LPE防腐层剥离机理探讨.doc

PAGE PAGE 12 3LPE防腐层剥离机理探讨 Disbondment mechanism of 3LPE coatings B T A Chang，美国PolyLab有限公司 H Jiang，H-J Sue，美国德克萨斯州立大学 S Guo，G StJean，H Pham，美国道化学公司 D Wong，加拿大邵氏管道防腐公司 A Kehr， M Mallozzi，美国3M公司 K H Lo，美国壳牌国际公司 摘要： 熔结环氧粉末（FBE）和三层聚烯烃（3LPO）防腐层体系已经在世界上被广泛用作新建管道的外防腐层。文献中已有报告，在三层聚烯烃（3LPO）防腐层体系的熔结环氧粉末（FBE）层与钢管表面之间的界面上发生若干防腐层剥离问题。防腐层剥离问题已经引起人们对三层聚烯烃（3LPO）防腐层体系应用的关注，因为人们一直认为它是比单层熔结环氧粉末（FBE）防腐层具有更强的抗损伤特性的管道防腐层体系。三层聚烯烃（3LPO）防腐层体系之所以发生剥离，是因为钢管表明喷砂除锈预处理或者预热温度不当导致熔结环氧粉末（FBE）层与钢管表面之间的附着力严重缺失。加热过程不协调或者聚烯烃的挤出包覆过程产生的残余应力加剧了附着力的缺失。本项研究的目的是研究防腐层剥离机理，其与防腐材料与钢管底材之间加热过程的不协调所产生的残余应力有关。已经采用应力分析方法和有限元模型（FEM）计算出热诱导应力。特别在管端焊接预留部位，应用有限元模型（FEM）着重分析了在管端焊接预留部位防腐层角上的应力集中问题。应力分析结果表明，熔结环氧粉末（FBE）层与聚乙烯外防护层干膜厚度（DFT）并不会引起熔结环氧粉末（FBE）底漆产生高应力，但是，管端焊接预留部位防腐层属于例外。在管端焊接预留部位防腐层的角上，随着聚乙烯防护层干膜厚度的增加，剥离应力显著增加。防腐层的剥离很可能就是因为3LPE管端焊接预留部位防腐层较高的应力集中而开始的，特别是同时存在较厚的聚乙烯防护层干膜厚度和熔结环氧粉末（FBE）层与钢管表面之间界面的粘结强度受环境影响而削弱时。 引言 熔结环氧粉末（FBE）和3LPO三层聚烯烃（聚乙烯或聚丙烯）防腐层 体系已经在世界上被广泛用作新建管道的外防腐层。在美国和英国已经较为普遍采用熔结环氧粉末（FBE），而在世界其他地方更多采用了3LPO防腐层体系。3LPO防腐层体系由三层构成：熔结环氧粉末（FBE）底漆、功能性聚烯烃粘结剂中间层、聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）外防护层。熔结环氧粉末（FBE）具有良好的抗氧渗透特性，聚烯烃既有良好的防水性，又有良好的机械强度禁得起运输和施工中的机械损伤。 3LPE三层聚乙烯防腐层体系正常使用温度低于80℃，当防腐层正确施工时，具有很好的使用记录。过去十年里，在世界上许多地区，包括印度、南美洲、2003年在巴基斯坦或伊朗、叙利亚和加蓬，都曾报告了熔结环氧粉末（FBE 一般，3LPE三层聚乙烯防腐层体系中的熔结环氧粉末（FBE）底漆的干膜厚度很薄（4-10密耳即100-250微米），而单层熔结环氧粉末（FBE）防腐层的干膜厚度正常比它厚（12-16密耳即300-400微米）。在涂敷过程中，熔结环氧粉末（FBE）和3LPE三层聚乙烯防腐层都从200-250℃很高的温度冷却下来。熔结环氧粉末（FBE）的热膨胀系数比钢高，由于其与钢管底材不协调的加热过程而会产生残余应力。聚乙烯外防护层正常厚得多（2-6 mm），它的热膨胀系数比熔结环氧粉末（FBE）高，所以，它能够在管端焊接预留部位防腐层在熔结环氧粉末（FBE）层与钢管表面之间甚至引起更高的残余应力。而且，3LPO 防腐层的剥离问题已经引起世界各地管道经营者和标准编制部门的关注。美国政府运输部（DOT）已经实施一项研究计划，关注这个技术问题并广泛征求研究方案，着重研究残余应力和钢管表面预处理造成防腐层剥离的机理。本文的目的是应用应力分析方法和有限元模型（FEM）分析防腐层体系中的残余应力分布，从而查明防腐层的剥离机理。 防腐材料特性 表1列出了3LPE三层聚乙烯防腐层体系的材料特性，并且，这些数据 将用于残余应力的计算。 热残余应力分析 描述3LPE三层聚乙烯防腐层体系的热残余应力的近似形式解的分析 偏差是个十分复杂的问题，在此絮不累述。仅仅列出用于直接计算热残余应力的方程。 表1 防腐层体系的材料特性 防腐材料 特性 英制单位 公制单位 试验方法 熔结环氧粉末（FBE）底漆 3M 226+ 玻璃化温度Tg 111 DSC 粉末密度 1.56 g/cc Micromeritics AccuPyc 1330 涂膜密度 1.44 ASTM D-792 杨氏模量 248 ksi 1.71 GPa ASTM D-1708 泊松比 0.33 估计 热膨胀系数 3.52 x 1