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管道防腐厂风险管理
发布时间:2018-03-22 14:43

   气水管道的腐蚀控制是世界性的重大课题,腐蚀控制有助于维护管道的完整性和资产价值。随着人们对管道的物理和化学性能要求越来越高,有必要将防腐涂层和辅助阴极保护系统纳入风险管理的范畴,事实证明,这样做是合乎逻辑和顺理成章的。本文探讨在管道防腐厂和管道沿线的管道防腐层涂敷方法。通过列举的若干实例,分析了存在的问题,对防腐管道如何满足实际用途要求提出了若干建议。 

1. 引言 

假设你正在参加某个资产与风险管理会议,假如你是某跨国管道公司 主管经营操作的经理,或者你只是个分管某段管网的腐蚀工程师,也许你管辖管道的腐蚀问题正使你焦头烂额! 
你管辖的地下管道在投产运行后不久,管道的完整性正在受到严重的威胁,而管道还远没有达到其设计使用寿命。 
现代三层聚烯烃(3LPO)防腐层正在失效;阴极保护(CP)电流需要量的波动表明可能存在阴极保护屏蔽问题;可能存在腐蚀增长和加剧的风险,可能还会发生应力腐蚀开裂(SCC);管道寿命期的监测、检查、维修以及可能进行的返修工作成本将超出预算,而且还在急剧增加中! 那么,问题错在哪里?为什么会发生这样的问题呢?如何才能够防止这些问题的发生呢? 通过对腐蚀状况的全面调查和风险评价后,我们把注意力集中在对管道完整性构成威胁的主要因素 – 失效的管道防腐层系统。 对可能出错的原因以及为什么出错的解答涉及的范围很宽,原因可能很简单,也可能非常复杂。尽管有些问题造成的困难很小也很容易解决,但是,许多问题往往造成重大的风险和费用后果。这些问题可以是单独存在的,也可能是合并发生的,可以归纳如下: 

 建造管道的各方 – 如用户、承包商(工厂涂敷、现场补口、检验、 施工等)以及项目工程设计部门之间缺乏有效的沟通或者联络。对于工厂涂敷和现场补口没有适宜的或者针对特定项目制定的防腐层技术规范。 

 没有合适的质量计划以及检验测试计划(ITP)。 

施工和管道用地(ROW)问题 – 延迟、储存、大气条件和损伤等。防腐层系统问题 – 防腐材料的选择、测试、质量评定和审批,使用中不同材料之间的相互影响以及它们的正确涂敷。 

 管道防腐厂和现场补

作业缺乏合适的在役设备。

 钢管表面预处理(SP)不当或者不充分。 

 钢管表面预处理(SP)的质量控制、操作或者管理不到位,表面预处理用的磨料和工艺技术不合适。 

 缺乏良好的质量计划,缺乏完善的检验和审批程序,试验方法不正确或者不合适,开始涂敷前没有按照程序进行必要的质量评定。缺乏对钢管特性的全面了解,包括钢管硬度、表面质量、现状和钢管的制造、运输和储存状况(来源)。 

 缺乏完整的系统设计,对技术规范缺乏正确的解读 – 技术含量不足,不了解所有钢管表面预处理(SP)与涂敷工艺之间的相互关系的影响,也缺乏灵活解读的能力应对变化的条件。 

 过分自信,过分依赖以往的经验。 
 缺乏利用或者不能主动获得专家的指导和技术支持。 在上述所列情况下,结合下列若干实例,通过追述整个涂敷项目的操作程序和所有关键的工艺步骤,把焦点集中在如何加强管理和解决这些问题上,从而消除它们的风险影响。本文将集中探讨防腐层系统,特别是钢管表面的预处理,说明如何才能正确地、始终如一地、顺利地达到预期的质量、性能和耐用性。 
本文还讨论了这些问题可能造成的成本费用 – 包括解决这些问题的直接成本和它们对管道寿命影响的间接成本。 
对于涂敷承包商而言,与因为质量事故发生的罚款、增加的检验费用、报废和延迟生产问题相比,改进防腐层质量的成本效益、生产效率和产品的稳定性(包括附加的直接成本)是不言而喻的。 

对于管道业主而言,能够始终如一达到改进的防腐层系统的质量、性能和耐用性将极大降低腐蚀管理成本,减少管道寿命期潜在的问题。

 2. 实例研究 

实际防腐层事故是很多很多的!本文从作者经历过的许多管道防腐层事故中,选择三个最有代表性的发生最频繁的事故实例。

 2.1 实例一:南美 

管径:762 mm,从日本和巴西采购,所有钢管有临时防锈漆 裸钢管储存:在海洋环境中储存了15个月 防腐层系统:涂敷单层熔结环氧粉末 防腐层技术规范:不合适,按防腐厂规范 表面预处理:完全不合适 埋地年数:新的陆上项目 运行操作:新项目 
阴极保护系统:新项目 
裸钢管储存地区白天温度非常高,午后降水量很大。此外,无论是大气中还是地上,氯化物含量均很高。 已经证明,在钢管制管厂涂刷的临时防锈漆是问题的主要来源。这种虫胶型防锈漆又薄又脆,容易从钢管上脱落。但是,它仍然覆盖了大约30%的表面。这样在15个月的储存期间,造成钢管不同部位腐蚀速度的差异,也造成钢管防腐厂里磨料喷砂清理的困难。 
钢管上的沥青涂料软化和流淌,在钢管上形成突起的部位。在这样的突起部位附近,腐蚀程度更为严重。 
已经发现,喷砂清理不能有效地清除钢管上的沥青涂料。因为沥青质地很软,喷出的磨料无法去除它们。而且,磨料会很快被盐分和沥青严重污染。 紧靠第一台磨料喷砂清理装置前,曾经建造一台速冻装置,尝试使沥青冷冻变硬,但没有什么效果。也曾重新试用旋转式钢丝刷,但问题甚至变得更糟。 所有钢管表面覆盖了大量可溶解的盐分,并且在钢管进入第一台磨料喷砂清理装置前,没有彻底清除掉这些盐分。 

