管道补口技术与FBE及3LPE防腐层的适用性

管道补口技术与FBE及3LPE防腐层的适用性Field Joint Developments and Compatibility Considerations加拿大Canusa-CPS公司Dilip Tailor等王向农 译在2004年5月比利时国际管道技术会议上的报告摘要：管道工程师选择适宜的管道防腐层时，需要仔细分析相关技术参数，诸如管径、钢材等级、操作压力和温度、土壤和现场条件、施工技术、回填料、阴极保护与监控方案等。常把新型防腐层产品的可行性作为这个设计过程的一部分来考虑。因为事实上，在管道铺设和以后的使用条件下，工厂预制的干线管道防腐层与现场施工的防腐层补口将承受完全相同的应力作用。因此，选用新技术时，必须考虑到现场焊缝补口技术与选择的工厂预制的干线管道防腐层之间的适用性。本文叙述了干线管道防腐层与现场焊缝补口技术的现状与发展趋势，重点论述两者之间的适用性与工业试验项目的状况。一、 引言干线管道防腐层与现场焊缝补口防腐层的选择是不同的。对于陆上管道，通常可选择的管道防腐层有单层熔结环氧粉末、双层熔结环氧粉末、三层聚乙烯（3LPE）和最近新增的多层聚丙烯（MLPP）。采用最广的现场焊缝补口防腐层有熔结环氧粉末（FBE）、液体涂料和热缩套。选择适用于干线管道防腐层的现场焊缝补口防腐层的过程需要合乎逻辑的非常可靠的方法。例如，在采用熔结环氧粉末（FBE）防腐层的干线管道上，选用熔结环氧粉末（FBE）现场焊缝补口防腐层；而在采用三层聚乙烯（3LPE）防腐层的干线管道上，选用三层热缩套作为现场焊缝补口防腐层，这样的选择就是比较合乎逻辑和比较可靠的。本文讨论了不同区域防腐层的选择倾向，阐述了不同技术的优缺点，着重探讨了不同防腐技术之间的适用性。人们已经在不同防腐技术之间的适用性方面做了大量研究，如由于环氧与聚乙烯基本极性的不同导致防腐层的附着力很差。本文还探讨了模拟防腐层施工与使用条件下不同防腐技术之间的适用性研究。二、 干线管道防腐层发展趋势有时候，如果可选择方案的范围很宽，会使干线管道防腐层的选择变得比较复杂。过去六十多年里，管道防腐层经历了一个从热浇沥青和煤焦油瓷漆发展到今天高科技聚合物防腐层的演变过程（图1）。现在的管道工程特别强调采用高性能的管道防腐层，如三层聚乙烯（3LPE）、单层熔结环氧粉末、双层熔结环氧粉末，最近又提出采用多层聚丙烯（MLPP）。图1过去六十多年干线管道防腐层的发展历程干线管道防腐层的选择具有一定的区域特征。例如，在欧洲和中东，大口径管道主要选择三层聚乙烯（3LPE）和多层聚丙烯（MLPP）防腐层。在北美和英国，虽然仍在继续选用熔结环氧粉末（FBE）防腐层，但是多层聚烯烃的用量也在增加（图2）。图2 不同区域选用的干线管道防腐层过去二十多年里，管道工业一直在不断发展着。企业兼并和国际合资企业的发展正在将北美和欧洲的管道防腐层理念从它们的发源地向其他地区推广。但是，总的趋势依然维持在适宜的程度上。对于欧洲的或者美国的管道工程师，也许他们更愿意各自选择三层聚乙烯（3LPE）和熔结环氧粉末（FBE）防腐层。而从全球来看，多层聚烯烃防腐层系统占有的市场份额比熔结环氧粉末（FBE）防腐层多。如果在某一区域，从一种防腐层转向改用另一种防腐层时，会否存在适用性问题呢？大多数人赞同这样的观点：三层聚乙烯（3LPE）防腐层比熔结环氧粉末（FBE）防腐层更坚固耐用。