管道防腐层阴极剥离试验方法的探究

梁才萌，张荣胜，吴山德

（番禺珠江钢管（连云港）有限公司，江苏 连云港 222006）

随着对石油天然气等能源需求的急剧增加，管道输送作为长距离油气输送的最佳方式，得到了飞速发展[1]。为了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[2]。但在多种因素作用下，防腐层会产生表面剥离失效，其中最主要形式为阴极剥离[1]。因此对防腐层的阴极剥离研究具有重大意义。本研究对国内外管道防腐涂层的阴极剥离性能试验方法进行探究分析。

1 阴极剥离试验的定义及其在失效过程的作用

在长输管道建设和服役过程中，钢管涂层可能会因为运输、安装和服役后的土壤应力而产生缺陷，并且缺陷处的涂层会与管体发生剥离，而阴极保护电压会加速这种剥离，这种现象称之为阴极剥离[3]。赵增元等[4]在对有机涂层阴极剥离作用的研究中指出，阴极剥离是涂层/金属体系防护性能失效的最主要形式，其进一步总结了阴极剥离在有机涂层失效过程中的作用：涂层同腐蚀性介质接触后，水、氧和腐蚀性离子依次通过涂层中的缺陷扩散到涂层/金属界面，导致涂层孔隙增大，金属表面发生阳极溶解反应和氧阴极还原反应；而阴极产物能显著破坏涂层和金属的结合导致涂层微观鼓泡和剥离，同时渗透的电解质溶液在金属表面的扩展加速了氧化还原反应的范围和强度，导致涂层剥离不断扩展，进而发展为宏观鼓泡和剥离。

表1 基于环氧粉末（FBE）和聚乙烯涂层（PE）防腐的阴极剥离试验方法

2 阴极剥离试验主要方法

根据Jiri Holub等[5]人的统计，目前在美国、德国、中国、加拿大和澳大利亚等国家使用的有关阴极剥离的试验方法共计约有22种。基于全球范围内管道涂层市场上的主流产品熔结环氧粉末（FBE）和聚乙烯涂层（PE）[6]， 表 1给出了其使用的主要的阴极剥离试验方法。根据试验方法的应用对象以及结合番禺珠江钢管（连云港）有限公司在日常生产中的实际应用情况，本研究只探究粘接电解槽法的阴极剥离试验方法。

2.1 试验装置

管道防腐涂层阴极剥离试验装置主要有4种，如图1所示。其中，产品标准采用的是1型装置，SY/T 0094[7]和ASTM G95[8]使用的是2型，AS 4352[9]使用的是3型和4型；前两种是电压控制法，后两种是电流控制法。1型和2型、3型和4型的显著区别都是阳极的不同，1型和3型为阳极与电解槽的电解液直接接触，2型和4型为阳极不与电解槽的电解液直接接触。AS 4352指出这两种阳极配置方式的不同点是，4型装置比3型装置会使人为缺陷处的溶液的碱性更高，从而更接近实际使用条件[2]。而Jiri Holub等人[5]通过分析表明，因为控制电流较小，使用3型和4型装置会得到更小的阴极剥离值；同时非接触式的阳极会减小涂层脱落（非阴极保护而造成的涂层剥离，会使阴极剥离试验失败）对阴极剥离试验的影响。对于这些试验装置中还需特别说明的是电解槽所用的圆筒尺寸以及人为缺陷的孔径并不一致。圆筒尺寸的不一致会造成电解液的体积要求差异，标准中通常规定电解液体积为不少于300 mL，如ISO 21809-1[10]更详细地明确要求电解液的高度为70 mm并做标识，方便试验过程蒸馏水的补充。人为缺陷孔径的要求是熔结环氧粉末涂层为Φ3.2 mm左右，聚乙烯涂层为Φ6.4 mm左右；另外，AS 4352特别要求人为缺陷使用平底钻头制作。

图1 管道防腐涂层阴极剥离的试验装置类型

2.2 试验过程及结果

阴极剥离试验的主要操作过程：制作人为缺陷—粘接试件—填充电解液—施加阴极保护—控制温度—停止试验—冷却试样—划线—撬剥—测量剥离值—计算试验结果。针对表1所列的标准，对其在试验过程中的相关要求进行对比分析。

（1）在试验过程中，电解液方面的规定。加拿大标准CAS Z245.20[11]或CAS Z245.21[12]中明确“添加到圆筒至少300 mL的电解液需先预加热到试验温度”和“对于规定试验条件的iii和iv（其为高温长期试验），溶液应在7天、14天和21天后进行更换”；AS 4352中规定“28天试验过程中应不超过3天的间隔记录回路电流（记录电流、检查电解液和去除人为缺陷处的沉淀物），或根据试验周期需要的适当时间间隔”。对于清除人为缺陷处的沉淀物或者更换电解液，都可以减小涂层剥落（非阴极保护而造成的涂层剥离，会使阴极剥离试验失败）对阴极剥离的影响。

（2）试验过程参数的记录情况，除要求监控电流、电压和温度外，AS 4352还规定了可以进一步监控电解液的pH值；ASTM G95和SY/T 0094明确规定了需记录电解液的pH值；而DIN 30670[13]在仪器设备要求上配置pH试纸，但试验过程中并未要求监控pH值，这应是标准编辑时的失误。