在15个月的储存期间,堆放的底层钢管直接搁在地上,而该地区处于大海与港料完全不合适。 

2.2 实例二:非洲 

管径:1219 mm,从四家欧洲的钢管厂采购 裸管储存:放在船上,在海边 
防腐层系统:三层聚乙烯(3LPE) 防腐层技术规范:不合适 表面预处理:非常差 埋地年数:三年 
操作:除压缩机站附近外,其他为环境地下温度 阴极保护系统:运行并监测,但控制不正确 
所有钢管是从欧洲海运到非洲的,有些直接放置在甲板上运输。有些 裸管涂敷前在海边储存了12个月。 
采用的防腐层技术规范是不合适的。表面预处理标准也是不合适的。没有规定或者采用磷酸处理或者铬酸盐预处理。 没有按程序进行过任何质量评定试验。采用的防腐层技术规范是三层低密度聚乙烯系统,即包括50 – 75 微米熔结环氧粉末、150微米聚乙烯共聚粘结剂、2.3 mm低密度聚乙烯层总厚度。聚乙烯原料来源不明。对于大型1219 mm直径厚壁钢管,这样的防腐层技术规范完全不合适。 仅仅埋地运行三年后,就发现防腐层与钢管底材的附着力明显降低了。低密度聚乙烯太软,很容易被割透。可以很容易地从钢管底材将整个三层低密度聚乙烯防腐层系统剥离下来。在钢管表面甚至没有留下剩余的熔结环氧粉末漆膜。 
在防腐层下面明显有肉眼可见的腐蚀产物。用30倍放大镜检查钢管底材和防腐层的背面,发现下列状况: 

圆滑的不成角度的粗糙度锚纹 

散开的而不是致密的粗糙度锚纹 

 有磨料颗粒存在

 有粉尘和粒屑

 有结晶盐 

  由于没有实地见证钢管在防腐厂的涂敷状况,只能参阅管道防腐厂的 生产记录。尽管在许多版本的质量计划中包括了相关的要求,但是,这些记录确认,并没有进行过磷酸处理,也没有进行过铬酸盐预处理。 
  虽然按要求范围记录了磨料喷砂清理的粗糙度锚纹状况,但是,并没有记录下粗糙度锚纹的圆滑度、角度以及密度。 众所周知,低密度聚乙烯的水蒸汽渗透率比中密度和高密度聚乙烯的水蒸汽渗透率明显高得多。劣质的表面预处理质量加上低密度聚乙烯很高的水蒸汽渗透率,两者的共同作用是造成此防腐层系统失效的主要原因。有可能涂敷熔结环氧粉末时温度太低,使熔融的环氧粉末无法在钢管表面充分地流淌和润湿。 类似防腐钢管曾经用防水油布覆盖后堆放在地上,涂敷三年后,防腐层与钢管底材之间依然保持良好的附着力。 
  露天存放在地上的钢管,三层聚乙烯防腐层与钢管管体依然保持良好的附着力,但是,在管端焊接预留段附近的防腐层缺乏附着力。 
现场补口采用厚浆型热缩套。检查结果表明,在土壤“抓紧”热缩套的地方,所有热缩套都发生了褶皱,使厚浆涂料发生皱缩。厚浆型热缩套完全不适合这样管径的钢管和埋地条件。 用热缩型补丁进行了修补。许多地表以下的补丁失去了与钢管及防腐层的附着力,观察到地上那些补丁正在失去附着力。 
在所检查的一个部位,防腐层明显发生了阴极剥离,在此,管子安置在巨大的很尖的石头上,石头穿透了整个防腐层系统。 

2.3 实例三:斯堪的纳维亚 管径:750 mm 
裸管储存:在海边,时间很短 
防腐层系统:三层聚丙烯(3LPP) 防腐层技术规范:国家技术规范及补遗 表面预处理:合理良好 
埋地年数:新的陆上和海上项目 操作:新项目 
阴极保护系统:新项目 
钢管非常成功地涂敷了三层聚丙烯(3LPP)系统,然后运送到斯堪的纳维亚储存了比较短的几个月时间。储存期间,注意到有些钢管上的防腐层的端部与钢管底材的附着力有些问题。缺乏表面预处理以及加热技术太差是导致热缩型补丁失效的原因。 
在管子切割和焊接过程中,显然焊接过程的残余热量使整个三层防腐层从底材上剥离“翘起”。 
在进行感应加热补口作业时,发现整个防腐层系统失去了与底材的附着力。曾经尝试稀释来获得完全粘结的防腐层,但是通常是不成功的。 在现场、实验室以及管道防腐厂进行了调查,证实涂敷第一层熔结环氧粉末时温度太低,熔融的环氧粉末没有在底材表面充分流淌和润湿。在实验室里用200倍的放大镜检查时,发现在喷砂清理过的底材表面与防腐层系统的熔结环氧粉末底漆之间有微小的空隙,并且,底材表面不太干净。 3. 项目管理 
进行管子涂敷前或者实施铺管合同前,需要做大量的工作,确保方方 面面都能够满足项目的要求。假如存在矛盾冲突、不相容、不适合,或者项目文件程序方面的信息不完整,那么就无法达到所要求的结果。 3.1有效的沟通与联络 
通过项目协调机构(最终用户)使所有各方互相保持联络是非常重要的。现代管道腐蚀控制失效的主要原因之一,就是有关各方之间从项目早期开始就缺乏联络。 防腐层和阴极保护系统是管道项目不可分割的一部分,并且也应当这认为防腐层的内应力也是造成附着力问题的原因之一样来对待。

