摘要:分析探讨了管道3PE涂层阴极剥离的机理和产生条件,试验研究了不同温度、时间下极化电位等因索对3PE涂层等的阴极剥离性能的影响规律.结果表明,在一定的条件下,极化电位的变化对3PE涂层的阴极剥离性能影响不大。关键词:3PE涂层;阴极剥离;管道;阴极保护
为防止埋地钢质管道的腐蚀破坏，确保长输管道的使用寿命和安全运行,采用外防护涂层和阴极保护联合保护是目前主要的技术手段。外防护层的性能和质量是影响管道使用寿命的重要因素。近年来,在我国的大多数管道工程中普遍采用了先进的.三层结构聚乙烯(3PE)涂层技术,取得了很好的应用效果。3PE涂层克服了单一环氧涂层和聚乙烯防腐层的不足,具有优良的综合性能。其中阴极剥离性能是管道防腐层的重要性能之一,它的优劣直接关系到涂层与阴极保护的联合效果,技术标准中规定的涂层阴极剥离性能只是在某-特定条件下的要求。为了给管道运行管理提供系统的参考依据,我们分析了发生阴极剥离的条件,并试验研究了极化电位等因素对3PE涂层以及聚乙烯热收缩带和聚.乙烯胶粘带阴极剥离性能的影响。
1、阴极剥离产生的条件
如果防腐蚀涂层连续致密完整时,金属与腐蚀介质完全隔离,也就没有腐蚀现象发生。但是管道在运输、安装及运行过程中难免因防腐层损伤而产生漏点,对管道施加阴极保护的目的就是当防腐层存在漏点时，避免管道发生腐蚀。管道漏电处的金属暴露于电解质中,形成腐蚀电池,腐蚀反应的三个基本过程包括:
①阳极反应:金属为阳极,以离子形式进人溶液。
②阴极反应:介质中的氧化性物质(氧或氢)得:到电子而被还原发生阴极反应。
③电子迁移:使阳极反应和阴极反应相互联系,腐蚀反应不断发生而连续进行。
在上述金属腐蚀反应过程中,腐蚀电流从阴极流向阳极,阳极失去电子被腐蚀。阴极保护系统则提供了一个可失去电子的远阳极,通过外加电流或牺牲阳极的腐蚀电流将电子源源不断地供给被保护金属,使之阴极极化达到其腐蚀平衡电位以下。结果,在电解质中得到外援电子的金属不被腐蚀。
如上所述,在阴极电流作用下,氧被还原产生OHT;或H2O离解产生的H+,H+在阴极得到电子,形成初生态氢,这两个阴极反应都使阴极区域形成过剩的OH-,造成碱性环境。阴极区pH值升高,大量的OH迁移至金属/防腐层交界面,使与防腐层粘结的基体金属氧化物层溶解，或侵蚀界面的聚合物,或降低聚合物与金属的粘结力,从而使防腐层产生剥离一阴极剥离。
因此,采用防腐层和阴极保护对管道等金属结构进行联合保护时,防腐层产生阴极剥离的条件是:
①防腐层破损:当防腐层完整性很好,没有缺陷时,防腐层有很好的抗渗透性并且与被保护的金.属表面粘结很好,单靠渗透,介质不能通过防腐层到达金属表面,阴极保护不起作用,更不会引起阴极剥离。因此,防腐层破损是阴极剥离产生的内因。
②阴极反应产生过剩的OH-:阴极剥离机理说明,阴极反应产生过剩OH-,是阴极剥离产生的主要外部因素。阴极反应需要水、氧等的参与,因此,阴极剥离产生的基本条件应是在阴极保护的条件下,钢管表面有水等腐蚀介质存在。
可见,对于3PE涂层,即使有个别剥离部位,如果剥离涂层无破损,由于3PE涂层具有优良的抗渗透性,氧、水等腐蚀介质单靠通过涂层的渗透很难达到金属表面,因此也不具备阴极剥离的条件。
2、试验方法
阴极剥离试验按照《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》SY/T0413-2002附录B规定的基本.方法进行,试验装置及原理见图1所示。试验在恒.温干燥箱中进行,辅助电极为213型铂电极,参比电极为饱和甘汞电极。通过改变几个主要实验参数来考察不同因素对3PE涂层阴极剥离性能的影响。
图1防护涂层阴极剥离试验示意图
试验采用的3PE涂层试件取自实际工程应用的涂层管,涂层为常温普通级。按照标准试验方法的要求加工成尺寸为150mmX150mm的阴极剥离试件。作为比较用的聚乙烯胶粘带试件和热收缩带试件是在实验室制备的,将钢管切割成150mmX150mm大小后,先将试件表面喷砂除锈达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T8923规定的Sa2%级,然后再按所用聚乙烯胶带或热收缩带的施工要求制作防腐层。聚乙烯热收缩带防腐层的平均厚度为2.44mm,平均剥离强度为70N/cm;聚乙烯胶带防腐层的平均厚度为1.39mm,平均剥离强度为50N/cm。
