天然气管道三层PE防腐层失效原因及防护措施

摘 要：本文根据现场实际施工的经验，阐述了三层PE防腐层失效的五种情况，分别是：第三方对三层PE防腐层的破坏；植物根系对三层PE防腐层的破坏；微生物对三层PE防腐层的破坏；三层PE防腐层和管体相分离；焊缝区三层PE防腐层应力开裂等等，在此基础上提出了保障防腐层本质安全、延长其寿命的四项措施。通过分析我们发现：要想保障天然气管道的本质安全，降低因管道防腐失效而导致的事故率，就必须充分重视管道三层PE防腐层的施工。

关键词：失效模式；天然气管道；三层PE防腐层

当前，我国的天然气工程发展迅速，在建设的过程中需要大量的大壁厚、高压力及大管径的钢质管道，因此我们必须充分重视埋地钢质管道的防护和腐蚀问题。通常情况下，我们主要使用三层PE防腐层来防护那些长距离的天然气输送管道。例如，西气东输管线、兰—成—渝的成品油管线、涩—宁—兰的输气管线、靖—西的输气管线、库—都输气管线、陕—京输气管线、中缅天然气管道等许多城市的燃气管网都使用了三层PE的防腐层技术。然而，三层PE防腐层存在严重的失效问题，出现这一问题的原因主要有第三方的破坏、生产三层PE防腐层时存在的产品缺陷及施工质量等等。在文中笔者分析了三层PE防腐层失效的具体情况，并提出了几点建议。希望本文的观点能为相关研究提供参考。

1 常见的几种天然气管道的三层PE防腐层的失效模式

当前对于天然气管道三层PE防腐层处理可供参考的国内外3PE相关标准及技术规格书主要包括，SY／T0413—2O02埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准，SY／T 0413-2005钢质管道单层熔结环氧粉末外涂层技术规范，CSA Z245．21—2002钢管聚乙烯外涂层标准，CSA Z245.20～2O02钢管熔结环氧外涂层标准，ISO 21809．1—02石油天然气工业--用于管道输送系统的埋地和水下管道的外涂层第一部分，Q／SY GJX 0106-2007西气东输二线管道工程钢质管道三层结构聚乙烯防腐层技术规范（简称西二线）以及兰州一郑州一长沙管道工程（简称兰郑长）、川气东送管道工程（简称川气东送）和印度Reliance天然气管道工程（简称印度管道）的3PE技术规格书等。目前国内对于钢管表面涂装的要求（见表1），除行业标准外基本与国外相同，另外还增加了含盐量、灰尘度等指标要求。结合上述规范以及笔者自身的施工经验，总结了五种天然气管道的三层PE防腐层的失效模式，分别是第三方对三层PE防腐层的破坏；植物根系对三层PE防腐层的破坏；微生物对三层PE防腐层的破坏；三层PE防腐层和管体相分离；焊缝区三层PE防腐层应力开裂等等，具体情况见图l。

图1 三层PE防腐层失效模式

1.1 管体和三层PE防腐层出现剥离

通过总结多年来的现场施工经验，发现管体和三层PE防腐层间的剥离问题是埋地钢质天然气管道所存在的主要问题。主要存在三种类型的三层PE防腐层的剥离失效情况：一种是管体和三层PE防腐层出现剥离，管道腐蚀情况严重，管体表面没有环氧粉末，在三层PE底层不存在环氧粉末层；第二种是管体和环氧粉末层出现剥离，管体表面未出现腐蚀，表面光亮且不存在环氧粉末；第三种情况是管体和三层PE防腐层间的粘结力下降，有一层环氧粉末分布在管体表面。