 3.2 施工和管道用地(ROW)问题 
现代三层聚烯烃(3LPO)和熔结环氧粉末(FBE)设计成提供埋地管道和海底管道无可比拟的性能和耐用性。但是,它们并不是最适合大气和地上的环境条件的,特别是管端部分。在现场焊接补口之前,每根管子两端的焊接预留段使防腐层的边缘暴露在外,实际上,在管道用地沿线或者在防腐管道堆放场,管端防腐层出现大量的漏涂点或损伤。经过一段时间后,这就会构成大量潜在的问题。 引起防腐层问题的现场条件包括:巨大的日夜温差变化,干湿条件的变化,阳光直接曝晒使防腐层表面温度升高,天气的影响(如沙尘暴),防腐管道的装卸和储存等。加上现场接口焊接和补口作业(预热)的影响,管端焊接预留段的防腐层边缘的完整性成为严重的问题,所以,管道用地沿线和防腐管道堆放场仿佛成为一个巨大的试验场,用于检验防腐层的附着力(干湿条件下)、水分渗透性和防腐层的柔韧性。 
随着时间的推移,熔结环氧粉末(FBE)吸收水分的影响、干燥和再润湿循环的影响、聚乙烯或聚丙烯层的热胀冷缩,以及阳光直接曝晒的影响等,最终很可能导致管端焊接预留段的防腐层边缘剥离“翘起”。现代高密度防腐层系统存在非常高的环向应力,会使剥离情况变得更糟。施工可能延迟几个月,或者使防腐管道在地上存放很长时间,这些影响会加快这个剥离过程,而涂敷几个星期内就可以看到这样的情况。在防腐层涂敷质量太差或者钢管表面预处理不当的情况下,涂敷几天后,甚至防腐管道还没有离开管道防腐厂的库房,就可以看到这样的管端防腐层边缘剥离问题。 过去几年里,许多国家遇到管端焊接预留段的防腐层边缘剥离翘起问题,案例越来越多,有些是没有预料到的。许多事例中,问题集中在防腐层的涂敷问题和表面预处理不当,但是未必都是这样的原因。有些事例中,这个问题是令人恼火的,因为这些问题可以加强管理作为现场补口作业的一部分进行修补的。还有些事例中,这样的严重问题是无法预见的,需要用很大力气进行调查研究,延迟项目的进程,采取专门的修补措施等。 这是一件非常重要的并且需要相当长的时间才能解决的问题,因为它影响人们的信心,无论在技术规范、合同职责和联络、修补要求和方法(以及由谁实施)中,还是其如何实施都是无法确切说明的。要预测可能产生的所有影响是不现实的也是不可行的,但是,人们可以了解这些影响,并且有能力针对潜在的问题采取有效行动,这需要在有关文件中强调这些问题的影响。 
在管道防腐厂和现场补口技术规范中,对管端表面预处理应有更全面的考虑,看来有必要对管端焊接预留段采取(临时)保护措施,这也方便防腐厂和现场补口承包商的管理。要防止这些地上环境条件对管端焊接预留段防腐层边缘的影响,
熔结环氧粉末(FBE)底漆膜厚是必要的最低要求。根据技术规范的要求,现在已经规定第一层熔结环氧粉末(FBE)底漆厚度为125 – 200微米,有时高达450微米。 4. 防腐层系统 
应当按照每个管道项目的具体要求,选择各自的防腐层系统。一旦已 经选定一种防腐层系统,在任何管道工程项目开始前,就必须根据该项目特定的技术规范要求,按照程序对该防腐层系统的各种组分、对整个防腐层系统,以及涂敷企业(及其防腐作业生产线)进行质量评定。 4.1 涂敷设备与材料 
必须总是采取有效方法对管道防腐厂与现场涂敷设备进行维护保养, 确保最终生产出符合要求的防腐产品。 
在任何防腐层合同的全过程中,必须始终对照预质量评定(PQT)评审数据进行控制,除非与最终用户另有其他约定。

