埋地鋼質管道3PE防腐涂層是80年代以德國為代表的歐洲國家開發并成功應用的管道防腐技術，它由熔結環氧粉末（FBE）底層、中間層粘結劑和聚乙烯（PE）外層所組成，其結構示意圖如圖1所示。
其中環氧粉末涂層具有與金屬優異的附著力和抗陰極剝離性能以及優良的耐化學腐蝕性和抗氧氣滲透性，聚乙烯涂層具有優異的抗沖擊性能和抗水滲透性能。兩者通過中間層粘結劑粘接的配合而形成的復合涂層充分顯示了各自的優點，彌補了它們的缺點。鑒于3PE涂層優異的綜合性能使其在世界范圍內得到了廣泛的應用，是目前國內外大型管道工程上主流防腐結構。
自3PE管道防腐涂層技術開始使用，至今已有二十多年的時間。盡管3PE涂層技術呈現了優異的防腐和抗機械損傷性能。但在許多國家，在用的3PE防腐層出現了嚴重的附著力減退問題。導致能夠毫不費力地將防腐層從鋼管上剝離下來。這當然使人們對這種防腐層預期的長期腐蝕控制性能產生了疑問，但是并沒有確定屬于結構性的腐蝕問題。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涂層發生失效，該管道僅運行5年，便在2008年通過內檢測發現3處異常。 為了檢測涂層系統的完整性，進行了多次開挖。總共評估了13處管段，發現有12處管段存在3PE剝離失效，絕大多數失效位于管體與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，從圖片中可以發現防腐層表面存在部分污物和雜質量。相比而言，臨近的FBE涂層管道，涂層狀況完好，未出現涂層失效問題。
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力，否則一旦涂層失去粘結力，潮氣就會聚結于鋼管與防腐涂層之間，導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量的關鍵。
管道防腐是一個系統工程，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。影響管道防腐質量的因素很多，管道防腐原材料質量和涂敷工藝控制、管道敷設及管道運行等諸多環節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。理論上講以上各環節中的任何一個控制點出現問題都有可能導致3PE防腐層的失效。從文獻報道出現的防腐層從鋼管表面整體剝離的情況來看，FBE與管體間粘接性能不佳可能是導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環氧粉末底漆的附著力，主要包括原材料質量、鋼管表面預處理、環氧粉末的涂敷工藝等。此外FBE涂層厚度、涂層內應力、管道儲存環節控制不嚴、野蠻施工等因素也會在一定程度上影響涂層的粘接。
（2）環氧粉末在經過中頻感應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下，中間粘結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，纏繞在中間粘結劑的表面；（3）冷卻定型，通過風冷和水冷共同作用，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、水冷控制等各環節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。
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定的聚集狀態而在涂層內部產生比較高的殘余熱應力。因為殘余應力高，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，因為這些是高應力集中部位。 特別是假如鋼管表面預處理不當或工藝不匹配，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、質量偏差或發生熱氧化降解，也將導致防腐層過早失效。
通過研究發現，殘余應力集中與FBE厚度、PE層厚度、坡口角度、FBE熱量、熱膨脹系數的差異有關。PE層厚度增加會加大FBE 與鋼管之間脫層的風險，殘余應力在坡口處集中，坡口角度越大越容易發生涂層翹邊。
3、結論
3PE防腐層具有抗機械損傷、穩定性好、陰極保護一次投資及運行成本低的優點，但防腐層與管道長期粘接良好是首要前提。由于3PE涂層生產過程中涉及的工序較多且工藝復雜，影響產品質量的因素較多，任何一個工序操作不當都會影響防腐層的質量。3PE防腐設計壽命一般都是30～50年，其優越性也是以其長期防腐有效為前提的，3PE防腐層的優越性是長期有效為前提的，是必須以嚴格的質量控制體系為保證的。因此，必須從嚴把控管道投產運行之前的各個環節，以保證管道防腐質量。 防腐層失效是一種嚴重的質量問題，輕者嚴重影響產品形象，重者導致防腐層報廢。有的失效可以在出管崗位檢查出來，有的在發管現場才能發現，有的要到管道建設工地才暴露問題。問題一旦產生，不僅修補極其困難，而且由于有的問題要潛伏相當長的時間才暴露，很難防范。因此，涂層的粘接質量問題必須在生產過程中予以防范和解決。
來源：中國石油管道科技研究中心
