| 3PE防腐钢管防腐层缺陷之翘边缺陷 |
0 3PE防腐钢管防腐层
3PE防腐钢管是目前国内外采用最为广泛的一种钢管防腐形式。其主要结构（见图1）为：最底层的环氧粉末层、中间粘结剂层和最外层的聚乙烯防腐（护）层。3PE防腐钢管防腐涂层的优越性能主要是它将底层环氧粉末、中间层粘接剂和外层聚乙烯有机地结合成了一个整体，从而使该涂层具有熔结环氧粉末防腐钢管涂层和聚乙烯涂层的双重优点。
图1 3PE 结构简图
3PE防腐钢管防腐层成型的简单工艺为：（1）钢管表面氧化皮、铁锈以及水份、油污的去除；（2）防腐层成型：环氧粉末在经过中频感应加热的钢管表面形成100μm左右的粉末层，在粉末胶化状态下，中间粘结剂通过专用模具和挤出机挤出熔融的胶带缠绕在粉末层表面，同时PE挤出机挤出聚乙烯带，缠绕在中间粘结剂的表面；（3）冷却定型，通过风冷和水冷共同作用，形成3PE防腐钢管防腐层。
防腐钢管防腐层结合的质量由内因和外因共同决定。内因靠材料厂商提供的改性材料作保障，外因靠 3PE涂层作业线工艺调整来实现。而外因或内因都会造成防腐层的缺陷，这里我们主要探讨的是管端翘边缺陷。
1 翘边缺陷
翘边缺陷，见图2。主要表现在以下几个方面：
（2）中间粘结剂与环氧粉末表面脱粘，形成翘边；
（3）聚乙烯层与中间粘结剂表面脱粘，形成翘边，也属于防腐层间分层引起的；
（4）缠绕工艺成型时，聚乙烯与聚乙烯层之间的分层；
（5）三层防腐层的中间粘结剂或环氧粉末层缺失引起的，缺失层造成防腐层间粘结缺陷形成翘边；
（6）堆放（过程）环境引起防腐层翘边。
2 缺陷分析
防腐层翘边实际上是防腐层端部变形。凡材料变形均有应力作用，在3PE防腐钢管防腐层成型过程中，可导致防腐层端部产生翘边的作用应力只有纵向冷却成型收缩残余应力，且只有在纵向冷却成型收缩残余应力大于材料间界面粘接强度时，才会发生防腐层翘边。此外，防腐层端部边沿实际上是收缩残余应力作用的应力集中区域，周向冷却成型收缩残余应力是向钢管侧收缩，有利于防腐钢管防腐层粘贴紧密，而导致材料间界面粘接强度小于成型收缩残余应力则取决于各防腐层成型过程的各种各样的影响因素，层间材料的内聚破坏产生的剥离应力，同样造成层间防腐层的剥离，从而引起翘边。而导致材料间界面粘接强度小于成型收缩残余应力则取决于各防腐层成型过程，除与三层PE防腐成型的设备以及材料有关外，与成型工艺、外界环境等各个方面的因素密切相关。
2.1 前处理造成缺陷
钢管表面污物（未处理或二次污染），在钢管表面与环氧粉末间形成隔离物膜，导致熔结环氧粉末与加热钢管界面间未形成有效粘接，容易形成整体防腐层翘边，见图3。
2.2 加热条件造成翘边
钢管加热温度低于环氧粉末熔融所要求的温度条件，导致静电附着于钢管表面的部分或全部环氧粉末未熔融，难以在钢管的基体表面进行熔态浸润和化学键合，导致环氧粉末与钢管界面间未形成有效粘接。此外，在喷粉过厚、粉末颗粒度不均或过大时，即使钢管加热温度达到要求，但因成型到冷却时间间隔设置较短，传导热来不及使粉末完全有效熔融，也会导致此类缺陷形成，宏观表现为粉末层内聚破坏。产生原因如下：
（1）中频设备设计缺陷，未考虑钢管的传动速度、钢管的壁厚，无法确保钢管加热的电流透入度。
（2）钢管加热过程中，多采用红外线测温仪测量钢管温度，由于受到漫反射、测量距离等影响，所测温度与实际有一定的差距。
（3）管接头设计缺陷，见图4，管接头保证钢管的连续稳定传动，采用等厚壁钢管车制或钢板卷板而成。中频感应加热为透热过程，管接头与钢管的接触面位置大于在防腐层端头规定预留尺寸时，使得钢管的壁厚增加，虽表面预热后初步达到粉末胶化规定温度，但在进入粉末喷涂前的时间里，由于热传导引起温降，则管外壁温度有可能低于粉末胶化温度，即便达到胶化温度，粉末喷涂完成后，热继续向内传导，表面温度持续降低，则在胶化时间内未胶化，此时环氧粉末防腐层会与钢管脱粘或与中间粘结剂脱粘。