 4.2 检验和试验程序 
为了达到要求的工作质量,应当由称职的训练有素的人员进行所有检 验和试验工作。所用检验仪器应当定期校验,并保存校验记录。所有检验和试验结果应当认真地记录在册。 4.3 管理、试验和控制 
由于涂敷技术是不断发展的,用于测量涂敷能力和防腐层性能的试验 方法、持续时间和实用性也要与时俱进。在某些事例中,原先适用于以前的涂敷技术的试验方法以及判别合格与不合格的防腐层的标准也许无法用于对新型防腐层系统的在役性能得出有代表性的试验结果。对于那些与埋地防腐管道的真实情况关系不太紧密的试验方法,尤其如此。 
三层聚烯烃(3LPO)防腐层的剥离试验可以有效评价三层防腐层各层之间的关系,它们的正确涂敷和它们是如何结合在一起发挥作用的,以及防腐层系统整体的附着性能 – 假如一切是正确实施和解释的。熔结环氧粉末(FBE)底漆层的失效可能是因为表面预处理不合格,但是,也可能是因为涂敷过程中的其他问题,例如涂敷温度偏低,使熔融的环氧粉末无法充分地流淌、润湿、固化和附着。 也需要审查试验的持续时间,包括测试防腐层长期性能和能力(定期的长期试验和质量评定)以及生产过程中的质量保证程序(连续的短期试验),以评价或者比较能力更强的防腐层系统。 
在腐蚀试验中,需要更多地评价在热高温潮湿操作条件下防腐管道的性能要求,可能需要重新建立模型,来研究防腐层抗阴极剥离和耐热水浸泡试验的重要性、正确的试验方法、持续时间并做出解释。 对于单层熔结环氧粉末(FBE),人们已经很好掌握并全面接受了这些试验的重要性和实用性,因为它们直接涉及熔结环氧粉末(FBE)的能力、它的正确涂敷以及表面预处理之间的关系。但是,即便如此,方法和解释都是至关重要的。应当用直径不小于6 mm的人造漏涂点进行阴极剥离试验,这样有助于正确进行目测评价,并且能够保证试验不会受到可能发生的电化学屏蔽效应或者含钙沉积物的影响,特别是试验持续时间较短的时候。假如试验温度高于50℃,并且,试验持续时间超过72小时,还必须正确设计和建立试验槽或者试验方法。作为最起码的条件,需要将阳极电解液区与阴极电解液区实际上分离开(但是依然保持电联通),这样,它们的电化学反应产物的混合作用对试验就不会有什么影响。 热水浸泡试验及其解释也可以更多地用于评价水分吸收和水分渗透通过熔结环氧粉末(FBE)漆膜的影响,以及其对附着力的影响 – 说明其正确涂敷的重要性。对起泡现象或者附着力减退情况的目测评价,以及允许冷却后进行的全面破坏性附着力试验(用良好建立的方法和评级系统),将有力说明熔结环氧粉末(FBE)漆膜附着力性能的耐用性,说明其是否正确的涂敷和有效的表面喷砂清理。此外,对任何已经剥离的防腐层的背面进行简单的目测评价,可以知道钢管表面是否有任何残余杂质污染,以及熔融的环氧粉末是否充分润湿了粗糙度锚纹,由此说明是否存在潜在的表面预处理问题、熔结环氧粉末(FBE)涂敷和固化问题。理想条件下,可以用手持30倍放大镜进行这样的目测检查。 
但是,对于三层聚烯烃(3LPO)防腐层,这两项试验的实施和解释困难得多,主要原因是防腐层的厚度以及防腐层系统的复杂性。在进行阴极剥离试验时,电流方法也是错的。假如在完整的防腐层系统上进行阴极剥离试验,按照电化学法则,漏涂点的直径必须至少为防腐层厚度的三倍,才能保证没有任何电屏蔽,并且导出电流也不减少。而三层聚烯烃(3LPO)防腐层的总厚度超过3 mm(大型厚壁钢管的防腐层更厚),这样按理需要直径至少10 mm的漏涂点。 
对于这样的厚膜防腐层,即使采用直径等于或小于6 mm的漏涂点来启动24小时的热水阴极剥离试验的剥离过程也是徒劳的,这样的试验结果是很难观察和测量的。甚至在48小时的试验中,其无可避免的缓慢进程使人们难以区分结果的好坏。 
对于三层聚烯烃(3LPO)防腐层,热水浸泡试验是评价防腐层系统与底材附着力的重要方法。在新的有关三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统的ISO标准草稿中已经包括了这项试验。 这两项试验中,现在也认为有效的热水浸泡试验基本上是更重要的试验,因为它可以评价防腐层系统关键的附着力性能,包括初始状态和长期性能。 5. 表面预处理(SP) 老话说得好:“有了良好的表面预处理,才有良好的防腐层”。目前最 新的高性能防腐层系统可能现在需要对这样的叙述做些修改,“人们期待防腐层有更强的能力,达到更高的防腐层质量和性能,因此,需要更好的表面预处理质量。” 情况确实如此,人们过多依赖并期待防腐层系统的能力,却忽略了底材表面预处理的不足,人们将为此付出巨大的不必要的代价。 随着防腐层技术的改进,最新的防腐层系统也许对略差的表面预处理质量有更大的容忍度。有人甚至辩解,认为容忍度更大的防腐层系统能够抵消防腐层与表面预处理中的某些不足。但是,在实际防腐层合同实施中,承包商的管道防腐厂和表面预处理设备可能并不能满足防腐层系统的涂敷要求。而且,工程的多变性、不一致性、或者传统表面预处理工艺的低效率,这些会很快破坏防腐层系统原有的容忍度,使做成的管道防腐层系统缺乏应有的可靠性。 
一点也不奇怪,在这样的情况下,无论是用户还是涂敷企业,对防腐层系统的质量和性能的信心都会发生动摇。实际上,正如我们已经看到的,正在使用的最新的高性能防腐层系统,表面预处理要求更高更严格,才能达到预期的防腐层质量、性能和耐用性。 
对于管道防腐层技术规范的编制方和施工承包商,有很多种表面预处理的工艺技术可以选用,达到所要求的表面粗糙度,并且,根据许多不同的实际状况和专家意见,甚至可以达到更高的要求。 
要使表面预处理以及相应的技术规范能够包含所有的可能性,显然过于复杂,生产成本也太高了。所以,通过良好的工作实践,就能够确保达到预期的最好质量和性能。但是,由于操作和技术规范的限制,往往看到的风险是多变的质量和性能问题,因为表面预处理不当问题只会造成更多财力投入以及项目延迟、产品拒收、程序变更,并且需要重新审批等。 从项目一开始就投资采取最好的实际可行的做法,承包商才能够从高效益的顺利实施的合同中迅速收回投资。 
附录一归纳了熔结环氧粉末(FBE)和三层聚烯烃(3LPO)防腐层涂敷前最好的表面预处理方法的要点。在有些国际管道防腐层市场,现在已经将这些作为标准程序来采纳,并且认为是可操作的,而不是作为特别要求或者技术规范的要求。现在正在考虑将这些要求纳入地方的或国家的标准,或者作为用户的技术规范,它们的应用正在等待审批之中。

 5.1 表面质量和一致性 
特别对于熔结环氧粉末(FBE)(无论是250+微米膜厚的单层涂层,还是作为三层聚乙烯3LPE或三层聚丙烯3LPP防腐层的第一层50 – 200微米膜厚的底漆),其附着的表面的适应性、条件和一致性是非常关键的,也是达到它们预期性能的基础。 
正确涂敷时,熔融的环氧粉末会充分润湿和附着在有正确锚纹高度和密度的清洁的、不含污染杂质和(肉眼可见)氧化皮的钢管表面。但是,采用这样的工艺技术,在程序中以及在钢材本身,存在操作的相对不灵活性和多变性,所以,要保证每根钢管上的防腐层质量和性能是不可能的。 甚至采用最好的磨料喷砂清理做法和化学清洗(酸洗),这样的钢管表面非常脆弱、不稳定,更重要的是,非常易变,转变为性能的不一致性,使熔结环氧粉末(FBE)底漆预期的性能、质量和耐用性减退了。 如果使钢管表面更坚固,能够容忍防腐层和表面预处理更大的可变性,使氧化物层有利促进熔结环氧粉末(FBE)底漆更好地附着,那么,有望每根钢管上都达到这些预期的质量和性能。 
多年来,采用专门的铬酸盐处理工艺已经达到了这些预期的质量和性能,它使不稳定的不一致的钢管表面转化成惰性的络合Cr/Si/Fe氧化物层,现在已经在世界上许多地方被采用。 在很长时间里,人们发现这样的铬酸盐处理是显著改善防腐层抗阴极剥离性能和耐热水浸泡性能的主要原因,特别是对于早期的熔结环氧粉末(FBE)技术。甚至这样的认识掩盖了这种表面预处理技术的真正好处,以及其提供真正可重现的防腐层一致性和始终如一的性能的能力 – 人们期待防腐层能够提供这样的性能。但是,即使表面预处理达到最好的结果,劣质涂料或涂料固有的低劣性能也是无法改进防腐层的性能的,特别是如果涂料的基本附着力、柔韧性或者防腐性能很差的话,特别是涂料对高温潮湿条件非常敏感的时候。 
最新开发的熔结环氧粉末(FBE)具有非常好的内在性能,假如能够始终保持并不断改进,那么,用最好的表面预处理做法得到的防腐层性能将更好。因此,投资开发高性能高质量的防腐层技术的同时,也应投资改进表面预处理技术和涂敷工艺,才能获得预期的质量、性能和耐用性 – 保持始终如一和与实际项目的适用性。从深入的比较性研究可以看到这样投资的好处,证明这些好处将转化成改进的防腐层长期附着性能,降低了腐蚀管理成本,以及埋地使用多年后,防腐层依然保持良好的耐用性。

