埋地钢质管道防腐层的发展简史及性能分析

埋地钢质管道防腐层的发展简史及性能分析

管道运输是当代综合运输体系的重要组成部分，它和铁路、公路、水运、航空一起，构成各国经济发展的基础产业。它具有独特的优势及特点：一是可穿越山河、沙漠、沼泽，大部分埋在地下，占用土地少，仅为铁路占地的1/9；二是管道建设施工易于实行全盘机械化，建设速度快且投入相对较少，运输成本低，建设投资和周期通常为铁路的1/3～1/4；三是受气候等自然条件影响小，运输安全可靠；四是物料损耗小，对环境污染少；五是管道的运输管理易于实现自动化运行和集中控制；六是最适宜单一品种、大运量、长运距、单向连续运输，它不仅能够输送原油、天然气，还能输送成品油、煤浆及矿渣等颗粒物料。

长输管道在我国起步于1970年，比美欧发达国家晚近40年。目前我国管道输送的物料品种主要局限在原油和天然气，成品油管道刚刚起步，煤浆管道处于空白状态。近几年，随着我国国民经济的快速发展，天然气的利用量与日俱增，加大了我国长输管线建设的规模，并提高了管道技术水平。

目前长输管线均采用焊接钢制管道，由于管道所处环境千差万别且条件恶劣，通常会发生管道腐蚀。腐蚀引发的事故不仅会造成巨额的经济损失，还会造成严重的环境污染与安全事故。因此，强化管道防腐技术研究，提高管道防腐技术水平，己成为管道的主要需求。

长输油气管道目前主要采用阴极保护和高质量的防腐层相结合的防腐方法，以充分发挥二者的协同作用。防腐层作为埋地管道免遭腐蚀的屏障，主要用于隔离土壤中的腐蚀介质与金属管道的直接接触，并减少阴极保护所需电流。

1 国外管道防腐层的发展历史

最早大规模应用于管道的防腐层材料是煤焦油瓷漆，20世纪30年代煤焦油瓷漆被评为性能最优的涂料。此后在长达数十年内，该材料的使用在管道防腐层中始终处于首位，即使到1996年，其涂敷量在管道防腐中仍占居第二位。

20世纪40年代后，随着石油化工工业的发展，许多新型的防腐材料开始应用于管道防腐。如石油沥青、双层聚乙烯、胶粘带、黄夹克保温层、熔结环氧、三层聚乙烯和双层环氧等。

采用石油沥青进行管道防腐主要集中在前苏联、东欧和我国。50年代美国首次将双层聚乙烯应用于长输管道，90年代前该防腐层的应用主要集中在西欧。胶粘带是从60年代开始应用于油气管道。1985年熔结环氧（fusion bond epoxy，简称FBE）的涂敷量首次超过煤焦油瓷漆跃居首位。80年代初，原西德曼内斯曼设备公司发明了三层聚乙烯复合结构－MAPEC涂层，由于三层聚乙烯（three layers polyethylene，简称三层PE）防腐层的出现，以及它结合了熔结环氧粉末防腐层和聚乙烯防腐层二者的优点，迅速得到推广和应用。

美国《Pipeline Digest》（管道文摘）从80年代初开始，对世界各地主要管道工

程的防腐涂层使用情况进行了年度调查。近年来各种防腐涂层的使用情况综述如下：

（1）石油沥青防腐层的使用量波动较大，已被发达国家所淘汰，只是在一些第三世界国家使用;

（2）煤焦油瓷漆防腐层的使用量在50-60年代占据第一位，近年来由于污染严重，在某些发达地区和国家如欧洲、美国、澳大利亚、加拿大被禁止使用。目前主要用于海底水泥配重管道及旧管道防腐层修复，某些发展中国家仍然使用；

（3）胶粘带防腐层目前主要用于旧管道防腐层修复；

（4）双层聚乙烯防腐层在新建的中小口径管道上有一定的应用；

（5）熔结环氧粉末防腐层己成为国际上许多管道公司对新建管道进行涂敷的防腐层之一，尤其在以美国为代表的美洲国家得到了广泛的应用；

（6）80年代初，三层结构聚烯烃防腐层在欧洲国家开始使用，是目前世界上公认的性能最佳，使用效果最好的防腐层，其用量自1992年以来，在美国与FBE、煤焦油瓷漆等一样齐名，一直处于埋地钢质管道防腐层的前三位。近年来其使用量逐年增多，在欧洲几乎占据埋地管道防腐涂层的主导地位。