在那些交通基础设施比较薄弱、常有野蛮装卸和施工问题发生的地方，可能更适宜选择三层聚乙烯（3LPE）和多层聚丙烯（MLPP）防腐层。熔结环氧粉末（FBE）防腐层之所以在北美广泛采用，部分原因就是现代化的交通基础设施和成熟的施工技术，足以保证采用熔结环氧粉末（FBE）防腐层的管道在运输和施工中较少损伤。管道工程师了解这些方方面面的情况，所以，针对管道所在区域的实际情况，他们能够选择最适用的防腐层。假定选择的防腐层能够满足设计要求，并且适用于该地区的实际条件，那么，管道工程师该如何选择适宜的现场焊缝补口防腐层呢？不同的供应商会积极推荐他们特有的补口方案的特点与优势。三、 现场补口技术的发展现场补口防腐层（FJC）系统决不可成为整个管道系统的薄弱环节。至少，它必须提供与干线管道防腐层相同的或者更好的保护，为此目的，它必须完全适用于干线管道防腐层并且与其具有相似的特性。假如不将干线管道防腐层与补口作为一个完整的防腐系统进行试验，那么，仅仅将现场补口防腐材料作为单独的产品进行试验是毫无意义的。现场补口防腐层的发展确切反映出干线管道防腐层的发展状况。新的干线管道防腐层技术能否被采纳在很大程度上取决于新的成本效益好的补口技术的发展。在过去十年里，现场补口广泛采用三项技术：热缩套、熔结环氧粉末（FBE）和液体涂料（图3）。有些设计人员倾向于在采用熔结环氧粉末（FBE）防腐层的管道上规定采用熔结环氧粉末（FBE）防腐层补口。道理十分简单，因为在理论上，补口系统与干线管道防腐层系统是完全一样的。但是，现场涂敷熔结环氧粉末（FBE）却是这样的防腐系统的主要薄弱环节。现场施工需要使用昂贵的设备和熟练的工人。那些大型管道防腐工厂采用先进的工艺设备涂敷干线管道的熔结环氧粉末（FBE）防腐层。但是，管道沿线的现场施工条件是千变万化的，所以令人怀疑现场涂敷的熔结环氧粉末（FBE）防腐层能否达到工厂预制的熔结环氧粉末（FBE）防腐层那样高的质量。图3 现场焊缝防腐层补口技术的发展历程双组分液体环氧涂料已经得到那些原先首选现场涂敷的熔结环氧粉末（FBE）防腐层补口的工程师的青睐。最近，液体环氧已经配制成特别适合现场施工的配方，它们的性能可以与工厂预制的熔结环氧粉末（FBE）防腐层媲美。但是，液体环氧仍然有些需要解决的问题，例如，寒冷天气的施工问题、施工人员的技术熟练程度问题、涂膜厚度差异问题，以及涂料损耗问题。在采用三层聚乙烯（3LPE）防腐层的干线管道上，选择现场焊缝补口防腐层时，需要对工程有更全面的考虑。在这些系统中，管道焊缝防腐层补口的长期有效性必须适用于四种不同的底材：钢材、熔结环氧粉末（FBE）底漆、共聚物胶粘剂和聚乙烯面层。四、 在三层聚乙烯（3LPE）防腐层上现场焊缝防腐层补口的试验过去两年里，我们公司实施了一项试验计划，仔细检查了采用三层聚乙烯（3LPE）防腐层的管道上各种现场焊缝防腐层补口的性能特征。接受试验的包括两种有代表性的液体环氧系统、一种液体煤焦油聚氨酯补口材料和两种热缩套（HSS）。独立的试验人员制备了全部样品，并且按照每种涂料的制造商书面说明进行了涂敷。伸长率试验是按照Transco CW6标准在75的温度下老化56天之前及之后进行的（图4）。（译注：Transco CW6-1:1993采用熔结环氧粉末和有关防腐层系统的管道钢管与管件的外防护技术标准 第1部分：涂料要求与试验方法）。通过热老化前后试验结果的比较，发现热缩套或者液体环氧涂料没有明显的变化。热缩套样品维持它们极好的500%断裂伸长率，而液体环氧涂料维持它们1.5%的伸长率。