磷化工藝在海底管道防腐蝕中的應用

李長春，相政樂，王銘浩，趙利，賈振，呂喜軍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）

磷化工藝在海底管道防腐蝕中的應用

李長春，相政樂，王銘浩，趙利，賈振，呂喜軍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452）

介紹了磷化工藝原理、工藝流程及其工藝控制，通過在工業(yè)管道上進行3LPE涂敷試驗，研究了磷化處理對涂層性能的影響。結果表明：磷化處理提高了鋼管的表面質量，涂層附著力得到改善。

磷化工藝；海底管道；涂層性能；防腐蝕

隨著海上油氣田大開發(fā)時代的到來，海底油氣輸送管道的用量也愈來愈大，考慮到海水腐蝕環(huán)境的惡劣性，在管線的設計文件中對防腐蝕涂層的性能提出了更高的要求。為了滿足海洋管道的防腐蝕需求，在海底管道單層FBE（熔結環(huán)氧），雙層FBE和3LPE／PP（3層聚乙烯／聚丙烯）等防腐蝕涂層的生產(chǎn)中，均需要對拋丸除銹后的鋼管基體進行磷化處理，以提高涂層的附著力和防腐蝕能力。隨著我國海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，在深海、超深海管道上應用的5LPP／7LPP、SPU／GSPU（噴涂聚脲／玻璃聚氨脂）等防腐蝕保溫結構的涂敷工藝中，鋼管基體采用磷化處理工藝更是必不可少的。

鋼管表面磷化處理過程是磷化液與基材通過化學和電化學反應在鋼管表面形成磷酸鹽覆蓋膜的過程（經(jīng)歷電離、水解、氧化、結晶四個步驟）［1］。磷化工藝是經(jīng)國內外工業(yè)實踐證明的有效改善鋼管表面清潔度的化學預處理手段［2］，不僅工藝參數(shù)控制較成熟［3］，而且對金屬基材及涂層性能改進效果也較明顯［4-5］。本工作介紹了磷化工藝，并通過試驗驗證了其在海管底管道防護中的應用前景。

1 磷化工藝簡介

管道防腐蝕涂敷過程中，磷化工藝通常由磷化、高壓水洗、干燥三道工序組成［6］，管道的涂敷工藝（包括磷化工藝）見圖1。

拋丸除銹后的鋼管通過涂敷傳動線，首先進入鋼管磷化噴淋系統(tǒng)。

經(jīng)過水預處理系統(tǒng)和二級反滲透（RO）系統(tǒng)制備的純水儲存于儲水箱中，經(jīng)氣動隔膜泵、電磁流量計進入自動配酸系統(tǒng)，自動加藥電磁隔膜計量泵根據(jù)設定的加藥比例配制磷化液。

配制的磷化液經(jīng)磷化噴淋室的扇形霧化噴嘴，以一定壓力和流量均勻地噴淋在鋼管表面，對鋼管表面進行磷化，隨著傳動線運行，在磷化后區(qū)間經(jīng)20 s以上時間后進入高壓清洗室和風干室。

將經(jīng)過二級反滲系統(tǒng)的純水加熱至一定溫度，以一定壓力對磷化噴淋后的鋼管進行清洗，清洗后鋼管表面p H為6～7。高壓水沖洗后采用高溫熱風機干燥鋼管表面，避免鋼管表面返銹。

磷化處理過程中產(chǎn)生的廢水，經(jīng)過“調節(jié)+中和除磷+A／OMBR+碳濾”磷化廢水處理工藝處理后，出水水質達到國家標準規(guī)定的排放要求。

2 磷化工藝在線涂敷試驗

3LPE涂層在線涂敷試驗分為兩個部分，對鋼管進行拋丸除銹，除銹等級為Sa2.5，記為空白試驗；對鋼管進行拋丸除銹、磷化處理，記為磷化試驗。

2.1 鋼管尺寸及涂層厚度

在線涂敷試驗用鋼管采用X65ERW管線鋼，尺寸為?273 mm×12.7 mm，長度為12.19 m，管號分別為1622（A）和11C11337（B）。3LPE防腐蝕層總厚度≥3.0 mm，其中，環(huán)氧粉末涂層厚度為250～400μm，膠粘劑層厚度≥150μm，聚乙烯層厚度≥2 600μm。A、B兩根鋼管焊縫處涂層最小厚度不能小于規(guī)定值的80％。

表1 3LPE涂層的性能檢測結果Tab.1 Testing results of 3LPE coating

2.2 原材料檢驗

涂敷試驗前，按相關標準要求對試驗用原材料進行質量和工藝性能試驗，結果見表1。

2.3 3LPE涂敷試驗檢測

（1）在線試驗檢測

涂敷試驗前，檢驗磨料的清潔度，磨料的電導率須小于1 000μS／cm。拋丸除銹時鋼管應預熱至40～70℃，且表面干燥。拋丸除銹后鋼管除銹等級達Sa2.5，表面粗糙度（Ra）為50～100μm，灰塵污染度≤2級，表面鹽分＜20 mg／m2，且鋼管表面溫度至少應高于露點溫度3℃。

涂敷試驗過程中，按照ISO 8501－07和ISO 8502－05等標準要求對鋼管除銹等級、灰塵污染度和表面鹽分等進行檢驗。涂敷完成后，防腐蝕管進入冷卻系統(tǒng)，確保防腐蝕管冷卻到60℃以下，按照相關標準要求對防腐蝕層進行漏點和剝離強度等項目進行檢測。檢驗結果見表2～4。