 5.2 清除任何污染杂质 
虽然经过努力,表面预处理可以达到理想的表面粗糙度,有一定角度 的致密的锚纹,但是,存在的那么一点点杂质污染,往往严重损害防腐层系统的耐用性,使防腐层无法有效地附着在底材上。危害最大的污染杂质是盐分,如氯化物和磷酸盐等,它们以可溶解的形态(如解离的Cl-离子)和粘结的形态(如铁酸盐FeCl3)存在。假如这些盐分仅仅以可溶解的形态存在,那么它们无法渗透穿过钢管表面上的有机氧化皮/铁鳞层,所以,可以在磨料喷砂清理前,简单地冲洗掉。然而,大多数这些盐分污染是在磨料喷砂清理除掉铁锈和铁鳞后才发现的。往往发现喷砂清理后,实测的氯化物污染程度比喷砂清理前增加了。 现在几乎普遍接受的看法是,如果喷砂清理后,表面可测出的氯化物污染杂质量超过2微克/平方厘米(20 mg/m2),很容易引起防腐层的附着力问题,特别在潮湿条件下试验时(热水浸泡试验)。现在,越来越多的防腐层技术规范要求进行这样的测量,要求表面预处理后最终的氯化物污染杂质量不得超过这个值。事实上,这个氯化物污染杂质量值十分高,甚至存在潜在的风险。所以,新近提出的一些技术规范已经要求氯化物污染杂质量达到1微克/平方厘米或者更小值。 不管选择什么方法测量这个污染杂质的量(如ISO 8502标准第5部分至第12部分),提出的验收标准必须得到有关各方的认可,并且(通过经过培训人员)能够提供可重现的和有意义的结果。在可能的地方,应当遵照规定标准和批准的方法,按要求的频率,对所用的任何设备及其使用方法进行校验。由于这是当前非常关注的问题,所以,在有关标准委员会上要进一步强调这个问题。 因此,涂敷承包商不仅需要有能力测量喷砂清理后钢管表面可测出的氯化物污染杂质量,而且应当有措施减少以至消除存在的氯化物污染杂质。由于在任何涂敷合同中,这样的杂质污染问题总是有很大差别的,并且取决于许多不同的因素,如钢管材料、储存和环境条件、甚至还有主导气候条件,要预测喷砂清理后钢管表面的氯化物污染量是不可能的。这意味着,一旦确定了氯化物污染量,就必须进行监测,制定清除或者控制的方法,并且始终认真贯彻实施。假如没有相应的设备,喷砂清理后钢管表面的氯化物污染量超过最大限度,这样的钢管会被拒收,使工作重新回到钢管表面预处理的开始步骤,由此将付出更大的代价,也大大降低了劳动生产率。
今天,化学清洗即酸洗是获得工业界批准的唯一真正有效的清除这类污染杂质的方法,要采用专门配方的酸(通常是磷酸)清洗工艺。这些工艺包含特殊的添加剂,可以快速和强力润湿和渗透(进入锚纹),它们与钢管表面的反应是可控制的。清洗过程和后漂洗操作可能需要使用脱离子器(DI)或者反渗透膜(RO)处理器产生的纯水。 
正确应用经过验证的工艺操作,酸洗可以去除所有可测出的有害的氯化物污染杂质,包括可溶解的形态和危害更大的粘结形态的氯化物。它还可以彻底清洁锚纹表面的灰尘(喷砂清理和车间环境产生的灰尘),清除粘附的或磁性颗粒,并可以清除那些喷砂清理没有除尽的所有痕量存在的残余有机物和无机物。 最近,有些国家报告采用了当地购得的商品级磷酸溶液。由于缺乏对酸洗过程的有效控制,以及劣质材料的严重污染问题,清洗后氯化物污染杂质量反而增加了就一点也不奇怪了。 因此,有人已经提出建议,在良好喷砂清理的锚纹表面,一定只能用脱离子器(DI)或者反渗透膜(RO)处理器产生的纯水除去氯化物。这样可以除去钢管表面部分可溶解的盐分,但这样也可能使盐分扩散到更大范围。危害更大也更难去除的粘结型盐分,用水洗是很难洗掉的,即使提高压力以及加大流量。最糟糕的是,它们会慢慢“释放”出来,变成可溶解的形态并具有更强的活性,增加了它们对防腐层附着力和防腐层质量的潜在危害。 
所以听人讲这样的纯水冲洗后,氯化物污染程度不降反升时,一点也足为奇了。 虽然酸洗操作也能除去灰尘,但是应当严密监测喷砂清理后的积尘程度,不允许超过允许的限度。喷砂清理后如果粉尘很多,那就可能是喷砂设备或者磨料本身的问题,需要及时解决,酸洗才能有效去除这些灰尘,否则会增加酸洗的耗量。事先预防总比事后治理好! 
经过这样彻底清洗的预处理的锚纹表面可以消除任何污染杂质造成的风险,包括处于第一位的钢管表面的任何污染杂质,或者由于喷砂清理可能没有清除干净的或者附带产生的污染杂质。事实上,这样形成的轻度氧化的干净的钢管表面,更有利于熔结环氧粉末(FBE)漆膜的附着,有时候可以看到防腐层性能略有改进。但是,它依然是很不稳定,很容易变化的,如果没有用最终表面处理工艺进行处理和稳定,它会迅速变质退化,或者容易在后续操作中被损坏。