2 国内管道防腐层的发展历史

70年代前，我国油气管道防腐主要模仿前苏联的做法，即采用石油沥青进行防腐。

70～8 0年代外防腐层还采用过胶粘带及双层聚乙烯。

80年代我国的原油管道防腐层曾采用过环氧煤沥青和黄夹克保温层。

90年代初引进了熔结环氧粉末防腐层。

90年代还采用过煤焦油瓷漆防腐层。

1995年我国根据陕京输气管线和库都输油管线建设的需要，从国外引进了先进的三层PE防腐层技术。该防腐层在950km的陕京输气管线工程中全线采用，在480km 的库都输油管线中使用了420km；并很快在其它管线工程中获得了大量应用，如涩宁兰管线中使用了400km、兰成渝输油管线690km全线采用三层PE防腐层。由于三层PE防腐层造价的迅速降低，以及熔结环氧涂层在运输过程中容易损伤等原因，目前我国油气管道的防腐主要采用三层PE防腐层，其次是熔结环氧粉末防腐层。

3 各种埋地钢质管道防腐层的性能分析

3.1 石油沥青防腐层

该防腐层以汽油溶解的石油沥青为底漆，待底漆实干后，浇涂熔融的管道专用防腐

石油沥青，同时缠绕玻璃布用以增强，外层覆盖聚氯乙烯薄膜。整个防腐层的厚度普通级为4mm，加强级为5.2mm，特强级为7mm。在良好的自然环境和严格的施工条件下，使用寿命可达30年，一般仅为15～20年。

石油沥青防腐层的主要优点是：施工技术比较成熟、造价较低，与阴极保护兼容性好，取材容易、施工技术简单;主要缺点是：力学性能差、耐环境应力开裂差、吸水率高、绝缘电阻低，阴极保护电流大、易被植物根系穿透，不耐微生物，防腐工劳动条件差，对环境有一定的污染、耐温性差、热稳定性差、易老化开裂、温度高时老化更快。在运输、施工和运行中极易受伤，阴极保护站间即一般仅为30～50km。对于热油管道，管道顶部防腐层会因长期流淌而减薄。

3.2 煤焦油瓷漆防腐层

煤焦油瓷漆防腐层目前以氯化橡胶涂料为底漆，底漆实干后，高温浇涂煤焦油瓷漆，同时缠绕内、外缠带进行增强。由于其良好的物理化学性能和稳定的防蚀性能，原材料来源广、价格低廉，直到80年代中期，在防腐材料用量上一直高居首位。近年来由于环保意识增强及性能更先进的防腐层出现等原因，该防腐层在国外的用量大幅度下降。

煤焦油瓷漆防腐层的主要优点是：具有很强的抵抗细菌、石油制品侵蚀能力，吸水率较低、防腐层的致密性和绝缘性高于石油沥青、阴极保护电流小、不怕深根作物，在较高使用温度下，能保持性能稳定；主要缺点是：毒性大、机械强度不高、损伤机率大、低温发脆、高温流淌、钢管防腐造价比石油沥青涂层高。阴极保护的站间距也仅为30～50km。

3.3 环氧煤沥青防腐层

环氧煤沥青涂料是将环氧树脂和煤沥青混溶在一起，并配合固化剂使用的双组分溶剂型涂料，该涂料通常分为底漆和面漆，底漆中通常加入适量的防锈颜料。该防腐层通常先涂敷一定厚度的（70μm）底漆，待底漆实干后，再刷涂面漆，同时缠绕玻璃布。环氧煤沥青用作长度较短的管道修复或形状不固定的设备（例如：阀门、管件等）的防腐涂层，多年来己被广泛使用。

环氧煤沥青防腐层的主要优点是：抗土壤应力好，对外力引起的穿透抵抗力较好，耐温性能好，在93℃下使用仍然能保持防腐层的性能；主要缺点是：较脆，对外来的人为因素破坏仅有勉强够格的抵抗力。环氧煤沥青常用于现场涂覆，存在的主要缺点是固化时间过长（24h或更长），使涂覆后的埋地管道或设备必须等待很长时间才能进行管沟回填，为防止未固化防腐层受到杂物沾污，还必须提供保护措施，使得在长距离管道上使用环氧煤沥青涂料十分困难。

