3PE表面處理與雙層改性環氧涂層補口結構試驗

陳守平，顧玉佳，孫衛松

（大慶油田工程建設公司天宇設計院，黑龍江大慶 163712）

3PE表面處理與雙層改性環氧涂層補口結構試驗

陳守平，顧玉佳，孫衛松

（大慶油田工程建設公司天宇設計院，黑龍江大慶 163712）

3PE防腐管道的現場補口質量是影響埋地管道整體防腐質量的重要環節，聚乙烯層與各種通用膠粘劑的粘接強度相對較弱，造成很多常用補口材料在3PE防腐管道上補口失效，因此，改善聚乙烯的表面性能是提高3PE防腐管道現場補口效果的重要途徑。文章介紹了三種PE表面處理方法及無溶劑液體環氧涂料補口的試驗情況。結果表明，三種表面處理方法及無溶劑液體環氧涂料補口技術很好地解決了補口涂層與PE材料的粘結問題，具有施工方便、施工效率高、防腐效果好的特點。

鋼質管道；防腐；管道補口；3PE層表面處理；無溶劑環氧涂料

據調查統計，大多數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發生在補口、補傷等部位。因為管道主體的防腐層是在工廠內由專用的自動化作業線預制完成的，工藝控制相對容易，其防腐層和防護層的質量比較可靠，而現場補口的施工過程受氣候條件、地形地貌、施工設備、施工人員技術水平以及各種環境因素的影響，補口工藝控制的難度要比在工廠內預制大得多，因此補口處就成為整個管道防腐系統中最薄弱的環節。

1 3PE層表面處理

目前埋地鋼質管道外防腐層應用較多的是3PE防腐層，3PE防腐最外層為聚乙烯層，聚乙烯有良好的化學穩定性，但表面能低又無極性基團，與各種通用膠粘劑的粘接強度相對較弱，這一特點造成了很多常用補口材料在3PE防腐管道上的補口失效。因此，改善聚乙烯的表面性能是提高3PE防腐管道現場補口效果的重要途徑。

對聚乙烯表面進行處理，主要是通過在聚乙烯表面的分子鏈上導入極性基團來提高材料的表面能，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，為滿足結合面的粘接性能要求，我們試驗了幾種方法，檢測了極化處理后PE表面潤濕張力，驗證了極化效果。

1.1 火焰烘烤處理

火焰烘烤PE表面極化處理試驗在防腐管道廠內進行，烘烤方式采用人工手持火焊槍吹掃PE表面。火大時PE表面有輕微煙塵出現，火小時PE表面未見煙塵。本次試驗共做4個試件，1、2號為厚12 mm PE層，3、4號為厚1.5～2 mm PE層，檢測工具為達因筆。試驗記錄見表1，PE表面處理試驗檢測結果對比見圖1。

表1火焰烘烤PE表面處理試驗記錄

圖1 火焰PE表面處理試驗檢測結果對比

從表1和圖1可以看出，火焰烘烤處理后，PE表面潤濕張力有很大提高，加熱時間與潤濕張力成正比關系，但火焰烘烤處理法雖簡單，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合鍵能 （幾至十幾電子伏特），完全可以破裂有機大分子的化學鍵而形成新鍵；通過低溫等離子體表面處理，PE材料表面可發生多種物理、化學變化，或產生刻蝕而粗糙，或形成致密的交聯層，或引入含氧極性基團，使親水性、粘結性、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、難粘性轉變為有一定極性、易粘性和親水性。

本次試驗所用設備為南京產CTD-2000F型大氣低溫等離子體表面改性處理設備，本次試驗共做6個試件，1、2號為厚12 mm PE層，3～6號為厚1.5～2 mm PE層，檢測工具為達因筆。試驗記錄見表2， PE表面處理試驗檢測結果對比見圖2。

表2 低溫等離子體PE表面處理試驗記錄

圖2 低溫等離子體PE表面處理試驗檢測結果對比

低溫等離子體處理之后，PE表面潤濕張力有很大提高，表面處理時間達到30 s時，表面潤濕張力達到平穩數值。等離子處理方法的優點是被處理樣品多樣性，不受外觀形狀、基材厚度等限制，產生的等離子體火焰作用在被處理樣品表面不會導致其變形、燒損。不足之處是處理效率低，等離子體火焰的軌跡為點狀或線狀，如果運行速度快，處理效果就不太好或處理不均勻。

