油气管道聚氨酯防腐补口的失效分析

本文选取其中两处服役状况较差的聚氨酯防腐补口，结合现场检测和实验室分析表征，从土壤腐蚀性、管道阴极保护、交流干扰和聚氨酯防腐层服役等方面综合评价，初步揭示埋地管道聚氨酯防腐层发生鼓泡失效的主要原因。

1 实验过程

1.1 现场检测

两处检测点按“测试桩编号+偏移距离”分别命名为KP10-809.5 m和KP12+281 m。首先对两处液体聚氨酯管道补口进行现场检测及样品采集。其中，土壤检测主要为管道补口附近土壤电阻率测试及样品采集，评估土壤腐蚀性;防腐层检测主要包括防腐层外观、厚度、漏点和附着力等检测及剥离防腐层采样，评价管道补口防腐层质量;电位测试包含管道通电电位(补口位置与上下游智能测试桩距离较远，不具备采集管道断电电位条件)、交流电压和交流电流密度采集，评估管道阴极保护有效性和交流干扰状况;防腐层下方管体壁厚测试以评估腐蚀类型和程度。各项测试执行标准见表 1。

表 1 现场检测执行标准

1.2 实验室分析

参照GB/T 19285相关规定，采集的土壤样品在实验室内进行pH值、质地、含水率、含盐量、Cl-含量等分析检测，结合现场测得的电阻率数据，综合评价管道各检测点附近土壤腐蚀性。

聚氨酯防腐层样品在光学显微镜下观察防腐层内外表面显微形貌。通过SEM-EDS采集防腐层内表面电子显微形貌及化学元素组成。同时，借助接触角仪表征防腐层外表面疏水性。综合上述数据对聚氨酯防腐层鼓泡进行失效分析。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯防腐层质量评价

图 1为聚氨酯防腐层样品外观照片。KP10-809.5 m处防腐层外观缺陷较多，表面有大面积鼓泡现象(图 1 a)，鼓泡下方存在积液(图 1 b)，管道6点钟方向存在流挂现象(图 1 c)。KP12+281 m处防腐层表面则相对光滑平整，未见明显外观缺陷(图 1 d)。

图 1 聚氨酯防腐层样品外观

防腐层厚度、漏点、附着力等级测试结果见表 2，采用撬剥法进行附着力测试后的聚氨酯防腐层见图 2。KP10-809.5 m处防腐层附着力为5级，测试过程中无明显抗撬离性能，呈整片剥离;KP12+281 m处防腐层附着力为4级，表现出一定抗撬离性能，呈大块碎屑剥离。

表 2 聚氨酯防腐层检测结果

图 2 防腐层样品附着力测试

由表 2数据可知，两处防腐层厚度均满足GB/T 51241对厚度要求(≥1.0 mm)。如前所述，尽管KP10-809.5 m存在大面积鼓泡、积液现象，电火花检漏却无漏点检出。这表明土壤中的水并非通过防腐层表面宏观破损进入内部，防腐层内部可能存在微观缺陷，为水分穿过防腐层向管道本体渗透提供了通道。

两处聚氨酯防腐补口均存在黏结力降低问题，其中，KP10-809.5 m存在鼓泡、流挂和积液现象，已基本丧失对管道本体的保护作用。由于液体聚氨酯补口施工对管道表面状态、施工环境及操作均有较高要求[1]，且聚氨酯涂层对阴极剥离较弱的抵抗能力[2]，防腐层施工前对管体表面处理不达标、防腐层内部微观缺陷的存在及过负的阴极保护电位引发的阴极剥离都可能导致鼓泡失效，因此需进一步分析确定。

2.2 阴极保护及交流干扰评价结果

由表 3可知，两处管道交流电压低于4 V，交流电流密度均在30 A/m²以内，表明管道未受明显的交流干扰。两处管道的通电电位均在﹣1.4 V(CSE)左右，考虑到两处土壤电阻率均较低(见表 4，分别为2.26 Ω·m和3.39 Ω·m)，其对应的断电电位应仍处于较负的水平，管道的阴极保护状况良好。然而，在环境中的水渗入防腐层内部后，也无法排除较负的阴极保护电位导致防腐层发生阴极剥离的可能。

