极其困难,而且由于所造成的风险可能需要潜伏相当长的时间才能暴露德甲下注-官方网站-德甲下注,很难防范。因此,涂层的涂敷质量问题必须在生产过程中予以防范和解决德甲下注-官方网站-德甲下注。


          FBE体系在管道防腐领域应用呈现逐步增多的趋势,但也经常发生涂层失效的问题德甲下注-官方网站-德甲下注,主要的失效形式有哪些?可从哪些方面进行改善?


          随着涂层老化,许多特性都会随之发生变化。大部分性能改变往往取决于管道所服役的外部环境。站在实际角度来看,Neal给出了严格的失效定义,并提供了一个工作模型:“当继续维持阴极?;げ辉倬檬?德甲下注-官方网站-德甲下注,这时地下管道涂层就失效了”。针对FBE涂层德甲下注-官方网站-德甲下注,目前发现的涂层失效模式主要包括以下几类:

          (1)涂层剥离或粘接失效

          *阴极剥离导致的涂层粘接失效

          *水分渗透过完好涂层导致的涂层起泡

          *粘接失效的大面积扩展导致的涂层成片剥离

          (2)机械损伤

          *冲击破坏

          *划伤

          *弯曲裂纹或开裂

          (3)涂层粉化

          (4)其他失效

          *微生物腐蚀

          *土壤化学导致的降解

          针对管道建设期导致的涂层失效风险,应重点关注:

          (1)使用质量更优的环氧粉末涂料。原材料质量是确保涂层长期稳定的核心,低质的原材料将给后期管道运行带来不可挽回的损失。

          (2)提升管道涂敷工艺。重点关注钢管表面处理、涂敷温度德甲下注-官方网站-德甲下注、涂敷速度以及工艺的匹配性。

          (3)加强施工质量管控德甲下注-官方网站-德甲下注德甲下注-官方网站-德甲下注。建立可控的管道装卸、运输和堆放操作要求,避免管道铺设下沟、回填时的野蛮作业德甲下注-官方网站-德甲下注。尽可能降低涂层的破损率。


          管道建成投产之后,腐蚀几乎都发生在管道防腐层存在严重缺陷或出现破损的地方德甲下注-官方网站-德甲下注。由于管道埋在地下,不便于直接观测和检查,加上土壤环境条件复杂多变德甲下注-官方网站-德甲下注,给防腐层的管理维护带来了许多困难。防腐层的维护,可主要采取以下措施:

          (1)经常监测防腐层状况。通常采用定期进行防腐层缺陷检漏德甲下注-官方网站-德甲下注、防腐层绝缘电阻测量等方法,分析阴极?;げ问谋浠榭黾霸?,判定防腐层质量及损伤程度。

          (2)防腐层分级管理。对不同管段、不同状况的防腐层,按其技术状况分级,分别采用不同的维修对策。目前对防腐层是根据其绝缘电阻值从大到小分为五个级别:优德甲下注-官方网站-德甲下注、良、中德甲下注-官方网站-德甲下注、差、劣。最差的一级需要及时维修更换原有的防腐层德甲下注-官方网站-德甲下注。

          (3)制定实施维修计划。对检测确定的不同级别的防腐层,分别采取定期检测德甲下注-官方网站-德甲下注、修补或更换的措施。

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          管道开挖后的现场剥离强度测试


          实现阴极?德甲下注-官方网站-德甲下注;び胪坎闾逑导嫒菪?,涂层应具备哪些特性德甲下注-官方网站-德甲下注?


          实施阴极?德甲下注-官方网站-德甲下注;さ墓艿?,防腐涂层应满足以下要求:

          (1)有效的电绝缘体德甲下注-官方网站-德甲下注,但不构成屏蔽

          许多文献都要求与阴极?;そ岷鲜褂玫姆栏坎阌哂薪细叩淖杩?。为了消除屏蔽效应,涂层电阻必须足够高来减小流过涂层的电流量,但同时又要足够低以允许足够的电流穿过涂层,以实现涂层发生剥离或者起泡时德甲下注-官方网站-德甲下注,阴极?;さ缌骺梢杂行П;じ止?。如果涂层特别厚并且电阻率也很高,就可能会造成阴极屏蔽。经过几十年的应用证明德甲下注-官方网站-德甲下注,FBE涂层能够很好地平衡这些特性。


          (2)有效的湿气阻隔

          包括FBE在内的所有有机涂层都会吸收水分而降低其电阻。但是,存在水分和阴极?;さ缌魇钡录紫伦?官方网站-德甲下注,FBE涂层会维持其绝缘特性德甲下注-官方网站-德甲下注。


          (3)能够耐受装卸和回填过程的损伤并能长时间阻止漏点的发展

          防腐管装卸应倍加小心,特别是管道施工安装期间,可以最大程度减小对管道防腐涂层的损伤德甲下注-官方网站-德甲下注,这是减少管道防腐涂层破损的关键。由于涂层漏点处会发生阴极剥离并随时间会逐渐扩展,因此在管道施工安装期间加强涂层漏点的检测与修补,对减少裸露金属面积非常重要。


          (4)良好的附着力与抗阴极剥离特性

          大多数情况下阴极?;さ缌髁康脑黾涌赡苁怯捎谕坎惴⑸艘跫?德甲下注-官方网站-德甲下注,因此涂层应具备良好的附着力和抗阴极剥离特性。


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          FBE涂层阴极剥离失效


          管道防腐涂料体系如何顺应日益严苛的环保法规?


          目前,管道防腐领域主流体系为熔结环氧粉末、聚烯烃以及无溶剂环氧涂料德甲下注-官方网站-德甲下注,也有少量光固化预浸料或水性涂料在使用。根据国家产业结构调整目录的相关规定德甲下注-官方网站-德甲下注,上述相关产品均属于环境友好型涂料德甲下注-官方网站-德甲下注,因此从产品自身而言,所面临的环保问题不大德甲下注-官方网站-德甲下注。但相关产品在生产或涂敷时,由于企业生产管控问题,可能会出现粉尘、挥发性物质(如添加大量再生料)超标的问题,这是当前企业应该重点管控的方面。


           
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