 5.3 恰当的表面锚纹? 钢管涂敷前,表面预处理中最重要的步骤大概是如何达到恰当的表面粗糙度锚纹,这是建立预期的防腐层性能的基础。 
采用强力的钢丸/钢砂喷砂清理设备的传统磨料喷砂清理技术相当适用于管子的形状和质量。最好采用两台这样的喷砂清理设备,特别是生产速度比较高的时候。当然,如果有良好的管理和控制,一台设备也是能够完成喷砂清理任务的。 喷砂清理作业有两大强项:一是能去除钢管表面所有的氧化皮(铁鳞和铁锈),二是能形成既符合防腐层技术规范又满足特定防腐层系统要求的正确的表面粗糙度(锚纹)。对于当代高性能熔结环氧粉末(FBE)和三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统,这意味着形成致密的、均匀分布的、成一定角度的锚纹,达到要求的锚纹深度,并且始终如一地维持和重现这样的正确的粗糙度锚纹。圆滑的或成碟片状的锚纹,或在钢管表面残留大量氧化物,以及锚纹分布不均匀且单位面积只有数量稀少的波峰的状况都是不可接受的。这些问题会明显影响熔融的环氧粉末在钢管表面的充分润湿和流淌,影响熔结环氧粉末(FBE)底漆与钢管表面的有效粘结附着。 在磨料喷砂清理工艺中,选择的磨料类型或磨料混合物、磨料大小、质量和硬度是十分关键的,其受到许多变量的影响,尤其是钢材等级和硬度、钢管表面条件、喷砂设备的能力和要求的生产速度。加强对这类问题和其他影响磨料有效利用的各种因素的管理是达到正确的表面粗糙度要求的基础。由于防腐厂收到的钢管表面状况本来就变化不定,并且实际存在情况各不相同,所以这不是一项容易完成的任务,特别是喷砂清理机中污染杂质的产生和转换过程。当前钢铁市场价格不断上涨,货源短缺,加剧了磨料喷砂的问题。很明显,采用硬度不足的劣质磨料喷砂,无法达到要求的锚纹深度、密度、角度,并会产生过多粉尘,造成外观清洁度很差。 此外,管子钢材等级和表面硬度对这种传统喷砂清理技术产生很大的影响,需要更多研究和关注这个领域,才能始终如一地获得正确的结果。 但是,喷砂清理后的表面清洁度的评价是完全靠目测的,即使看来非常清洁的表面,人们也容易忽略肉眼看不见的化学活性污染问题。期待这种机械的强力喷砂技术始终如一地清洁钢管表面是存在风险的,而且这样的操作程序也不能迅速调整来满足变化的表面条件。 作为相对固定的操作程序,最好主要依靠其两大强项的巨大作用。使用专门操作程序时,要仔细研究钢管表面最大的质量要求,努力使钢管表面预处理满足当代管道防腐层系统的要求。

 5.4 清洁第一 
防腐厂收到的钢管表面情况差别很大,在很大程度上取决于货源、生产年代、储存条件,特别是制造、运输和储存钢管的环境。喷砂清理前,必须清除钢管表面所有疏松的杂质,防止磨料和喷砂设备被污染。可能总是需要加压用水冲洗和刷洗,清除那些吸附在氧化皮上的污染杂质,因为铁鳞破裂可能需要更大的力。即使是新轧制的钢管,也可能有大量制造残渣和难以去除的有机物,如液压油、扩管润滑剂或者其他油脂。 
火焰清洁能够除去这样的可燃物质,但之后可能留下燃烧残余物,或者使钢管表面烘烤变质,或者渗入氧化皮/铁鳞层,使它们更难清除,对喷砂清理作业造成更多的污染。 
溶剂清洗是合乎逻辑的方法,但是需要仔细操作,最好选用那些容易挥发的溶剂,它们是不会留下残渣的。溶剂清洗往往也会使油脂蔓延开来,需要彻底冲洗掉。 如果能够使结有氧化皮/铁鳞的钢管表面有效地清洁和脱脂,并且能够防止在喷砂清理过程中钢管表面被二次污染,那么将确保喷砂清理作业除去的仅仅是这层氧化皮。这样会改进表面预处理效率,提高清理质量,保护喷砂清理设备和磨料不被杂质污染,从而降低喷砂清理作业的操作成本,减轻管理工作负荷。 最新的高压、高效去污碱清洗和水漂洗程序,以及针对此特定用途的特制设备可以满足这样的清洗要求。对钢管表面的氧化皮,这种专门的高效表面清洗方法不仅确保没有污染杂质残余,而且,改善了磨料喷砂效率,它还有助于铁鳞的破裂,更容易清除氧化皮

 5.5 了解钢材本身 正如我们已经看到,钢管涂敷前表面预处理的许多可变性和污染问题能够追溯到钢材本身、钢材的条件和钢材的起源。假如我们不知道从源头上着手处理问题,假如我们不研究多变性和其对表面预处理程序和操作的影响,那么,要始终正确操作是不可能的,除非我们已经做好这方面的准备。 

即使我们全面了解钢管表面的原有状态并对其有合理的控制,标准表面预处理和操作未必足以保证始终如一的质量和性能。防腐生产线上每班只会遇到几根有缺陷的钢管,虽然所占的百分比不大,但会降低生产效率,增加生产成本。为此可以建立额外的程序来避免,因为标准程序无法应对那些特殊问题。 清除虫胶或沥青类临时防锈漆需要额外专门的清理程序。理想状态是,在可能的地方,不允许采用这样的临时防锈漆,管道防腐厂应拒绝接收采用这类临时防锈漆的钢管。 
如果不可能拒绝,那么就要在预算外追加投资对这样的钢管进行预清洗作业,然后才允许进入管道防腐厂。需要时,特别在长期储存或在管道用地沿线堆放时,管端预留段应当考虑改用那些与采用的钢管表面预处理程序相适合的容易除去的其他临时防锈漆。 作为当前最好的做法,应将所有这些互相密切联系的表面预处理程序结合在一起,确保当代最新的高性能熔结环氧粉末(FBE)和三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统达到预期的性能和耐用性。不管你的初始条件如何,都应当恰当清理进厂的钢管,除去所有氧化皮,形成理想的粗糙度锚纹,清洗掉锚纹中的所有污染杂质,然后处理表面,使之与涂敷的防腐层系统相适应。由于实质上消除了所有不一致性和多变性,也就消除了性能和质量方面的隐患及以前提到的各种问题,从而提高生产效率,降低生产成本。