表2 磷化試驗現(xiàn)場鋼管表面鹽分檢測結果Tab.2 On-site salt contamination inspection test results for phosphating test（3LPE）mg／m2

表3 磷化前后鋼管表面處理效果對比Tab.3 Comparison of pipe surface treatment effects before and after phosphating

由表2～4可知，由于鋼管在場地存放時間長，其表面銹蝕嚴重，灰塵污染度和鹽分含量較高，經(jīng)拋丸除銹后鋼管表面鹽分質量濃度均大于20 mg／m2，難以滿足管道涂敷工藝技術要求，經(jīng)磷化和高壓水沖洗后，鋼管表面鹽分質量濃度降至12.0～14.4 mg／m2，小于15 mg／m2；除銹等級提高至Sa3，灰塵污染度達到1級，且對錨紋深度無顯著影響，表明磷化處理顯著提高了鋼管表面的處理質量。

3LPE涂層現(xiàn)場試驗結果顯示，（50±5）℃條件下，涂層剝離強度大于158N／cm，大于指標要求的150 N／cm；采用25 k V電壓檢漏，涂層無漏點，涂層整體性能達到了預期效果，滿足管道涂敷工藝和現(xiàn)場施工技術要求。

表4 3LPE涂層現(xiàn)場檢測結果Tab.4 On-site inspection results for 3LPE coating

（2）涂層性能檢測

鋼管涂敷完成后，按相關技術規(guī)范要求，由專業(yè)人員在試驗管上切取不同規(guī)格的試件，進行涂層的性能檢測，檢測項目包括陰極剝離、彎曲試驗以及熱特性等，檢驗結果見表5。由表5可見，空白和磷化處理后，涂層在－30℃時均具有良好的韌性；在－1.5 V，28 d，65℃條件下，涂層的陰極剝離半徑為5.80 mm，顯著小于空白條件下的8.24 mm。表明經(jīng)過磷化工藝處理后，涂層和基材表面的附著力顯著增加，涂層抗陰極剝離能力有所提高。

值得注意的是，在磷化噴淋后，如后續(xù)高壓水沖洗不到位，基材表面殘留的磷化液會嚴重影響涂層的附著力，即涂層陰極剝離效果會較差，達不到預期效果。因此，磷化工藝中高壓水沖洗的壓力應接近7 MPa，通過調整沖洗時間使鋼管表面p H接近中性，可忽略氫脆對普通鋼級管線鋼的影響，但對受力高強度鋼而言酸洗要注意氫脆的影響，此時應考慮在質量和成本之間進行平衡。

3LPE涂層性檢測結果顯示，與涂層附著力相關的性能指標抗陰極剝離和“X”型剝離等性能指標有一定程度的提高，這是由于磷化處理能夠清除鋼管表面殘存的污漬，形成了一層致密的且與金屬基材融為一體的磷化膜，另外3LPE涂層中聚乙烯層能夠防止水分侵蝕，對涂層起到了一定的防護作用。

3 結論

（1）酸洗能夠有效清除基材表面錨紋中殘留的銹蝕痕跡、可溶性無機鹽類、有機污染物及微小粉塵等，為涂料涂裝提供清潔的表面；磷化工藝能夠在鋼管表面生成一層多孔性磷化膜，通過“拋錨效應”和抑制基材表面微電池的形成，增強涂層的附著力和耐蝕性，顯著提高鋼管表面處理質量。

（2）磷化前后涂層性能檢測結果顯示，磷化后與3LPE涂層附著力相關的陰極剝離、彎曲試驗和“X”型剝離等性能均有顯著提高，這表明經(jīng)過磷化工藝處理后3LPE涂層整體附著效果良好。

表5 3LPE涂層性能檢測結果Tab.5 Inspection results for 3LPE coating performance

［1］ 唐春華.金屬表面磷化技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009：1-3.

［2］ 李汝江，韓秀林，王友生，等.鋼管3PE外防腐工藝的探討［J］.焊管，2008，31（6）：75-77.

［3］ 相政樂，王銘浩，賈振，等.國外管道防腐涂敷中的化學預處理工藝［J］.石油工程建設，2013，39（1）：6-8.

［4］ 徐學武.海底油氣管道內腐蝕分析與防護［J］.腐蝕與防護，2014，35（5）：500-504.

［5］ 孫挺，何翊，劉仰碩.JP級鋼管磷化的研究［J］.腐蝕與防護，2004，25（7）：301-303.

［6］ ALAN K J.Fusion-bonded epoxy a foundation for pipeline corrosion protection［M］.Houston：NACE Press，2003：285-286.

Application of Phosphating Process to Anti-corrosion Coating of Submarine Pipeline

LI Chang-chun1，XIANG Zheng-le，WANG Ming-hao，ZHAO Li，JIA Zhen，LüXi-jun
（CNOOC Energy Technology＆Services-Pipe Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

The principle，treating steps and parameter control of phosphating process are introduced.By applying 3LPE coating onto industry pipes for comparing tests，the effects of phosphating process on the performance of coating were studied.The results showed that the surface quality of the steel pipeline was improved，and coating adhesion property was enhanced after phosphating process.

phosphating process；submarine pipeline；performance of coating；anti-corrosion

TG174.4

：B

：1005-748X（2016）11-0925-04

10.11973／fsyfh-201611015

2015-06-29

李長春（1984－），工程師，研究生，從事海洋油氣管道防腐、保溫及配重工藝及技術研究工作，18522519062，lichch10＠cnooc.com.cn