聚氨酯样品的伸长率明显下降，经过56天老化后，伸长率从初始的14.7%下降到1.2%。研究人员猜测可能是煤焦油聚氨酯中增塑剂的流失，致使涂料在加热老化过程中变脆。图4 试验结果：热老化对涂料伸长率的影响按照Transco CW6标准，在65温度下进行了28天的阴极剥离试验（图5）。两种环氧涂料的抗阴极剥离性能优于煤焦油聚氨酯。热缩套的剥离小于2 mm，表明其比液体涂料有更好的抗阴极剥离性能。图5试验结果：在65温度下的阴极剥离按照Transco CW6标准，在正常室温下，分别在1.0%、1.7%、3.0%应变下进行了柔韧性试验（图6）。认为热缩套的性能极好，因为两种热缩套样品在应变超过3.0%的情况下，弯曲后依然牢牢粘附在钢材上和聚乙烯底材上。由于接受试验的环氧涂料的脆性特征，两种环氧涂料样品在1.0%应变下都失效了，而聚氨酯涂料在1.7%应变下也失效了。在所有事例中，液体涂料在关键的聚乙烯与钢材之间的过渡部位发生失效。图6 试验结果：弯曲柔韧性试验另一轮试验是按照Transco CW6标准，在50热水里浸泡28天后，测试这些补口系统在聚乙烯上的附着力（图7）。试验人员是这样评价的：“在刚涂敷好的状况下，液体涂料显示与聚乙烯底材的初始附着力十分差。热水浸泡后，液体涂料显示很差的附着力。”“在刚涂敷好的状况下与热水浸泡后，热缩套都显示与聚乙烯底材极好的附着力。撬开后，热缩套的胶粘剂层以粘聚形式剥下来，而胶粘剂依然牢牢地附着在整个聚乙烯底材上。”图7 试验结果：热水浸泡对涂料附着力的影响从适用性看，与聚乙烯底材的附着力更值得考虑。众所周知，三层聚乙烯（3LPE）防腐层系统包括环氧树脂底漆层、共聚物胶粘剂层和聚乙烯面层。环氧树脂底漆起到基本防腐作用，而外层聚乙烯起到抗损伤的铠甲防护作用。中间胶粘剂层除了增强三层聚乙烯（3LPE）防腐层系统总体的防腐保护特性外，其主要作用是使非极性的聚乙烯与极性环氧树脂之间达到最大的粘结效果。五、 模拟大型工业化试验在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上，如果将熔结环氧粉末（FBE）或者液体环氧涂料涂敷在聚乙烯上显然是不适用的。虽然环氧树脂常作为基本底漆层，但是，它们缺乏胶粘剂和聚乙烯具有的密封与机械保护作用。多项研究已经证实了这种不适用的性能问题。Espiner的报告（NACE03046）详细叙述了为评价三层聚乙烯（3LPE）防腐层系统和熔结环氧粉末（FBE）在下列作业中抵御损伤的能力而进行的模拟的工业化试验计划：l 回填（冲击试验）l 埋地状态下的静载荷应力（针入度试验）l 埋地状态下的管子移动（耐磨性试验）在整个试验计划实施中，选择了不同硬度和大小的回填料与管沟垫底砂石料。所用的四种砂石料是砂土（最软的）、石灰石、火成岩和白石英（最硬的），颗粒大小分别为5 mm、20 mm、40 mm和100 mm。试验在壁厚12.7 mm的914 mm管子上进行的，设法提供实际可行的真实寿命模拟结果。为了说明两种类型防腐层特性的不同，只用20 mm大小的砂石进行了下列试验：熔结环氧粉末（FBE） 三层聚乙烯（3LPE） 冲击试验失败通过针入度试验失败通过耐磨性试验失败通过这些结果清楚地表明，假如在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上采用熔结环氧粉末（FBE）或者类似的液体环氧涂料作为现场焊缝防腐层补口，那么在补口部位会发生严重的损伤。