 6. 经营操作管理

 6.1 经验和学习 
经验是很难获得的,比知识更有价值,但是,学习是永无止境的。管道的涂敷参与单位很多,大家可能有不同的见解,必须正确实施和管理建立的复杂操作程序,涉及各方必须互相密切合作。某一领域的错误或者缺点可能导致破坏另一领域正确的实施程序。 
做好管道涂敷业务是没有什么捷径的,如果操作不当,就无法达到预期的结果,有关各方会发生争吵,工期延迟,承包商并因延误而被罚款。 过于自信或者过分依赖过去的经验和操作方法,也无法保证达到预期的结果,除非新项目的各个方面与以前那些项目是完全一样的。 
显然,钢材及其原始条件的差别范围在扩大,涂料、涂敷方法和技术规范在不断改变,有关方面的专家意见也不是一成不变的,性能和质量要求,甚至国际上对防腐层的期待和差别等越来越大。 因此,需要对各种各样的可能性做好准备,在出现新的麻烦或者发生成本问题之前就有能力应对它们,这是顺利实现能够满足特定用途要求的成本效益好的防腐管道最可靠的途径。 
为此,可以采用所有可以利用的工艺技术、材料和方法。最终,管道涂敷项目涉及的各方最大程度地应用这些资源来满足项目、合同和操作要求,使项目的实施顺利、可靠,没有大的风险。 

6.2 方法的灵活性 
技术规范或者标准是无法包罗万象的,在可能的地方,应针对具体项 目,制定预期达到的性能和质量的最低要求。在程序上,它们决不可限制或者阻止承包商实际能够达到这些要求,应当允许做出解释,并有一定的灵活性,确保项目的完成。 
技术规范和按其编制的涂敷计划也应鼓励承包商努力更好地超越这些最低的性能质量要求,包括采用各种经过验证的工艺技术,不管实际上是否已经规定。如果把目标定在仅仅达到这些最低技术规范要求,结果实际上往往会低于标准,而且会频繁发生质量事故,造成工期延迟,增加成本。如果把目标定得高一些,至少一开始能够保证达到技术规范最低要求,并且能够持续实现高效无故障的成本效益好的操作。 
6.3 材料选择和应用以及安全与环境法规的冲击 
现代管道防腐层系统和专业化学表面预清理工艺,如铬酸盐处理和酸 洗用的材料,是用特别等级材料特别配制的络合物配方。这是它们正确发挥作用的关键所在,如果配方不当或者用错误的或劣质材料配制,那么就无法正确发挥作用,甚至更加危险,可能产生实际破坏它们性能的有害杂质。正确的选择,包括它们使用是否得到专家指导和支持,都是降低风险的安全操作的关键,这影响到整个防腐层系统期待的性能。 与所有工艺技术一样,采用适宜的设备和正确的操作方法是很重要的。在正确实施时,这些化学表面处理工艺所产生的效果将远远超过它们的最低成本。如果处置不当,不仅达不到预期的效果,而且会增加成本,使怀疑取代信任,失败取代成功。新型设备的设计采用全自动或半自动操作,加强了过程的管理和控制,确保了材料的正确处置和安全。并且,废液的处理完全实现了自动化。所以,有了这些新型设备,现在能够更容易、更安全、更有效地应用这些技术。 经过审批的专业材料供应商应当有相应的知识和专长,他们能够自己获得专家指导、支持、培训和实际经验,从而安全有效地操作,达到预期的表面处理效果。特别在员工劳动安全和环境保护方面,这是用户最为关注的问题,也是国家和国际法规必须遵守的问题。 
这样的法规和用户的关注推动了产品的开发,现在已经发明了更安全的表面处理工艺(如无铬表面处理技术),不久将成为行之有效的工艺。 27 
6.4 指导和支持 
任何管道涂敷合同的主要参与方不可能就是面面俱到的全能的专家, 特别是表面预处理、防腐层系统、程序上相互影响和对多变性的影响。技术专家的指导、产品和技术上的支持、操作上的开发,甚至培训等,取决于许多供应商、技术顾问和专家,以及那些有各自技术优势,但不同操作经验和文化背景的人。 对那些新介入的涂敷承包商,可能欠缺一些经验,他们更需要学习和不断地改进。对那些经验丰富的涂敷企业,面对特定的新产品新工艺,仍然需要获得专家的指导和帮助。所谓“独木不成林”,仅凭个人的双眼双耳,就要洞察一切是不现实的,向专家请教才是解决问题的有效途径,这样花费的每一分钱才是有价值的。 

7. 费用成本 
对于熔结环氧粉末(FBE)和三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统,如果 采用最好的工业做法和可利用的表面预处理技术,包括加热、质量保证和质量控制、检验以及总的程序性要求,产生的直接成本会使总的涂敷成本增加不足5%,一般为3-4%。最近对100 km长的610 mm管道项目进行的防腐层成本调查确认,为确保达到适宜的表面清洁度、正确的粗糙度锚纹和熔结环氧粉末(FBE)最佳的涂敷温度,表面预处理的这些关键步骤的费用占防腐层总的涂敷费用的3%。 涂料和加热要求占涂敷项目成本的绝大部分(60 – 75%),所有额外的表面清洗和处理化学品的材料费用占涂料费用的2%弱,而对于三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统,表面预处理所占费用比例甚至更低。 
但是,就真正的单位成本(涂敷每根钢管的操作成本)而言,出错、特许权、拒收和延迟造成的费用也应计算在内。如果采用最好的做法和所有可利用的技术与程序,这类暂时的并且可能不可避免的额外费用,不管高低,也不管是否纳入预算,都是能够减少,甚至可以真正消除的。 事实上,每班只有一两根管子发生报废、重新处理或被隔离,那么最好做法增加的程序和工艺的总费用将更多。按时间计算,其对单位成本的间接影响非常大。假如管道防腐厂每班能够涂敷100根钢管,但是每班又必须重新处理一两根钢管,那么,无论是生产效率还是单位成本都将受到很大影响。而且,为了解决这些潜在的报废问题,假如必须放慢生产线速度来克服表面预处理、涂敷工艺或者质量和性能问题的话,那么,单位成本就会增加许多。 
如果描述的最好工业做法和可利用的技术能够使涂敷承包商达到这样无废品的生产效率,那么他的管道防腐厂有望顺利地运行,能够大幅度降低他的单位生产成本。 
更值得注意的是,世界上不同地区的许多承包商报告说,采用所有可利用的表面预处理技术和最好的表面处理、涂敷工艺、防腐厂操作,生产效率可以接近防腐厂实际最大生产能力。 
有了更快、更高效地无差错、无报废生产能力,不难想象,每班有能力多涂敷一两根钢管,这样产生的效益可大幅降低单位生产成本。 对于面临困难的管道经营主管或者当地的腐蚀工程师,观察问题的角度是非常不同的。这种最好工业做法和达到的预期的质量和性能(完整性管理计划是以此为依据的),对管道终身寿命的检验和完整性管理成本和预算有着更加积极的影响。 目前,在线检测费用报价为每公里输气管道3200 – 5300 美元,每公里输油管道4600 – 6100 美元,如果标准检查方案有任何变动,需要增加额外的检查费用。这还不包括开挖、调查和修补或者额外的阴极保护费用。 假设不存在阴极保护屏蔽问题,并且需要修补的工作量最少,那么出现附着力问题的三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统的新建管道的全寿命检查和完整性管理成本将比预算多出70 – 90%,这已经接近防腐层系统总的应用成本的一半。 假使因为阴极保护屏蔽而发生腐蚀或者应力腐蚀开裂(SCC),由于要选择性开挖、修补管子和重新涂敷消除阴极保护屏蔽问题,那么,管道寿命期间的成本还要大幅度增加。 
在此基础上,在管道防腐厂的涂敷工艺、涂敷控制,特别是表面预处理之间采取折中方案,可以在短时间里见到好处,但是,这也增加了管道寿命期间监测、检查和管理成本的风险。