1.3 專用氣體極化處理

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

本次試驗所用專用氣體由北京北科雙元科技公司提供，試驗共做7個試件，均為厚1.5～2 mm PE層，檢測工具為達因筆。試驗記錄見表3，PE表面處理試驗檢測結果對比見圖3。

表3 專用氣體PE表面處理試驗記錄

圖3 專用氣體PE表面處理試驗檢測結果對比

從測試數據可以看出，采用專用氣體對PE表面極化處理得到的表面張力數值較高，顯示出較好的處理效果。另外，通過不同充氣時間從3～15 min得到的表面張力，數值是逐漸增加的，但到9 min后就穩定在了較高的數值，說明該方法充氣時間至少應在9 min以上，而且表面張力數值在24 h內基本無變化。

1.4 三種表面處理方法比較

根據現場施工需要，表面處理時間取60 min以內，對三種表面處理方法進行比較，表面處理后的PE表面潤濕張力均取最高數值，對比結果見表4和圖4。

表4 處理時間60 min內潤濕張力最高值比較

圖4 三種PE表面處理潤濕張力最高值對比

通過上述PE表面極化處理機理和處理方式的試驗對比分析，三種處理方法都能提高PE表面的潤濕張力，增強PE表面的極性，都可以用于PE表面改性處理，經處理后PE表面潤濕張力可以從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能量高，極化效果較好；在60 min內PE表面處理數據中，專用氣體極化處理后的潤濕張力值最高。

2 液體環氧涂層補口結構試驗

2.1 試件準備

試件為直徑159 mm鋼管，表面采用噴砂除銹，達到Sa2.5級，PE段采用電動鋼絲刷打磨+專用氣體表面處理，潤濕張力為68×10-3N/m。

2.2 補口涂料

液體環氧補口涂層采用100%固含量雙組分無溶劑液體環氧涂料。補口涂層結構為：底層改性環氧涂料+面層改性環氧涂料，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。涂層的主要性能指標見表5。

表5 改性環氧涂料涂層主要性能指標

2.3 底漆涂刷

調配底漆，混合比例為涂料∶固化劑=3∶1（體積比）。將非補口部位采用膠帶隔離，保證補口端面平齊。采用適當的涂刷工具 （短毛刷或刮板）將底漆均勻涂敷在補口部位上。在涂敷過程中，隨時用濕膜測厚儀檢測濕膜厚度。

2.4 面漆涂刷

調配面漆，混合比例為涂料∶固化劑=3∶1（體積比）。底漆表干后，開始涂刷面漆，采用適當的涂刷工具將面漆均勻涂敷在補口部位上。在涂敷過程中，隨時用濕膜測厚儀檢測濕膜厚度。

2.5 補口涂層與PE層粘結檢測

補口涂層固化后，對補口涂層與PE的粘結情況進行了檢測，補口涂層不能被撬剝下來；采用拉拔法測試，其粘結力達到5 MPa以上，補口涂層與PE的粘結力高于ISO 21809-3《石油和天然氣工業管道輸送系統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》中關于液態補口涂料粘結力≥3.5 MPa的規定。

3 結束語

（1）建議在管道補口標準中增加表面處理檢測評價條款，無論采用哪種表面改性處理方法，表面改性處理工序完成后，都應對已處理后的表面進行檢測評價，然后才能進行下道工序操作。處理后的評價指標建議潤濕張力達到60×10-3N/m以上。

（2）專用氣體表面處理施工時不需要加溫，被處理材料表面不會因溫度過高而產生變形、老化等損傷，而且操作簡單，表面處理速度快、效率高，處理后的表面性能穩定性和均勻性好，在3PE防腐管道現場補口方面有較好的推廣應用前景。

（3）液體環氧涂料補口技術現場操作簡單、施工效率高，與專用氣體表面處理技術結合，補口涂層與PE層結合面粘結性能優異、補口涂層的防腐和物理機械性能好，現場質量檢測方便，很好地解決了補口材料與PE材料粘結的問題，使補口涂層同管道主體防腐層形成一個有機整體，從而切實保障埋地鋼質管道整體防腐體系的防腐功效。

[1]魏強邦，王國境，王紅杰，等.新型3PE管道補口技術的研究[J].腐蝕與防護，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，高級工程師，1982年畢業于東北農學院，長期從事油田管道防腐保溫工程研究工作。

2011-10-13