表 3 现场检测执行标准

表 4 土壤腐蚀性测试结果

2.3 管体腐蚀状况调查结果

由图 3可知，两处管道补口聚氨酯防腐层下方管道表面均未观察到呈散点分布的坑穴状腐蚀，其中，KP10-809.5 m表面较为粗糙，可能发生了一定程度的均匀腐蚀，而KP12+281 m表面相对光滑，目测其腐蚀程度较轻。

图 3 防腐层下管体表面腐蚀形貌

分析管道壁厚损失率数据可知，KP10-809.5 m处管道在服役期间管壁减薄约5.68%，可能与其表面聚氨酯防腐层较差的屏蔽性能有关;而KP12+281 m处管道几乎未见减薄(0%)，说明该处管道的防腐层+阴极保护体系仍有较好的防护效果。

2.4 土壤腐蚀性评价结果

由表 4数据可知，两处管道补口位置附近土壤理化性质相近，呈弱碱性，具有较高的含水率、含盐量、Cl-含量和较低的土壤电阻率。综合现场和实验室检测数据，根据GB/T 19285判定土壤腐蚀性为强，管道暴露其中腐蚀风险较高。尽管土壤理化性质相近，但KP12+281 m处防腐层并未发生鼓泡积液，外界环境因素可能不是导致KP10-809.5 m处防腐层发生鼓泡失效的主要原因。

2.5 聚氨酯防腐层的失效分析

综上所述，两处检测点管道补口所处土壤环境大致相同，阴极保护和交流干扰状况基本一致。由此可推断，管道补口聚氨酯防腐层在施工过程中产生的结构差异可能是导致两者在相同服役环境下产生不同劣化现象的主要原因。为此，继续对聚氨酯防腐层样品进行光学显微镜、电子显微镜扫描和接触角分析，以揭示其发生鼓泡失效的原因。

由图 4可知，KP10-809.5 m(图 4 a)处防腐层外表面更为粗糙;光学显微形貌发现其内表面相对平整(图 4 e)，表明该处防腐层与管体已整体剥离;如图 4 c和4 e所示，该处防腐层内外表面均可观察到大量直径10 μm~50 μm的圆孔，可能与防腐层施工过程中液体聚氨酯涂料内产生的气泡有关。相较而言，KP12+281 m处防腐层外表面(图 4 d)则较为光滑，未见孔洞;此处防腐层内表面则呈破碎状(图 4 f)，表明防腐层与管体间仍有一定黏结强度，取样过程中主要在防腐层内部发生内聚破坏。防腐层样品内表面电子显微形貌结果(图 5)同样显示，KP10-809.5 m处防腐层内表面相较于KP12+281 m具有更多的内部孔洞。

图 4 防腐层样品表面形貌

图 5 防腐层样品内表面电子显微形貌

防腐层样品外表面接触角测试结果见图 6。KP10-809.5 m处防腐层外表面对水的接触角仅为23°，明显低于KP12+281 m处防腐层(71°)。表明KP10-809.5 m处聚氨酯防腐层的防水性能较差。

综合现场及实验室检测失效分析结果，分析 KP10-809.5 m处管道补口聚氨酯防腐层发生鼓泡失效的原因。首先，在液体聚氨酯涂料涂敷阶段对气泡的控制不到位，导致防腐层固化后内部及表面均留下大量微孔，因其尺寸较小(直径10 μm ～50 μm)且未在防腐层内部互连贯通，无法被电火花检漏仪检出。正常服役条件下，KP10-809.5 m处防腐层厚度(约2.6 mm)比KP12+281 m(约1.5 mm)整体厚，环境中的水分穿过防腐层向管道本体渗透所需的时间也应较长。然而，KP10-809.5 m处防腐层却更早发生了鼓泡和积液现象。由此推断，防腐层内部及表面微孔的存在一方面增大了防腐层表面粗糙度，使防腐层防水性能下降，另一方面也为土壤中的水分向防腐层内部的渗透提供了通道，所需时间大大缩短。同时管道附近土壤含水率较高，补口下沟回填后，土壤中水分将通过微孔向防腐层内部渗透并逐渐在防腐层下积聚。在较负的阴极保护电位(﹣1.43 V(vs.CSE))下，聚氨酯防腐层可能发生阴极剥离从管体表面局部脱离，并最终形成鼓泡。