陳守平，顧玉佳，孫衛(wèi)松

（大慶油田工程建設(shè)公司天宇設(shè)計(jì)院，黑龍江大慶 163712）

3PE表面處理與雙層改性環(huán)氧涂層補(bǔ)口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

陳守平，顧玉佳，孫衛(wèi)松

（大慶油田工程建設(shè)公司天宇設(shè)計(jì)院，黑龍江大慶 163712）

3PE防腐管道的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口質(zhì)量是影響埋地管道整體防腐質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，聚乙烯層與各種通用膠粘劑的粘接強(qiáng)度相對(duì)較弱，造成很多常用補(bǔ)口材料在3PE防腐管道上補(bǔ)口失效，因此，改善聚乙烯的表面性能是提高3PE防腐管道現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口效果的重要途徑。文章介紹了三種PE表面處理方法及無(wú)溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口的試驗(yàn)情況。結(jié)果表明，三種表面處理方法及無(wú)溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口技術(shù)很好地解決了補(bǔ)口涂層與PE材料的粘結(jié)問(wèn)題，具有施工方便、施工效率高、防腐效果好的特點(diǎn)。

鋼質(zhì)管道；防腐；管道補(bǔ)口；3PE層表面處理；無(wú)溶劑環(huán)氧涂料

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)管道損壞是由管道外腐蝕引起的，而管道的腐蝕穿孔事故多數(shù)發(fā)生在補(bǔ)口、補(bǔ)傷等部位。因?yàn)楣艿乐黧w的防腐層是在工廠內(nèi)由專用的自動(dòng)化作業(yè)線預(yù)制完成的，工藝控制相對(duì)容易，其防腐層和防護(hù)層的質(zhì)量比較可靠，而現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口的施工過(guò)程受氣候條件、地形地貌、施工設(shè)備、施工人員技術(shù)水平以及各種環(huán)境因素的影響，補(bǔ)口工藝控制的難度要比在工廠內(nèi)預(yù)制大得多，因此補(bǔ)口處就成為整個(gè)管道防腐系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

1 3PE層表面處理

目前埋地鋼質(zhì)管道外防腐層應(yīng)用較多的是3PE防腐層，3PE防腐最外層為聚乙烯層，聚乙烯有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但表面能低又無(wú)極性基團(tuán)，與各種通用膠粘劑的粘接強(qiáng)度相對(duì)較弱，這一特點(diǎn)造成了很多常用補(bǔ)口材料在3PE防腐管道上的補(bǔ)口失效。因此，改善聚乙烯的表面性能是提高3PE防腐管道現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口效果的重要途徑。

對(duì)聚乙烯表面進(jìn)行處理，主要是通過(guò)在聚乙烯表面的分子鏈上導(dǎo)入極性基團(tuán)來(lái)提高材料的表面能，并提高表面的粗糙度，消除表面的弱界面層。聚乙烯表面處理的具體工藝方法有：火焰烘烤處理、低溫等離子體處理和專用氣體極化處理等，為滿足結(jié)合面的粘接性能要求，我們?cè)囼?yàn)了幾種方法，檢測(cè)了極化處理后PE表面潤(rùn)濕張力，驗(yàn)證了極化效果。

1.1 火焰烘烤處理

火焰烘烤PE表面極化處理試驗(yàn)在防腐管道廠內(nèi)進(jìn)行，烘烤方式采用人工手持火焊槍吹掃PE表面?；鸫髸r(shí)PE表面有輕微煙塵出現(xiàn)，火小時(shí)PE表面未見(jiàn)煙塵。本次試驗(yàn)共做4個(gè)試件，1、2號(hào)為厚12 mm PE層，3、4號(hào)為厚1.5～2 mm PE層，檢測(cè)工具為達(dá)因筆。試驗(yàn)記錄見(jiàn)表1，PE表面處理試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖1。

表1火焰烘烤PE表面處理試驗(yàn)記錄

圖1 火焰PE表面處理試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表1和圖1可以看出，火焰烘烤處理后，PE表面潤(rùn)濕張力有很大提高，加熱時(shí)間與潤(rùn)濕張力成正比關(guān)系，但火焰烘烤處理法雖簡(jiǎn)單，但受人為操作因素影響較多，容易將試件表面烘烤焦煳致破壞，試件較薄時(shí)容易變形。

