国内外３ＰＥ涂层标准对比分析
赵云峰，姚学军，吴凯旋，税碧垣
腐蚀与防护2012年10月
摘要：３ＰＥ涂层由于其稳定的高品质性能在中国管道工程上已经得到了广泛的应用，而近年来，在某些管道现场调查中发现有大面积的剥离现象，对管道安全产生较大威胁。为了找到涂层粘结失效原因，本文通过对比国内外防腐蚀层相关技术标准，从防腐蚀层结构、原材料性能指标、表面处理要求、涂装工艺要求、质量检验等五个方面讨论国内外防腐蚀层主要技术指标的差异，考察不同技术指标对３ＰＥ使用性能的影响，分析３ＰＥ防腐蚀层在使用过程中可能存在的失效原因，并对３ＰＥ使用中应注意的问题和国内３ＰＥ技术标准的指标的改进提出了建议。
关键词：管道；涂层；３ＰＥ；对比；标准
０ 引 言
３ＰＥ涂层由熔结环氧粉末（ＦＢＥ）为底层、中间胶粘剂和挤出聚乙烯外护层组成，具有优异的抗腐蚀和机械损伤性能［１］。国内许多重点管道工程如西气东输、涩宁兰、兰成渝等管线都采用了３ＰＥ涂层。然而３ＰＥ涂层也并非绝对安全，一旦涂层和管体失去粘结就会造成阴极屏蔽进而导致一系列的腐蚀和应力开裂等现象。近年来国内外均发生了３ＰＥ涂层粘结力降低甚至失效的现象［２］，例如涂层受到机械损伤导致水通过缺陷进入到未受损的涂层部位，或者涂层与管体产生剥离，对阴极保护电流产生屏蔽，降低阴极保护的作用；３ＰＥ涂层三层结构之间存在明显的界面，在服役中产生分层现象；表层聚乙烯是一种环境应力开裂敏感材料，环境应力、较高的使用温度以及长期在腐蚀介质中浸泡等条件下产生环境应力裂纹；焊缝处涂层厚度低于主体防腐蚀层，使焊缝处防腐蚀层成为薄弱环节，成为失效的源头［３］。
因此，通过分析国内与国外标准中关于３ＰＥ防腐蚀层技术指标要求的差异，分析可能存在的粘结失效原因，对于提高国内３ＰＥ防腐蚀层质量和技术标准水平，保证防腐蚀层的使用寿命和管道安全有重要的意义。
１ 国内外３ＰＥ相关标准介绍
目前可供参考的国内外标准有ＧＢ／Ｔ ２３２５７－２００９《埋地钢质管道聚乙烯防腐蚀层》，ＳＹ／Ｔ０３１5－２００５《钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层技术规范》，ＤＩＮ３０６７０《钢管和管件的聚乙烯涂层》，ＣＳＡＺ２４５．２０／２１－２００２《钢管熔 结环氧／聚乙烯 外 涂层》，ＡＷＷＡＣ２１５－２００４《钢质水管道挤压聚烯烃外涂层》，ＡＷＷＡ Ｃ２１３－２００１《钢质水管道熔结环氧内／外涂层》，ＮＡＣＥ ＲＰ０１８５－１９９６《地下或水底管道的采用软粘合剂的挤压聚丙烃树脂保护层》，ＮＡＣＥ ＲＰ０３９４－２００２《工厂涂敷熔结环氧树脂管道外覆 盖 层 体 系：涂 敷 施 工 性 能 和 质 量 控 制 》，ＩＳＯ２１８０９．１《石油天然气工业－管道输送系统的埋地和水下管线外涂层－第１部分：聚烯烃涂层（３ＰＥ和３ＰＰ）》，ГОСТР５１１６４－１９９８《干线钢管线防腐主要要求》。其中ＡＷＷＡＣ和ＮＡＣＥ没有检索到３ＰＥ标准，因此仅将其聚烯烃防腐蚀层相关标准进行对比分析。
２ 技术指标对比
２．１ 涂层结构对比
涂层厚度设计既要保证优异的防腐性能还要保证优良的机械性能。这要求防腐蚀层厚度不能太低。防腐蚀层厚度太低容易在吊装、运输、下沟等过程中遭受冲击、摩擦等机械损伤。研究表明涂层机械性能随厚度增大而线性增大，厚度在１．７ｍｍ以下不足以抗机械损伤［４］。国内外相关３ＰＥ涂层标准的对比数据见表１所示。
从表１中可以看出国内标准ＧＢ／Ｔ ２３２５７、ＳＹ／Ｔ ０４１３、ＩＳＯ２１８０９．１与ＤＩＮ３０６７０规定较为一致，ＤＩＮ３０６７０标准规定防腐蚀层厚度基本在３ｍｍ以上 ，加 强 级 防 腐 层 厚 度 比 普 通 级 高０．７ｍｍ。而ＣＳＡ２４５．２１及ＩＳＯ２１８０９．１将防腐蚀层分为低密度（ＬＤ）、中密度（ＭＤ）和高密度（ＨＤ）三种类别分别作出了规定。对ＣＳＡ２４５．２１标准，Ｂ１体系符合我国使用的３ＰＥ防腐蚀层规格，其低密度聚烯烃防腐蚀层的厚度为３．０ｍｍ，而中密度聚烯烃防腐蚀层厚度仅为１．１５ ｍｍ，高密度聚烯烃防腐蚀层厚度为１．０ｍｍ。