之所以会出现管体和三层PE防腐层相互剥离的问题，主要是因为下述三个方面的原因：首先，由前处理引发的缺陷。在环氧粉末和钢管表面间由钢管表面污物形成了一层隔离物膜，使得没能在加热钢管界面和熔融环氧粉末间形成有效的粘接，造成了整体防腐层翘边的问题；其次，因加热条件所引起的翘边。由于钢管的加热温度未达到环氧粉末熔融所规定的温度标准，使得部分附着在钢管表面的环氧粉末，甚至是全部的环氧粉末都没能熔融，以致于化学键合与熔态浸润无法在钢管的基体表面完成。除此之外，在粉末颗粒度过大、不均及喷粉过厚的情况下钢管的加热温度即便是满足了规定，也会因为成型至冷却的时间间隔较短，造成粉末不能有效的熔融的问题；再次，因原料间的粘接造成的分层。层间的融合较差造成了分层，在材料的熔体强度过低且对焊道厚度的要求过高的情况下，需要降低聚乙烯的挤出温度，层间融合会因温度未达标而不能完全融合。由于大口径的钢管的蓄热量较大，在缠绕包覆之后很难冷却，因此只有在钢管线速度比较低的情况下才能完成加工，只有这样才能解决包覆层由于温度过高无法在短时里冷却下来的问题。为满足这一条件，在防腐层上后续传动轮会赶压出轮胎印，因此大口径钢管常会出现这一问题[1]。

有资料显示过去5年中全球三层聚烯烃结构涂层失效的研究发现，引起FBE层附着力降低的主要原因是涂层下呈圆形或半凹形的喷砂锚纹。同时，FBE涂层的典型涂装条件为角状喷砂锚纹，波峰与波谷的最小差值应为50 m。涂装质量检验中，国内外在检测项目和检测频次上有所不同。对于检测项目，国内外的主要差别在于，国外要求对冲击强度、压痕硬度进行抽样检测；在检测频次上，国外对锚纹深度、防腐层厚度、剥离强度和阴极剥离的检测频次要求比国内更严格，见表2。

1.2 焊缝区三层PE防腐层应力开裂

在三层PE防腐成型之后，直缝焊钢管或者是螺旋焊钢管的焊缝区常常会出现某一段甚至是全焊缝区的防腐层破裂的情况，三层PE防腐层也因此失效。导致失效的原因主要有两点，一是因为焊缝存在余高，在钢管上包敷由同高度、同宽度的膜口所挤出的熔态塑料时，和钢管区相比，焊缝区形成的防腐层比较薄，若焊缝余高比标准高，那么该厚薄比就会更加的严重。在塑料壁的厚薄程度不均的情况下，塑料层会出现环向本体强度较差的问题，薄弱环节因此也就出现应力开裂的问题，尤为严重的是在冷却成型的环节里，在薄区会积累因冷却收缩所出现的残余应力，也就是说，在焊缝区的防腐层本体里会集中出现残余应力。二是因为焊道的几何突变导致的焊缝余高，在加热条件相同时，钢基体的蓄热能力会受其厚度的影响，焊缝区和钢管区也就容易出现热容差，若在冷却条件下不能消除这些热容差，就会严重影响焊道区防腐层应力开裂。

在完成了原始微裂纹生成—表面裂纹生成—防腐层整体开裂的三个阶段之后，便形成了三层PE防腐层应力开裂。根据其力学破坏的性质来看，事实上焊缝区防腐层的本体强度未达到该区集中的冷却收缩残余应力的标准必然会导致三层PE防腐层应力开裂[2]。

1.3 微生物对三层PE防腐层的破坏

根据有关资料的统计结果，由微生物参与并引起的地下管线的腐蚀情况占总数的50％一80％[3]。微生物的类型主要有细菌、真菌、藻类，通常藻类与真菌不会直接腐蚀金属，但它们的沉积物与分泌物会腐蚀金属的表面。腐蚀天然气管道的细菌主要有铁细菌、硫酸盐还原菌及硫氧化菌等等。如果土壤里含有硫酸盐，那么硫酸盐还原菌在缺氧的情况中就会得以繁殖。氢与其它的某些还原物质在其代谢的过程里会把硫酸盐还原为硫化物。在文献[4]中详细的介绍了细菌腐蚀金属管道的过程。

一般情况下，在完成了焊接天然气管道的工作会，会使用热收缩来防腐补口，因为热收缩带防腐补口的失效，使得存在于土壤里的铁细菌、酸碱盐还原菌及硫氧化菌通过防腐层破损处到达管道本体和三层PE防腐层之间的区域，三层PE防腐层也就因此而失效，因此腐蚀了埋地的钢质天然气管道。