如果能够仔细分选现场补口部位的回填砂石，有可能解决这个问题，但施工成本会相当高。Espiner的报告还介绍了对回填作业过程中环氧涂料抗冲击特性的重要观察结果。报告说，“按照涂料制造商引用的冲击能量数值，如果砂石从3 m高处沿着冲击斜槽落下，可以预期20 mm大小的砂石（仅根据其重量）是不会造成熔结环氧粉末（FBE）防腐层破损的。然而，大型工业化试验涉及多次冲击，所以认为这些会造成防腐层因压痕或者磨损而减薄厚度。因此，可以预期防腐层减薄后只能承受较小的冲击能量。”这样的现象可能是环氧树脂脆性的结果，这与聚乙烯能够吸收冲击能量的“韧性”形成鲜明的对比。如果在两侧是“韧性”的三层聚乙烯（3LPE）防腐层的管道上，补口采用环氧树脂这样的“脆性”材料时，甚至受到小砂石的反复冲击作用，环氧树脂就会片落，那么由此造成的后果就不难理解了!为确保设计管道具有理想的长使用寿命，在选择补口系统时，大型工业化试验和长期试验就显得非常重要了。尽管环氧树脂和热缩套已经在熔结环氧粉末（FBE）防腐管道上有良好的补口记录，但是在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上单独使用熔结环氧粉末（FBE）补口还是个新概念，只进行过有限的短期试验。这样的设计方案蕴涵着极大的风险。这样的补口能够满足30-40年的设计使用寿命要求吗？六、 不适用的防腐材料选择的后果现场焊缝防腐层补口必须适用于所选用的干线管道防腐层的性能要求。一项全面的工程评价将包括施工与使用中的种种影响因素，如下管和回填过程中补口防腐层可能受到的外力、各种动载荷与静载荷、防腐层现场涂敷作业的限制条件、漏涂点检测技术和阴极保护设计等。热缩套已经广泛用在低温施工环境中。虽然液体涂料能够在温暖的气候里在熔结环氧粉末（FBE）防腐管道上涂敷施工，但是，一般在低于10的温度下，环氧树脂就难以固化。在北美地区，人们已经开发出这样的技术，能够在冰点以下的温度下，在熔结环氧粉末（FBE）防腐管道上涂敷液体环氧涂料并使之固化。但是，这项技术要求在涂敷环氧涂料前，将裸露的钢管焊缝部位预热到65以上。在寒冷天气里，要将环氧树脂涂料涂敷在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上，这是项独特的挑战。如上所述，当环氧树脂涂料涂敷在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上时，环氧树脂涂料会在钢材部分固化，但是足够的预热未必能够传到聚乙烯防腐层上实现固化。需要二次处理才能使环氧树脂涂料在聚乙烯防腐层上固化。正如实验室装置所演示的那样，环氧树脂涂料内物理性能的变化会改变防腐保护特性。另一个实际操作中要考虑的适用性问题是漏涂点检测。假如干线管道于现场焊缝补口采用不同的防腐材料，在管道全线进行漏涂点检测时，每到补口部位就必须对检测仪进行必要的调整。例如，三层聚乙烯（3LPE）防腐层通常是在10000伏特电压下检测漏涂点的，而环氧树脂涂料防腐层应在低于5000伏特的电压下检测漏涂点。麻烦的问题是每个现场焊缝补口部位必须重新调整漏涂点检测仪，而令人头痛的是100 km长的管道上可能需要手动调整漏涂点检测仪15000多次。这不仅是个麻烦问题，而且，万一不慎使环氧树脂涂料防腐层处于三层聚乙烯（3LPE）防腐层所需要的高电压下，很容易造成防腐层击穿，特别在钢材与聚乙烯的过渡区域。