图4 管接头设计缺陷示意图
（4）冷却水或冷凝水倒灌。3PE防腐钢管防腐成型采用水冷却进行定形，在钢管传输过程中，传动线定位钢管管底标高一致，或出管端标高高于进管端，冷却水就会从管前端向管后部倒流，并在管接头处积聚，管端虽经中频加热，但由于水的冷却作用，造成管端温度过低，粉末难于胶化。但在冬季施工时，即使出管端标高低于进管端，此时虽不会产生冷却水倒流，但进管端钢管温度较低，管内会产生大量的水蒸汽，水蒸汽遇到钢管急冷，冷凝水反而会顺进管端向出管端流动，也会在管接头处积聚，降低管端温度，引起粉末未胶化。
（5）环境温度较低，保温措施不当，引起钢管表面散热加剧，同样造成粉末未胶化缺陷。
2.3 工艺过程造成翘边
（1）管端缠纸造成翘边，见图5。为方便管端部位的聚乙烯层打磨，采用缠纸方式在环氧粉末与钢管之间形成隔离层，若隔离纸超过预留宽度，就会形成隔离翘边。
（2）粉末胶化引起翘边。三层PE成型对传动速度要求非常严格，要求必须在粉末胶化状态下完成中间粘结剂的缠绕或包覆，粉末胶化的时间比较短，钢管的传动速度必须与粉末胶化时间匹配，钢管传输速度过慢，则可能出现粉末已经固化后进行中间粘结剂涂覆，过快则粉末未胶化，这些都会造成中间粘结剂与环氧粉末层分层。
（3）粉末固化引起翘边。钢管表面温度过高，环氧粉末固化反应太快，中间粘结剂包覆前，环氧树脂官能基团过度消耗，失去和胶粘剂的化学键结合，并可能发生轻度焦化，降低中间粘结剂与环氧层的化学键，此时极易造成防腐层翘边的形成。
（4）欠粉区域出现造成翘边，见图6。喷枪堵塞、粉箱缺粉、空压机偷停、喷枪距离钢管表面太远等，造成静电粉末喷枪停喷，则引起欠粉现象区域出现，只涂覆了中间粘结剂层和聚乙烯层，形成缺陷。
（5）中间粘结剂欠搭接造成翘边，见图7。此类缺陷只见于缠绕成型工艺，当钢管的传输速度过大或挤膜速度过慢，中间粘结剂带拉伸变窄，导致缠绕出现欠搭接，聚乙烯带与环氧粉末层直接搭接，影响粘接强度。此类缺陷表观看似聚乙烯挤出带翘边，实际上是中间粘结剂成型引发的质量缺陷。
2.4 原料之间粘接引起分层
分层的原因是层间融合不好，当使用材料的熔体强度低而又追求焊道厚度时，不得不降低聚乙烯的挤出温度，温度低造成层间融合不好。大口径无缝钢管蓄热量大，缠绕包覆后不易冷却使得加工只能在相对低的钢管线速度、相对低的挤出温度下进行，以避免包覆层因温度高在短时内冷却不下来而造成后续传动轮在防腐层上赶压出轮胎印，所以大口径无缝钢管易出现此现象。
中间粘结剂塑化状态不好或聚乙烯挤出带胶塑化状态不好，亦会导致中间粘结剂膜与环氧粉末底漆粘接强度不足；碾压辊轮因设计缺陷或长时间使用压力不足时，造成膜之间无法压接密实，同样引起分层缺陷。见图8。
2.5 露天堆放形成缺陷
还有一类防腐层端部翘边并不发生在成型过程中，而是在产品成型后，经长期露天储存过程中发生的。该质量缺陷产生的内因仍是材料成型时形成的残余应力。在成型过程中，翘边形成相当于残余应力被松弛掉，但如果未形成翘边（如粘接强度略大于残余应力）则残余应力被存留在材料中，该残余应力的松弛过程是一个长时间过程。外因则是环境条件的作用，当成型管长时间露天堆放时，管表面存留的雨水会沿防腐层搭接界面渗透扩散，导致界面间粘接强度降低。风力对防腐层搭接的剥离作用亦会导致界面间粘接强度降低等等。因为 3PE防腐钢管防腐层在露天堆放时随气温的变化产生热胀冷缩，PE层的热胀冷缩程度与钢管不同，而且PE层坡口较薄，反复膨胀使PE层产生疲劳，从而在坡口处形成翘边，见图9。