（3）在划线和撬剥的操作过程中，关于聚乙烯涂层，包括双层聚乙烯和三层聚乙烯，CAS Z245.21标准中分别进行了规定“对于系统A1和A2（双层聚乙烯），将刀尖插入人为缺陷边缘的涂层并撬剥聚乙烯层，使用尖嘴钳将涂层剥落大约25 mm，阴极剥离面积为没有胶粘剂的表面”和“对于系统B1和B2（三层聚乙烯），将刀尖插入人为缺陷边缘的底漆，撬剥底漆，阴极剥离面积即为没有底漆的表面面积”，这样细致的规定是相同适用涂层产品对象的标准GB/T 23257[14]所没有的。还有，在DIN 30670阴极剥离试验附录的备注中规定“先使用合适的工具去除聚乙烯层（不要影响到底漆），然后再撬剥底漆，评定阴极剥离”。

（4）在剥离值测量时，ASTM G95和SY/T 0094额外规定了试验后在试样的未浸没区域上钻一个对比孔，用来作为人为缺陷孔在试验后撬剥操作的比对，并以此来确定比对比孔更易挑起或剥离的防腐层面积定位剥离区域。另外，产品标准中除了DIN 30670是以划线区域中剥离值最大值作为试验结果外，其他产品标准均以平均值作为试验结果，并且GB/T 23257还规定了以2个平行试样的平均值作为试验结果。而对于试验标准，其对试验结果的处理更为详细，AS 4352规定要求测量出每个划线区域的剥离值，记录八个区域的最大值、最小值和平均值，还列出计算公式计算整个试样剥离面积；SY/T 0094和ASTM G95则通过求积仪等工具测量出整个试样的剥离面积，再通过公式计算当量圆直径。

3 应用与建议

番禺珠江钢管（连云港）有限公司针对表1中试验方法进行了差异比较。比如GB/T 23257中规定的试验方法，对双层或3层聚乙烯并没有具体的划线和撬剥操作规定（对于不单厚而且坚硬的聚乙烯涂层，仅靠美工刀是撬剥不动的），因此参考了DIN 30670和CAS Z245.21中的规定，对于双层聚乙烯划线后直接使用尖嘴钳进行剥离，但是3层聚乙烯则是先使用合适的工具将聚乙烯层去掉，接着对裸露的环氧粉末底层进行撬剥。

另一方面，在执行试验方法时，产品标准如GB/T 23257等以附录的形式规定试验方法，基于篇幅原因决定了其简单紧凑的特点，于实际操作中会产生理解偏差，也同时会忽略一些影响试验结果的细节。而独立的试验标准如AS 4352等则从试验装置、试验操作步骤、影响因素等都进行详细地描述，可以更为有效地监控或者重复试验，保证了试验结果的准确性。因此，目前进行产品标准的阴极剥离试验时，实际上也参考了独立的试验标准中试验过程的具体要求，如高温长时间试验，会在多长时间间隔进行各类参数的记录；在撬剥时为证明撬剥层是完全粘固的，会在试样的未浸泡区域制作一个对比孔进行撬剥力度对比等等。

综上所述，建议我国相关部门参考上述世界各国各地区常用的阴极剥离试验方法以及结合实际应用情况，专门针对管道熔结环氧粉末防腐层和聚乙烯或聚丙烯防腐层 （粘接电解槽方法）制定国家试验标准，以更为详细地规范试验装置、细化试验过程以及完善试验结果评定方法，为管道防腐提供更信赖的质量保证。同时，建议相关部门或研究机构，加强阴极剥离试验基础研究，探究影响阴极剥离试验的因素，研制专门的阴极剥离试验仪器设备，规范阴极剥离试验，使其具有更好的试验精密度，保证试验结果的准确性。

4 结 论

（1）相对于管道防腐涂层的产品标准规定的阴极剥离试验方法的简单紧凑，独立的试验标准在试验装置、试验过程和试验结果的要求上更为细致到位。

（2）对于双层聚乙烯涂层和3层聚乙烯涂层的撬剥操作，只有加拿大标准CSA Z245.21中规定了不同要求。同时，对于3层聚乙烯涂层，只有DIN 30670规定了使用适当的工具处理聚乙烯涂层，再撬剥环氧粉末底层以测量剥离长度。

（3）与其他产品标准对阴极剥离试验结果处理的要求相比，德国标准DIN 30670要求的是最大剥离长度而不是平均剥离长度，而独立的试验标准如SY/T 0094、ASTM G95或AS 4352都要求测量剥离面积。

（4）SY/T 0094、ASTM G95和 AS 4352中 B方法采用的是隔离式阳极，而其他的采用直接接触式阳极；同时AS 4352是其中唯一一个采用电流控制的阴极剥离试验方法。

（5）建议制定管道熔结环氧粉末防腐层和聚乙烯或聚丙烯防腐层（粘接电解槽方法）国家标准，规范试验装置和试验过程，以期得到阴极剥离试验的试验精密度，使阴极剥离的试验结果更有保证。

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[13]DIN 30670:2012,Polyethylene Coatings on Steel Pipes and Fittings-requirements and Testing[S].

[14]GB/T 23257—2009,埋地钢质管道聚乙烯防腐层[S].