防腐管道下沟时，管子弯曲力必须维持在干线管道与现场焊缝补口防腐层的操作限度以内。正如上文讨论到防腐材料的柔韧性问题，环氧树脂涂料与热缩套的柔韧性及伸长率有很大不同。由于坚韧性较差，所以，在防腐管道下沟作业过程中，环氧树脂涂料比热缩套更容易被损伤。还有一个问题是防腐管道下沟时需要考虑的，就是过渡区域的应力。三层聚乙烯（3LPE）防腐层与环氧树脂涂膜厚度差别很大，形成鲜明的过渡区域，在此部位，动态作用力明显增强。在防腐管道下沟时下管架托辊产生的应力或者管道运行中管子移位产生的应力，都会对这个明显的过渡区域产生很大影响，很可能损伤防腐层，尤其是又薄又脆的环氧树脂涂膜。包括英国赫瑞瓦特大学在内，几家实验室有能力进行下管架托辊试验，模拟产生的这些应力。考虑到它的脆性特点，环氧树脂涂膜可能产生裂缝，通过其横截面，一直裂到钢管表面（图8）。图8 在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上补口材料的适用性有些腐蚀工程师已经注意到阴极保护电流集中在补口部位的特性，以及对阴极剥离的影响。Mortimore是这样描述他的关注的：“在强制电流阴极保护系统正常的操作电位下，要把足够的电流送到三层聚乙烯（3LPE）防腐层的针孔下是非常困难的，只有较大面积外露的钢材才能够得到保护。在聚氨酯和环氧涂料薄膜中的针孔将得到阴极保护的有效保护。但是，阴极保护电流总是选择电阻最小的通道，这能够导致在这些涂膜的损伤部位有过多的保护电流，由此造成渗透性泵效应、下凹咬边和剥离。”七、 环氧树脂与聚乙烯之间的不适用性环氧涂料与聚乙烯没有天然的亲合性，所以不会粘结在一起，因为环氧树脂有很高的极性，而聚乙烯属于非极性材料。这个事实暗指实质上存在的管道防腐层成本问题。假如环氧涂料与聚乙烯确实能够粘合在一起，这样可以省去昂贵的胶粘剂层，有望大幅度节省费用。但是，至今还没有经过证实的这样的技术。现在人们已经普遍认识到环氧涂料与聚乙烯很差的附着力问题。有的制造商提议在管端预留焊接部位将三层聚乙烯（3LPE）防腐层的熔结环氧粉末层露出来，然后，在现场将补口的环氧涂料搭接和粘结到管端外露的三层聚乙烯（3LPE）防腐层上。这个方案试图使补口达到与北美干线管道采用的双层熔结环氧粉末一样的成功。但是，这并没有减缓上述环氧涂料在三层聚乙烯（3LPE）防腐层上的适用性问题。要在管道防腐厂使管端预留焊接部位的三层聚乙烯（3LPE）防腐层的熔结环氧粉末层露出来涉及复杂的工艺问题，会增加总的防腐成本。在工厂预制的防腐管子储存和运输过程中，管端预留焊接部位这样外露的熔结环氧粉末薄涂层的损伤变质将成为需要关注的新问题。人们已经观察到熔结环氧粉末防腐管道在户外储存时，在紫外线照射下，环氧涂层会发生粉化。造成的涂层厚度减薄问题主要发生在管端熔结环氧粉末防腐层，每年可损失50微米之多。考虑到管端熔结环氧粉末防腐层的薄膜特征，发生水侵和三层聚乙烯（3LPE）防腐层下凹咬边问题也是可能的。施工期间，焊缝部位进行喷砂清理时要保护管端熔结环氧粉末防腐层是很困难的。管端熔结环氧粉末防腐层一般只有50 150微米厚，比厚度超过350微米的干线管道单层熔结环氧粉末防腐层薄得多。因为太薄，喷砂清理时很容易除去管端的这层熔结环氧粉末防腐层，由此带来的最大危险是可能使聚乙烯的边、胶粘剂和三层聚乙烯（3LPE）防腐层系统的熔结环氧粉末底漆层暴露在土壤或水环境中，此时补口部位的环氧涂层可能脱离三层聚乙烯（3LPE）防腐层。