1.2 低溫等離子體處理

噴射式大氣低溫等離子體表面處理器產(chǎn)生的低溫等離子體中粒子的能量一般約為幾至幾十電子伏特，大于聚合物材料的結(jié)合鍵能 （幾至十幾電子伏特），完全可以破裂有機(jī)大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵；通過(guò)低溫等離子體表面處理，PE材料表面可發(fā)生多種物理、化學(xué)變化，或產(chǎn)生刻蝕而粗糙，或形成致密的交聯(lián)層，或引入含氧極性基團(tuán)，使親水性、粘結(jié)性、可染色性、生物相容性及電性能分別得到改善，使材料的表面由非極性、難粘性轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢O性、易粘性和親水性。

本次試驗(yàn)所用設(shè)備為南京產(chǎn)CTD-2000F型大氣低溫等離子體表面改性處理設(shè)備，本次試驗(yàn)共做6個(gè)試件，1、2號(hào)為厚12 mm PE層，3～6號(hào)為厚1.5～2 mm PE層，檢測(cè)工具為達(dá)因筆。試驗(yàn)記錄見(jiàn)表2， PE表面處理試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。

表2 低溫等離子體PE表面處理試驗(yàn)記錄

圖2 低溫等離子體PE表面處理試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

低溫等離子體處理之后，PE表面潤(rùn)濕張力有很大提高，表面處理時(shí)間達(dá)到30 s時(shí)，表面潤(rùn)濕張力達(dá)到平穩(wěn)數(shù)值。等離子處理方法的優(yōu)點(diǎn)是被處理樣品多樣性，不受外觀形狀、基材厚度等限制，產(chǎn)生的等離子體火焰作用在被處理樣品表面不會(huì)導(dǎo)致其變形、燒損。不足之處是處理效率低，等離子體火焰的軌跡為點(diǎn)狀或線狀，如果運(yùn)行速度快，處理效果就不太好或處理不均勻。

1.3 專用氣體極化處理

該處理技術(shù)是采用專用薄膜對(duì)待處理部位進(jìn)行包扎密封，然后注入專用極化氣體，保持一定時(shí)間，使PE表面具有活性，以增加涂料的粘接力。

本次試驗(yàn)所用專用氣體由北京北科雙元科技公司提供，試驗(yàn)共做7個(gè)試件，均為厚1.5～2 mm PE層，檢測(cè)工具為達(dá)因筆。試驗(yàn)記錄見(jiàn)表3，PE表面處理試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3。

表3 專用氣體PE表面處理試驗(yàn)記錄

圖3 專用氣體PE表面處理試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，采用專用氣體對(duì)PE表面極化處理得到的表面張力數(shù)值較高，顯示出較好的處理效果。另外，通過(guò)不同充氣時(shí)間從3～15 min得到的表面張力，數(shù)值是逐漸增加的，但到9 min后就穩(wěn)定在了較高的數(shù)值，說(shuō)明該方法充氣時(shí)間至少應(yīng)在9 min以上，而且表面張力數(shù)值在24 h內(nèi)基本無(wú)變化。

1.4 三種表面處理方法比較

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要，表面處理時(shí)間取60 min以內(nèi)，對(duì)三種表面處理方法進(jìn)行比較，表面處理后的PE表面潤(rùn)濕張力均取最高數(shù)值，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4和圖4。

表4 處理時(shí)間60 min內(nèi)潤(rùn)濕張力最高值比較

圖4 三種PE表面處理潤(rùn)濕張力最高值對(duì)比

通過(guò)上述PE表面極化處理機(jī)理和處理方式的試驗(yàn)對(duì)比分析，三種處理方法都能提高PE表面的潤(rùn)濕張力，增強(qiáng)PE表面的極性，都可以用于PE表面改性處理，經(jīng)處理后PE表面潤(rùn)濕張力可以從34×10-3N/m提高到60×10-3N/m以上，其中等離子體處理和專用氣體極化處理由于電子能量和化學(xué)能量高，極化效果較好；在60 min內(nèi)PE表面處理數(shù)據(jù)中，專用氣體極化處理后的潤(rùn)濕張力值最高。

2 液體環(huán)氧涂層補(bǔ)口結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

2.1 試件準(zhǔn)備

試件為直徑159 mm鋼管，表面采用噴砂除銹，達(dá)到Sa2.5級(jí)，PE段采用電動(dòng)鋼絲刷打磨+專用氣體表面處理，潤(rùn)濕張力為68×10-3N/m。

2.2 補(bǔ)口涂料

液體環(huán)氧補(bǔ)口涂層采用100%固含量雙組分無(wú)溶劑液體環(huán)氧涂料。補(bǔ)口涂層結(jié)構(gòu)為：底層改性環(huán)氧涂料+面層改性環(huán)氧涂料，底層的作用為防腐并與PE表面粘接，面層的作用主要是防護(hù)。涂層的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 改性環(huán)氧涂料涂層主要性能指標(biāo)