ＩＳＯ２１８０９．１标准又进一步将各种密度的防腐蚀层分为三个级别，分别适用于不同条件下的工况。对于不需要在岩石等环境下使用的第二级别，低密度聚烯烃防腐蚀层厚度为３．２ｍｍ，中高密度聚烯烃防腐蚀层厚度为２．８ｍｍ。ＮＡＣＥ０１８５对防腐蚀层厚度的规定较为灵活，需符合制造商和购买商的要求。
ＦＢＥ可以提供防腐蚀层与钢管良好的粘结力以及抗阴极剥离性能。具体结构上国内标准ＳＹ／Ｔ０４１３采用较低的ＦＢＥ厚度（０．０８ｍｍ），相应的粘结剂层厚度为０．１７ｍｍ。由于近年来应用后出现了一些粘结失效的问题，国标ＧＢ／Ｔ ２３２５７将ＦＢＥ的厚度增加到了０．１２ｍｍ，粘结层厚度不变（０．１５ｍｍ）。ＩＳＯ２１８０９．１标准规定的ＦＢＥ层厚度与我国标准接近，为０．１２５ｍｍ，粘结剂层为０．１７ｍｍ。加拿大标准标准规定的ＦＢＥ层及粘结剂层厚度最薄，均为０．０５ ｍｍ，这 样 会 导 致 聚 烯 烃 层 较 厚。ＮＡＣＥ０１８５与其它标准规定的ＰＥ层厚度相差较大，规定为０．５８ｍｍ，而其它标准根据其它层厚规定计算所得的ＰＥ层厚度为２．７～２．９ｍｍ。
Ｂｅｎ－ｊｉａｍｉｎ Ｔ Ａ Ｃｈａｎｇ等人对３ＬＰＥ涂层的应力分析研究表明，ＰＥ增加，径向压力会迅速增大［５］。因此，如果ＰＥ层厚度过大，可能导致由于环境温度变化引起的应力增加，使得ＰＥ层的剥离应力大于粘结剂层的粘结力，从而导致粘结失效。
２．２ 环氧底漆材料指标
环氧粉末材料的测试指标主要表现在挥发份、阴极剥离性能、附着力、孔隙率等方面。优质的环氧粉末原料挥发份不能太高，否则将导致涂层出现微小的针孔、缩孔，还可能导致胶化时间过长，机械强度降低等问题的出现［６］。国内外环氧粉末材料测试指标的对比见表２所示。由表２可以看出，国内外标准普遍将挥发份上限定为０．６。然而国外标准要求在１０５℃下烘２ｈ，降到室温测量，间隔１ｈ后重复称量，一直到两次质量相差不超过０．００１ｇ为止，国内测试一般要求在１０５℃下烘烤１ｈ，在２３０ ℃下烘５ｍｉｎ后，冷却到室温称重计算。因此国外测定方法较为科学，更能真实地反映实际挥发份的质量。
ＮＡＣＥ０３９４标准将挥发份上限规定为０．５，要求更为严格。阴极剥离是３ＰＥ常见的一种失效方式，一旦防腐蚀层与管体发生剥离将会产生阴极屏蔽及应力腐蚀等一系列问题。国内外标准对阴极剥离试验均规定了高温（６５℃）２４ｈ或４８ｈ和低温（２０℃）２８ｄ的阴极剥离指标，而对高温长期阴极剥离指标缺少相应的规定。
ＮＡＣＥ０４１３标准中阴极剥离半径要求最小，为６．０ｍｍ，对阴极剥离性能要求最为严格。提高附着力可以有效防止剥离现象的发生。国内外标准均要求１～３级附着力，国外标准规定的测试温度为６５℃，而ＧＢ／Ｔ２３２５７要求测试温度较高，规定为７５℃，测试时间也较长（４８ｈ），可见国内标准对附着力要求更严格。
孔隙率可以作为耐阴极剥离的重要指标。孔隙率越高，水、氧等介质渗透率也越高，越容易造成防腐蚀层的剥离［７］。ＮＡＣＥ０３９４要求１～３级孔隙率，略高于其余国外标准。ＩＳＯ２１８０９．２标准中没有对孔隙率等级作出明确的规定，而是给出了孔隙率标准的样板照片，要求实际应用中与照片进行对比作出判断。
２．３ 胶粘剂材料指标
胶粘剂材料的测试指标对比表见表３所示。由表３中标准对比可以 看 出，ＧＢ／Ｔ ２３２５７和ＣＳＡ２４５．２０／２１均规定了密度、熔融流动速率、软化点、脆化温度等指标。ＡＷＷＡ Ｃ２１５对软化点、渗透率和比重作出了规定。ＮＡＣＥ０１８５对渗透率和软化点作出了规定。ＩＳＯ ２１８０９．１对软化点和含水率做出了规定。通过对比可以看出国内标准缺少含水率和渗透率指标规定。