当水从三层聚乙烯（3LPE）防腐层下面渗进时，就会抵消管道防腐层的防腐作用，而使钢管发生腐蚀。人们曾经进行了大量的研究工作，目的是不要三层聚乙烯（3LPE）防腐层中的胶粘剂层。这涉及某些形式表面特性的改性，使聚乙烯与环氧涂层之间长期稳定地粘结在一起。已经探索的方法包括加热、光照、化学处理和其他改变表面能的方法。所有这些方法已经证明不适合在管道防腐厂里采用，也不适合更加多变的现场条件。处理方法涉及高毒性化学品和相当危险的操作方法，这些已经超出了实验室控制环境的能力。至今还没有证实任何一项安全的适合现场采用的技术。八、 适用的现场焊缝防腐层补口材料在熔结环氧粉末（FBE）防腐管道上，现场焊缝防腐层补口采用熔结环氧粉末或者液体环氧涂料都是适用的。适宜的三层热缩套也是完全适用的，因为其采用的环氧底漆具有类似防腐功能，而热缩套增强了对工厂预制的熔结环氧粉末防腐层的机械保护。图9适用于三层聚乙烯（3LPE）防腐层的热缩套的横断面热缩套结构与三层聚乙烯（3LPE）防腐层相同，也包括环氧底漆、胶粘剂和聚乙烯面层（图9）。由于两者的适用性，现场容易施工、有可靠性使用记录，所以，热缩套成为当今管道工业普遍采用的现场补口材料。九、 结论1.三层聚乙烯（3LPE）和熔结环氧粉末（FBE）是当今主要管道防腐材料，选择哪种管道防腐层取决于管道的实际需要、施工条件和当地技术规程。2.现场焊缝防腐层补口与干线管道防腐层的适用性是建立高效的管道防腐系统的重要因素。3.对于熔结环氧粉末（FBE）防腐管道，已经证实有效的现场焊缝防腐层补口方案包括液体环氧涂料、热缩套和现场喷涂的熔结环氧粉末。4.在三层聚乙烯（3LPE）防腐管道上广泛采用热缩套，因为已经证实它们适用于三层聚乙烯防腐层，并且有大量使用记录。5.由于技术上的差异，液体环氧是否适用于三层聚乙烯（3LPE）防腐管道，能否作为现场焊缝防腐层补口材料依然是个疑问。6.应当进行现场焊缝防腐层补口材料与干线管道防腐层的长期附着力试验并且模拟回填与埋地条件的特性，才能够确认现场焊缝防腐层补口材料与干线管道防腐层的适用性。如果仅仅进行短期试验对防腐材料进行质量评定，那么实际可用范围是有限的。参考文献：1. Espiner, R. et. al., “Optimization of Pipeline Coating and Backfill Selection”, NACE Corrosion 2003 2. Cox, J. W., “Three Layer High Density Polyethylene Exterior Pipeline Coatings: Job References And Case Histories”, BHR s 14th International Conference on Pipeline Protection, 2001. 3. Andrenacci, A., et al, “New Developments in Joint Coating and Field Repair Technology”, NACE Corrosion 1998 4. DIN 30670, “Polyethylene Coatings of Steel Tubes and Fittings, Requirements and Testing”, 1991, Deutsches Institut fr Normung 5. Transco Techni