钢管端头裸露部分，受到潮湿气体的浸蚀，发生腐蚀，产生腐蚀氧化产物，并且通过水分渗透，氧化物向端头防腐层扩展，从而引起防腐钢管防腐层下腐蚀，造成防腐层脱粘，引起翘边，见图10。
图8 层间翘边图 图9 长期堆放造成防腐层翘边图 图10 堆放造成翘边图
3 结束语
3PE防腐钢管防腐层间粘结决定了防腐层质量，需要从设备的最初设计入手，选购合格的防腐用材料，严格的加工工艺，以减少防腐层翘边现象的出现。
图1 3PE 结构简图
防腐钢管防腐层结合的质量由内因和外因共同决定。内因靠材料厂商提供的改性材料作保障，外因靠 3PE涂层作业线工艺调整来实现。而外因或内因都会造成防腐层的缺陷，这里我们主要探讨的是管端翘边缺陷。
1 翘边缺陷
翘边缺陷，见图2。主要表现在以下几个方面：
图2 翘边缺陷图 图3 整体防腐层翘边图
（1）整体防腐层翘边。环氧粉末、中间粘结剂与聚乙烯层粘结完整，但环氧粉末与钢管基体表面脱粘，形成翘边；（2）中间粘结剂与环氧粉末表面脱粘，形成翘边；
（3）聚乙烯层与中间粘结剂表面脱粘，形成翘边，也属于防腐层间分层引起的；
（4）缠绕工艺成型时，聚乙烯与聚乙烯层之间的分层；
（5）三层防腐层的中间粘结剂或环氧粉末层缺失引起的，缺失层造成防腐层间粘结缺陷形成翘边；
（6）堆放（过程）环境引起防腐层翘边。
防腐层翘边实际上是防腐层端部变形。凡材料变形均有应力作用，在3PE防腐钢管防腐层成型过程中，可导致防腐层端部产生翘边的作用应力只有纵向冷却成型收缩残余应力，且只有在纵向冷却成型收缩残余应力大于材料间界面粘接强度时，才会发生防腐层翘边。此外，防腐层端部边沿实际上是收缩残余应力作用的应力集中区域，周向冷却成型收缩残余应力是向钢管侧收缩，有利于防腐钢管防腐层粘贴紧密，而导致材料间界面粘接强度小于成型收缩残余应力则取决于各防腐层成型过程的各种各样的影响因素，层间材料的内聚破坏产生的剥离应力，同样造成层间防腐层的剥离，从而引起翘边。而导致材料间界面粘接强度小于成型收缩残余应力则取决于各防腐层成型过程，除与三层PE防腐成型的设备以及材料有关外，与成型工艺、外界环境等各个方面的因素密切相关。
2.1 前处理造成缺陷
钢管表面污物（未处理或二次污染），在钢管表面与环氧粉末间形成隔离物膜，导致熔结环氧粉末与加热钢管界面间未形成有效粘接，容易形成整体防腐层翘边，见图3。
2.2 加热条件造成翘边
钢管加热温度低于环氧粉末熔融所要求的温度条件，导致静电附着于钢管表面的部分或全部环氧粉末未熔融，难以在钢管的基体表面进行熔态浸润和化学键合，导致环氧粉末与钢管界面间未形成有效粘接。此外，在喷粉过厚、粉末颗粒度不均或过大时，即使钢管加热温度达到要求，但因成型到冷却时间间隔设置较短，传导热来不及使粉末完全有效熔融，也会导致此类缺陷形成，宏观表现为粉末层内聚破坏。产生原因如下：
（1）中频设备设计缺陷，未考虑钢管的传动速度、钢管的壁厚，无法确保钢管加热的电流透入度。
（2）钢管加热过程中，多采用红外线测温仪测量钢管温度，由于受到漫反射、测量距离等影响，所测温度与实际有一定的差距。
（3）管接头设计缺陷，见图4，管接头保证钢管的连续稳定传动，采用等厚壁钢管车制或钢板卷板而成。中频感应加热为透热过程，管接头与钢管的接触面位置大于在防腐层端头规定预留尺寸时，使得钢管的壁厚增加，虽表面预热后初步达到粉末胶化规定温度，但在进入粉末喷涂前的时间里，由于热传导引起温降，则管外壁温度有可能低于粉末胶化温度，即便达到胶化温度，粉末喷涂完成后，热继续向内传导，表面温度持续降低，则在胶化时间内未胶化，此时环氧粉末防腐层会与钢管脱粘或与中间粘结剂脱粘。
图4 管接头设计缺陷示意图