3.4 胶粘带防腐层

胶粘带是在聚乙烯基带上粘结胶粘剂，早期的产品涂敷溶剂型胶粘剂，该类产品粘结力差，目前胶粘带通常采用热复合工艺，即将胶粘剂与聚乙烯基带高温粘结在一

起，粘结力大幅提高。

胶粘带防腐层的主要优点是：绝缘电阻极高，抗杂散电流腐蚀的能力也极好，适于现场施工；主要缺点是：当钢管表面处理和缠绕质量不好时，易造成粘结力差，使得防腐层容易剥离；当防腐层发生剥离时，对阴极保护电流产生屏蔽，造成防腐层过早失效。由于胶粘剂是橡胶类的物质，软化点低。当温度较高时，胶粘带的粘结力变的很低，不足以抵抗土壤应力。因此，该防腐层常出现褶皱现象。此外还易发生外来的人为损坏、阴极剥离和应力腐蚀开裂。

3.5 熔结环氧（FBE）粉末防腐层

熔结环氧粉末防腐层是将防腐用环氧粉末通过静电涂敷技术，涂敷到230℃左右的钢管上，环氧粉末在钢管表面熔融并固化。

FBE防腐层的主要优点是：对钢管表面粘结力强、抗土壤应力的作用好、耐化学介质浸泡性能好、硬度高、摩擦系数小、阴极剥离半径小、使用范围广、预制费用适中等；主要缺点是：防腐层薄且相对较脆、单层熔结环氧防腐层的厚度仅为400～500μm、耐冲击性较差，在运输、施工过程中极易造成损伤，水汽渗透率高、防腐层的修补和环焊缝补口相对难度较大。

3.6 双层聚乙烯（二层PE）防腐层

二层PE防腐层曾是七十年代至九十年代欧洲使用最为广泛的外防腐层。该防腐层的第一层为胶粘剂，第二层为PE。

二层PE防腐层的主要优点是：具有极其优异的力学性能，抗冲击性好、韧性好、水汽渗透率低、抗土壤应力的作用好、耐化学介质浸泡、绝缘电阻高，不污染环境、补口与补伤容易、运输与施工中损伤少；主要缺点是PE与钢管粘结性能不理想，粘结力不如环氧，易发生粘结失败，防腐层与钢管脱离，失去粘结性的双层聚乙烯防腐层会形成对阴极保护电流起屏蔽作用的绝缘壳，给阴极保护带来困难，若一旦进水，阴极保护电流没法穿透聚乙烯到达钢管表面，极易出现防腐层屏蔽，发生膜下腐蚀。

3.7 三层聚乙烯（三层PE）防腐层

三层聚乙烯防腐层的结构为熔解环氧－共聚物胶粘剂－聚乙烯防腐层，简称三层PE。该防腐层是以环氧粉末涂料为底漆，以改性聚烯烃为中间层，以聚乙烯为面层，由于改性聚烯烃分子链上接枝了马来酸酐，因此可以与环氧底漆形成化学结合，同时又可以和面层形成物理融合，从而形成统一的整体，表现出优异的性能。三层PE用于输出介质温度≤70℃的管道。

三层PE防腐层的优点及与其他防腐层比较：

（1）防腐性能好

由于聚乙烯具有高分子量、高力学性能、不吸水、抗老化等特点，，因此其防腐层克服了石油沥青、煤焦油瓷漆防腐层耐温性差、机械强度低的缺点；同时克服了单层环氧粉末防腐层吸水率高、不耐冲击、抗外界机械损伤能力差的不足。由于环氧底层的采用，该防腐层又克服了聚乙烯胶粘带和两层聚乙烯防腐层粘结性能差的缺陷，是当今防腐层中最理想的防腐系统之一。

（2）防腐产品质量稳定

三层PE防腐层的原材料均为合成材料，具有严格的规范和质量要求，因此原材料的内在质量可以有效的控制。同时三层PE的防腐方案己形成严谨的标准体系，其涂敷过程从预热、抛丸除锈到涂覆、产品的检验、管端打磨都有法可依，有据可查，从而确保了产品质量稳定。

（3）环境污染小

在三层PE防腐层的生产过程中，由于所用材料都是无污染环保型产品，无有害气体和物质的排放，并且设置了预防噪音的装置。因此该防腐层有利于环境保护，也有利于施工人员的身体健康。

（4）造价已趋经济合理

国际三层PE防腐层每m2造价约10～12美元。我国在初期引进吸收这种防腐结构时，每m2造价约108～112元人民币。随着材料的国产化、生产人员素质的提高，最近每m2造价已降至75元人民币。由于造价的降低，使该防腐层的优势更加明显，大面积应用于陆上、海洋石油天然气管道将是必然的趋势。