2.3 底漆涂刷

調(diào)配底漆，混合比例為涂料∶固化劑=3∶1（體積比）。將非補(bǔ)口部位采用膠帶隔離，保證補(bǔ)口端面平齊。采用適當(dāng)?shù)耐克⒐ぞ?（短毛刷或刮板）將底漆均勻涂敷在補(bǔ)口部位上。在涂敷過(guò)程中，隨時(shí)用濕膜測(cè)厚儀檢測(cè)濕膜厚度。

2.4 面漆涂刷

調(diào)配面漆，混合比例為涂料∶固化劑=3∶1（體積比）。底漆表干后，開(kāi)始涂刷面漆，采用適當(dāng)?shù)耐克⒐ぞ邔⒚嫫峋鶆蛲糠笤谘a(bǔ)口部位上。在涂敷過(guò)程中，隨時(shí)用濕膜測(cè)厚儀檢測(cè)濕膜厚度。

2.5 補(bǔ)口涂層與PE層粘結(jié)檢測(cè)

補(bǔ)口涂層固化后，對(duì)補(bǔ)口涂層與PE的粘結(jié)情況進(jìn)行了檢測(cè)，補(bǔ)口涂層不能被撬剝下來(lái)；采用拉拔法測(cè)試，其粘結(jié)力達(dá)到5 MPa以上，補(bǔ)口涂層與PE的粘結(jié)力高于ISO 21809-3《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)中使用的地下或水下管道的外部涂層——第3部分：安裝接頭涂層》中關(guān)于液態(tài)補(bǔ)口涂料粘結(jié)力≥3.5 MPa的規(guī)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）建議在管道補(bǔ)口標(biāo)準(zhǔn)中增加表面處理檢測(cè)評(píng)價(jià)條款，無(wú)論采用哪種表面改性處理方法，表面改性處理工序完成后，都應(yīng)對(duì)已處理后的表面進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，然后才能進(jìn)行下道工序操作。處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo)建議潤(rùn)濕張力達(dá)到60×10-3N/m以上。

（2）專用氣體表面處理施工時(shí)不需要加溫，被處理材料表面不會(huì)因溫度過(guò)高而產(chǎn)生變形、老化等損傷，而且操作簡(jiǎn)單，表面處理速度快、效率高，處理后的表面性能穩(wěn)定性和均勻性好，在3PE防腐管道現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口方面有較好的推廣應(yīng)用前景。

（3）液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、施工效率高，與專用氣體表面處理技術(shù)結(jié)合，補(bǔ)口涂層與PE層結(jié)合面粘結(jié)性能優(yōu)異、補(bǔ)口涂層的防腐和物理機(jī)械性能好，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)方便，很好地解決了補(bǔ)口材料與PE材料粘結(jié)的問(wèn)題，使補(bǔ)口涂層同管道主體防腐層形成一個(gè)有機(jī)整體，從而切實(shí)保障埋地鋼質(zhì)管道整體防腐體系的防腐功效。

[1]魏強(qiáng)邦，王國(guó)境，王紅杰，等.新型3PE管道補(bǔ)口技術(shù)的研究[J].腐蝕與防護(hù)，2008，29（9）：555-556.

Tests of 3PE Surface Treatment and Field Joint with Double Layer Modified Epoxy Coating

CHEN Shou-ping（Tianyu Design Institute of Daqing Oilfield Construction Co.,Daqing 163712， China），GU Yu-jia，SUN Wei-song

Field joint quality of 3PE anticorrosion pipeline is a key factor affecting integral anticorrosion quality of the buried pipeline.The bonding strength between polythene layer and kinds of common adhesives is relatively small and it causes field joint failures as using some common materials for the joint of 3PE anticorrosion pipeline.Hence meliorating polythene surface performance is an important way to improve field joint effect.Three PE surface treatment methods（flame firing treatment,plasma treatment and special gas polarizing treatment）and solvent-free liquid epoxy coating for field joint are tested and the results show that they solve the bonding problem between the field joint coating and the PE material very well,and have the advantages of high construction efficiency and good anticorrosion effect.

steel pipeline;anticorrosion;pipeline field joint;3PE layer surface treatment;solvent-free liquid epoxy coating;test

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.011

陳守平 （1959-），男，遼寧鳳城人，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于東北農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)期從事油田管道防腐保溫工程研究工作。

2011-10-13