２．４ 聚乙烯材料指标对比
聚乙烯主要作用之一就是防止机械损伤，因此国内外标准对聚乙烯材料的机械性能都做出了相应的规定。表４列出了国内外相关聚乙烯标准的规定指标。从表４中可以看出，ＧＢ／Ｔ ２３２５７拉伸强度和断裂伸长率指标略高于国外标准。此外ＣＳＡ、ＮＡＣＥ、ＩＳＯ等国外标准均规定了硬度指标。硬度是抗划伤能力的重要指标，国内标准没有对此做出规定。国内标准对聚乙烯的电绝缘性能比较重视，对电气强度和体积电阻率作出了规定，国外标准则缺少相应规定。
环境敏感开裂是３ＰＥ常见的一种失效形式，耐环境敏感应力开裂指标对３ＰＥ服役性能具有重要意义，因此国内外标准均对这一指标作出了规定。我国标准和ＩＳＯ标准规定一致，加拿大标准规定数值较低，仅为３００ｈ。
２．５ 表面处理
表面处理指标主要包括表面处理质量、锚纹深度、表面盐分、灰尘度等。表５，表６列出了国内标准关于钢管表面处理的各项指标。从表６可以看出，表面处理质量国内外标准均要求达到Ｓａ２。对表面盐分和灰尘度只有ＩＳＯ２１８０９．１规定了相应指标的规定，其他标准缺少相应技术指标的规定内容。有文献［８］指出锚纹深度最低要求应为５０μｍ，国内标准和ＩＳＯ２１８０９对锚纹深度的规定一致均为５０μｍ，高于其他国外标准。ＤＩＮ３０６７０只对表面处理质量进行了规定，其他指标均为提及。
２．６ 应用试验对比
适用性试验是正式涂装生产前进行的实验室测试，是对涂层整体性能的测试，国外叫涂装工艺试验［２］。对于２０ ℃的拉伸强度指标，ＧＢ／Ｔ ２３２５７的规定数值小于加拿大及ＩＳＯ标准，但高于俄罗斯及德国的标准；而５０℃的拉伸强度指标，ＧＢ／Ｔ ２３２５７的规定数值又大于ＤＩＮ３０６７０标准规定。其它标准规定的拉伸强度测试温度较高，ＩＳＯ标准规定了８０℃下的测试指标，俄罗斯标准规定了６０℃下的测试指标。
ＧＢ／Ｔ ２３２５７对冲击性能和断裂伸长率的规定均高于国外标准，表明国内对涂层的机械性能要求更为严格。对阴极剥离指标国内要求在－１．５Ｖ电位下４８ｈ试验，而国外一般规定－３．５Ｖ电位下２４ｈ试验，哪种方式在评价抗阴极剥离性能更为合理尚需要试验验证。此外国内外标准均对短期的阴极剥离指标进行了规定，但短期的阴极剥离指标并不能很好的预测防腐蚀层长期抗阴极剥离的能力，高温长期浸泡下的阴极剥离性能测试更能合理的预测长期性能。
ＩＳＯ２１８０９．１规定了２３ ℃下２８天的指标，没有对高温长期行为进行规定。俄罗斯标准ГОСТР５１１６４则较为详细的规定了长期性能，包括２０℃及６０℃，７天及３０天的阴极剥离试验要求。
３ 结论和建议
通过对比分析发现国内外３ＰＥ防腐蚀层技术标准指标存在一定差异，许多指标对防腐蚀层性能和使用寿命有重要的影响。国内标准某些指标要高于国外，但国外也有许多指标的规定比国内更为严格，在今后的标准制修订中应当借鉴。
（１）对ＦＢＥ及ＰＥ层合理的最小厚度进行研究并在标准中明确。
（２）国内标准对胶粘剂的含水率和渗透率指标未作出相应规定，可能造成胶粘剂性能质量下降，建议增加这些性能指标。
（３）ＣＳＡ、ＮＡＣＥ、ＩＳＯ等国外标准均规定了硬度指标。硬度是抗划伤能力的重要指标，而国内标准未对此做出规定，建议增加这一性能指标的规定。
（４）参考国外标准并对最低锚纹深度进行研究，另外关于表面盐分及灰尘度，仅有ＩＳＯ２１８０９．１对此作出了规定，其它标准均为对此有相关规定，建议研究表面盐分及灰尘度对胶粘层的影响，考察是否增加相关指标。
（５）适当提高３ＰＥ涂层２０ ℃下的拉伸强度指标，规定较高温度的拉伸强度测试指标（８０ ℃）代替当前的温度测试条件（５０℃）。
（６）参考俄罗斯标准，建立长期阴极剥离强度的测试指标，以考察涂层的长期性能。
参考文献略
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