3、结果与讨论
3PE涂层的阴极剥离性能
为分析极化电位对3PE涂层阴极剥离性能的影响,分别进行了三种不同试验温度和时间的组合条件,包括65C、48h;65";常温,30d。试验结果见表1。图2示出了这三种试验条件下3PE涂层阴极剥离距离与极化电位的关系。实验介质为3.5%NaCl溶液。
表1极化电位对3PE阴极剥距离(mm)的影响
图23种试验条件下3PE涂层的阴极剥离性能与极化电位的关系
另外,采用一4V的极化电位在65°C条件下,进行了不同试验时间的3PE涂层阴极剥离试验,结果见图3。
图3在65C,-4V条件下3PE涂层阴极剥离距离与试验时间的关系
从表1和图2所示结果可以看出，在3种温度和时间组合条件下,在一1.5V到-4.0V的极化电位范围内,阴极剥离距离都保持在一个基本稳定的数值上,说明阴极极化电位对3PE防腐层的阴极剥离距离的影响不明显。然而，试验温度和试验时间却对阴极剥离距离有明显的影响,温度升高,阴极剥.离距离增大;时间延长，阴极剥离距离也增大。图3的试验结果进一步说明,在一定的温度和阴极极化电位条件下,阴极剥离距离随着试验时间的延长呈线性增大的趋势。
聚乙烯热收缩带的阴极剥离性能
聚乙烯热收缩带是3PE涂层的补口材料。由于所用热收缩带的热熔胶的软化点(环球)为93C,在65°C条件下试验时,已难以给出确定的结果(可能是由于在65C下热熔胶已经开始变软,影响到阴极剥离试验的有效性)。所以,将热收缩带的阴极剥离试验温度调整为38C,分别进行了不同阴极极化电位.下48h和7d的阴极剥离试验,结果见表2,图4。
表2极化电位对聚乙烯热收缩带阴极剥离距离(mm)的影响
图4不同条件下聚乙烯热收缩带的阴极剥离距离与极化电位的关系
从表2和图4可以看出,总体上,随着阴极极化电位的变化，热收缩带的阴极剥离距离没有明显变化,但是,当极化电位达到一4.0V时,剥离距离明显增大，说明热收缩带不能抵抗负于-3.5V的极化电位。另外还可以看出,试验时间延长，热收缩带的阴.极剥离距离明显增大,这和3PE涂层的阴极剥离特征相一致。但比较表1和表2的试验结果可见,热收缩带的阴极剥离随时间延长的发展速度似乎比3PE涂层更快;而且，在相同的阴极极化电位和试验时间下，虽然热收缩带的试验温度更低,但阴极剥离距离却高出许多,因此和3PE涂层相比,热收缩带的耐阴极剥离性能要差得多。
聚乙烯胶带的阴极剥离性能
和聚乙烯热收缩带--样,聚乙烯胶带胶层的软化点也比较低,因此试验采用38°C的温度条件。分.别进行了不同阴极极化电位下48h和7d的阴极剥离试验,结果见表3,图5。
表3极化电位对聚乙烯胶带阴极剥离距离(mm)的影响
图5不同条件下聚乙烯胶带的阴极剥离距离与极化电位的关系
从试验结果来看,聚乙烯胶带的阴极剥离距离随着极化电位的变化没有明显的对应关系,基本上在一定的水平.上,总体上可以认为,试验范围内的阴极极化电位大小对聚乙烯胶带的阴极剥离性能没有明显影响。此外,随着试验时间的延长,聚乙烯胶带的阴极剥离距离也增大;和前面的结果比较可见,聚乙烯胶带的阴极剥离性能要比3PE涂层差得多;和热收缩带相比,聚乙烯胶带48h的阴极剥离距离要大一些，但7天的结果又相当,说明聚乙烯胶带阴极剥离距离的发展比热收缩带要慢一-些,可能是因为3PE底.漆与钢材的附着力比热熔胶和丁基胶要好。
4、结论
(1)发生防腐层阴极剥离的主要条件是阴极保护的管道的防腐层破损产生漏点,水等介质渗入至钢管表面,在阴极电流的作用下发生阴极反应生成过剩的OH-
(2)总体.上看,试验范围内3PE涂层体系的阴极剥离性能基本上不受阴极极化电位的影响;但热收缩带的阴极剥离性能在负于-3.5V的电位下有一个明显的变化。
(3)聚乙烯胶带体系的阴极剥离距离随着试验时间的延长或温度的升高而明显增大;在一定的试验温度和极化电位条件下,3PE涂层的阴极剥离距离随时间的延长线性地增大。
(4)3PE涂层的耐阴极剥离性能比聚乙烯热收缩带和聚乙烯胶带要好得多。