1.4 植物根系对三层PE防腐层的破坏

天然气管道会因深根植物根系往地下延伸而被挤压、缠绕，情况严重时还会穿透天然气管道的三层PF防腐层，天然气管道防腐层也会因此而失效。所以，应确保不在天然气管道经过的地方种植深根植物。此外，应重视人口稠密区与经济发达区的宣传工作，确保相关部门及沿线居民不在管道附近造林种树。

除此之外，天然气管道不仅会经过人类活动区，而且还会经过大片的田野、山林地区。通常，在这些地区中会存在自然生长的灌木、树木等等。若这类深根植物在管道或者是管道附近生长，加上因其地点偏僻所造成的漏巡，使得三层PE防腐层被严重破坏。

1.5 第三方对三层PE防腐层的破坏

这里所述的第三方破坏，指的是由那些非管道运营企业的员工实施的破坏管道的活动。根据相关统计，在1971年至1986年间的美国，因第三方因素所造成的管道事故占总事故数的40%左右[5]。因第三方破坏天然气管道防腐层所引起的管道腐蚀问题极为严重，这容易引发管道失效的问题。因此，管道公司必须高度重视第三方破坏的情况。

常见的天然气管道建设、运行期间所存在的第三方破坏主要有：通行车辆损坏管道、恶意破坏燃气管道、外单位的违章施工破坏、违章占压燃气管道及未与管道公司及时沟通所造成的意外破坏等等，这都会对天然气管道的三层PE防腐层产生破坏，也就会腐蚀天然气管道。

2 天然气管道三层PE防腐层防护措施

2.1 抓好天然气管道的入库验收工作，绝不能让那些存在缺陷的天然气管道进入施工现场。

2.2 重视施工人员的培训工作。要想提高施工人员与防腐技术人员的操作技能与理性认识，就必须重视他们的培训工作。只有不断的培训与提高，才能达到理性的三层PE防腐层的腐蚀控制效果。

2.3 在施工过程中应注意装卸三层PE防腐管道的方式与方法。必须谨慎操作装卸车，最好在装车时，每隔一管束就预放好一对尼龙吊带，有尼龙吊具的管束先用吊车吊起，以便腾出空间，随后再给那些没有吊具的管束上吊具。此外，管子装车不加支架与垫木或者使用软质胶皮做垫层，会容易划伤防腐层，所以应严格的遵守科学装卸方法，只有这样才能确保在拉运装卸过程中不划伤管道。

2.4 选择合适的补伤补口材料。在补伤补口的过程中，应严格根据施工技术措施里的有关规定来选择补口材料，以确保补伤补口质量，进而保障三层PE防腐层的施工质量。

3 结 语

避免天然气管道出现腐蚀的第一道屏障就是三层PE防腐层，天然气管道的本质安全会直接受其质量的影响，因此，不管是在建设天然气管道的阶段，还是在运行阶段都应重视三层PE防腐层的质量。为延长三层PE防腐层的寿命、确保其质量，笔者分析了常见的五种三层PE防腐层的失效模式，并制定了几点针对性较强的防护措施，希望能为我国天然气管道的建设与维护提供参考。

参考文献

[1] 尹国耀，雷胜利，3PE管道防腐在国内十年的实践[J].焊管，2007，30（1）：8-10.

[2] 张丰，赵君，刘玲莉，管道3PE防腐层技术标准对比分析[J].油气储运，2009，28（7）：48-51.

[3] 乔军平，全面分析管道三层PE防腐层缺陷（一）：翘边缺陷[J].全面腐蚀控制，2009，23（1）：38-40.

[4] 谢涛，李建忠，韩钟琴等，3PE防腐管管端涂层翘边缺陷分析[J].油气储运，2006，25（2）：60-61.

[5] 崔之健，史秀敏，李又绿，油气储运设施腐蚀与防护[M].北京：石油工业出版社，2010：101-102