（5）环境温度较低，保温措施不当，引起钢管表面散热加剧，同样造成粉末未胶化缺陷。
2.3 工艺过程造成翘边
（1）管端缠纸造成翘边，见图5。为方便管端部位的聚乙烯层打磨，采用缠纸方式在环氧粉末与钢管之间形成隔离层，若隔离纸超过预留宽度，就会形成隔离翘边。
（2）粉末胶化引起翘边。三层PE成型对传动速度要求非常严格，要求必须在粉末胶化状态下完成中间粘结剂的缠绕或包覆，粉末胶化的时间比较短，钢管的传动速度必须与粉末胶化时间匹配，钢管传输速度过慢，则可能出现粉末已经固化后进行中间粘结剂涂覆，过快则粉末未胶化，这些都会造成中间粘结剂与环氧粉末层分层。
（3）粉末固化引起翘边。钢管表面温度过高，环氧粉末固化反应太快，中间粘结剂包覆前，环氧树脂官能基团过度消耗，失去和胶粘剂的化学键结合，并可能发生轻度焦化，降低中间粘结剂与环氧层的化学键，此时极易造成防腐层翘边的形成。
（4）欠粉区域出现造成翘边，见图6。喷枪堵塞、粉箱缺粉、空压机偷停、喷枪距离钢管表面太远等，造成静电粉末喷枪停喷，则引起欠粉现象区域出现，只涂覆了中间粘结剂层和聚乙烯层，形成缺陷。
（5）中间粘结剂欠搭接造成翘边，见图7。此类缺陷只见于缠绕成型工艺，当钢管的传输速度过大或挤膜速度过慢，中间粘结剂带拉伸变窄，导致缠绕出现欠搭接，聚乙烯带与环氧粉末层直接搭接，影响粘接强度。此类缺陷表观看似聚乙烯挤出带翘边，实际上是中间粘结剂成型引发的质量缺陷。
图5 缠纸引起翘边缺陷图图 6 欠粉引起翘边图图 7 欠胶翘边图
由于钢管存在挠度，或钢管管口不圆，使两根管子连接处出现错口，钢管表面和中间粘结剂的相对位置出现波动，中间粘结剂膜过度拉伸，膜片终点宽度过窄，出现中间粘结剂欠搭接；带挠度的钢管使管端、甚至管中部上下起伏中间粘结剂膜受到的拉伸力时大时小，也会出现中间粘结剂欠搭接。2.4 原料之间粘接引起分层
分层的原因是层间融合不好，当使用材料的熔体强度低而又追求焊道厚度时，不得不降低聚乙烯的挤出温度，温度低造成层间融合不好。大口径无缝钢管蓄热量大，缠绕包覆后不易冷却使得加工只能在相对低的钢管线速度、相对低的挤出温度下进行，以避免包覆层因温度高在短时内冷却不下来而造成后续传动轮在防腐层上赶压出轮胎印，所以大口径无缝钢管易出现此现象。
中间粘结剂塑化状态不好或聚乙烯挤出带胶塑化状态不好，亦会导致中间粘结剂膜与环氧粉末底漆粘接强度不足；碾压辊轮因设计缺陷或长时间使用压力不足时，造成膜之间无法压接密实，同样引起分层缺陷。见图8。
2.5 露天堆放形成缺陷
还有一类防腐层端部翘边并不发生在成型过程中，而是在产品成型后，经长期露天储存过程中发生的。该质量缺陷产生的内因仍是材料成型时形成的残余应力。在成型过程中，翘边形成相当于残余应力被松弛掉，但如果未形成翘边（如粘接强度略大于残余应力）则残余应力被存留在材料中，该残余应力的松弛过程是一个长时间过程。外因则是环境条件的作用，当成型管长时间露天堆放时，管表面存留的雨水会沿防腐层搭接界面渗透扩散，导致界面间粘接强度降低。风力对防腐层搭接的剥离作用亦会导致界面间粘接强度降低等等。因为 3PE防腐钢管防腐层在露天堆放时随气温的变化产生热胀冷缩，PE层的热胀冷缩程度与钢管不同，而且PE层坡口较薄，反复膨胀使PE层产生疲劳，从而在坡口处形成翘边，见图9。
钢管端头裸露部分，受到潮湿气体的浸蚀，发生腐蚀，产生腐蚀氧化产物，并且通过水分渗透，氧化物向端头防腐层扩展，从而引起防腐钢管防腐层下腐蚀，造成防腐层脱粘，引起翘边，见图10。
图8 层间翘边图 图9 长期堆放造成防腐层翘边图 图10 堆放造成翘边图
3PE防腐钢管防腐层间粘结决定了防腐层质量，需要从设备的最初设计入手，选购合格的防腐用材料，严格的加工工艺，以减少防腐层翘边现象的出现。