 8. 结论 
1) 认识到与良好设计的阴极保护系统一并使用时,正确涂敷的熔结环 氧粉末(FBE)防腐层系统才能有效保护管道,达到预期的防腐目的。 

2) 三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统能够存在系统的弱点,如与钢管底 材的附着力问题。 
3) 如果涂敷过程控制不当,涂敷温度不正确,熔融的环氧粉末没有完 全覆盖钢管表面,或者表面预处理质量太差,都会造成管道防腐层发生质量事故。

 4) 假如要达到管道防腐层的完整性,正确的表面预处理是非常重要的。 只有使用正确选择的材料、设备和最好的做法,才能保证管道防腐层达到预期的质量和性能。 
5) 用根据项目特定的技术规范、批准认可的产品和工艺、训练有素的 人员以及良好的操作程序,才能保证管道的完整性和防腐性能。 
6) 温度循环变化会加快三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统与钢管底材的 剥离。
7) 某些现场补口的长期性能是有疑问的,特别是现场补口与管道干管 外的聚烯烃防腐层搭接时。 
8) 采用表面预处理和管子涂敷的最好做法实际上能够降低涂敷管子的 单位成本。 
9) 管道防腐系统要达到预期目的是需要很大投资的,但比不能达到预 期的防腐目的而需要增加额外的完整性管理成本要低得多。 附录1:涂敷熔结环氧粉末(FBE)和三层聚烯烃(3LPO) 防腐层系统前钢管表面预处理的标准要求 
 所有操作必须按照有关防腐层技术规范执行,合同开始前,必须按 程序对管道防腐厂和材料进行质量评定。 
 用相关措施去除所有碎屑、油脂、油迹,在钢管进入防腐厂之前, 可以使用规定的清洗剂并用水冲洗。 

磨料喷砂清理之前,加热钢管除去潮气和凝结? 最好用两台磨料喷砂清理设备。(使杂质污染保持最低程度,使粗糙度锚纹保持最好状态? 根据所用钢管的钢材等级和硬度、钢管的来源、存在的腐蚀产物的 

程度和类型,以及磨料喷砂清理设备的能力和效率等,选择所用磨料(或者磨料混合物)的类型、大小和硬度。 
? 所用喷砂清理方法和金属磨料的特征应当遵照下列标准: ISO 8504 – 第2部分:表面预处理方法 – 磨料喷砂清理 ISO 11124 – 第1-4部分:金属磨料的技术规范 ISO 11125 – 第1-7部分:金属磨料的测试 (以及此范围的ISO 标准) 
? 采用串联的两台磨料喷砂清理设备时,所用的磨料类型可以不同。或者在两台磨料喷砂清理设备之间,或者在第二台磨料喷砂清理设 
备之后,应当去除可溶解的盐分,使之小于可测出的规定的最大含量(< 2 μg/cm2 ≡ 20 mg/m2)。这是用经过批准的酸洗工艺(通常以磷酸为主)达到的,接着用脱离子器(DI)或者反渗透膜(RO)处理器产生的纯水(电导率 < 100μS)彻底冲洗干净。 
? 应当按照ISO 8501第A1部分的要求目测评价所要求的表面清洁 度,最低达到Sa 2-1/2或者更好。 
? 为了获得最大面积的最清洁的表面,并且使防腐层与底材达到最大 的附着力,要求形成一定角度的致密的粗糙度锚纹。(圆滑的或成碟片状的或者不均匀的或不成角度的粗糙度锚纹是不能接受的。) ? 应当针对不同类型的防腐层控制不同的粗糙度锚纹峰谷高度,例如,对于三层聚烯烃(3LPO)防腐层系统中180微米厚度的熔结环氧粉末(FBE)底漆,通常要求粗糙度锚纹峰谷高度在75 – 100微米范围内。在ISO 8503系列标准中包括了粗糙度锚纹的测量方法。通常认为粗糙度触针是更可取的方法。 
? 应当按照ISO 8502-3标准的要求,评价磨料喷砂清理作业后表面的 
粉尘量。允许的最大量通常为第3级。应在酸洗处理前后检查粉尘量(不要求酸洗工艺除去过量的表面粉尘/残渣)。 
? 可以用吸尘器或用干燥清洁的空气吹扫,除去粉尘。 
? 应当用经过验证和批准的铬酸盐表面处理工艺完成表面预处理。此 项处理改善了管子表面化学,确保表面的一致性,使防腐层与底材有更大的附着力,并能更长久地保持这样的附着力。 
表面预备处理用的所有材料和专门设备应当从有经验的和经过批准的 供应商处采购。应当寻求他们的专家指导和帮助,确保安全有效地实施。

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