油气管道外防腐补口技术研究综述.doc

油气管道外防腐补口技术研究综述* 收稿日期：2008-3-22；修订日期：2008-3-30；第一作者简介：古小平（1962-），男，汉族，四川内江人，高级工程师。现任内江市天然气总公司总工程师，学士学位。主要从事油气管道设计、施工、安全运营等技术管理工作。古小平1 龙东2 邱永波2 赵忠刚3（1.内江天然气石油总公司 四川内江 641000；2.四川科宏石油天然气工程有限公司川中分公司 四川遂宁 629000；3.中国石油天然气管道科学研究院 河北廊坊 065000）摘要：油气管道的腐蚀是造成管道事故的主要原因之一，而管道外防腐补口更是关系到整条管道的防腐质量，是管道建设的重要环节。本文把外防腐补口技术按照胶带型和涂敷型进行了分类归纳，对当前流行使用的大多数补口防腐技术各自的性能特性、使用范围、工艺特点等都做了详细分析，这将有利于管道补口防腐材料以及方法的比选和进行相关决策。最后，讨论了今后开展管道外补口防腐研究所要面临的问题及其研究方向。关键词：补口 外防腐 油气管道油气管道的腐蚀严重影响油、气、水集输系统的可靠性及使用寿命，是造成管道事故的最主要原因。管道施工时，焊接热源的高温将焊缝两侧防腐涂层烧焦或破坏脱落及焊接应力、成分、物化性能的不均匀性，使接头处的腐蚀增加；再加上由于受当时当地现场施工环境的限制，无论是从焊口部位的表面预处理，还是补口部位涂层的涂敷工艺过程来看，由于环境气温、湿度、施工程序及其诸多条件的制约，往往造成管道在这些部位的防腐质量难于得到高质量的保障。因此，管道防腐层现场补口及补伤是管道建设的重要环节，它关系到整条管道的最终防腐质量。于是对管道补口外防腐方法进行归纳，通过对不同补口防腐工艺优缺点的详细分析，有利于补口防腐材料的比选；同时有利于今后推陈出新，为满足当前管道建设条件的补口外防腐新工艺和补口新装备的研制提供决策支持。1、外防腐层补口技术概述随着管道防腐技术的发展，再加上各种新型涂料和涂敷工艺不断开拓和采用，外防腐层补口方式的选择也越来越呈多样化。目前国内外常用的管道外防腐层补口材料包括：石油沥青、煤焦油瓷漆、环氧煤焦油、聚乙烯胶带、聚乙烯电热熔套、不加热收缩套及复合结构等1。由于当前的环保要求和生产实际，某些已经开始退出市场应用，如石油沥青。纵观当前的管道补口方式发展脉络，我们可以大致把补口形式分为两大类，一种是胶带型补口技术，如收缩带（带）补口、冷缠胶带补口和热熔胶补口等，这种技术受管材母体所采用的防腐层材料的制约较小；另一种涂敷型补口技术，如环氧高聚物涂层、聚氨酯泡沫夹克管补口等。这种技术日益成为当前补口方式的主流，这是因为防腐需要考虑到与管材母体防腐层的材料选择的一致性，而涂敷型补口技术可以更好的满足这种要求。2、胶带型补口技术2.1收缩套（带）补口收缩带补口分热收缩带型和不加热型，其中前者较常用。A 热收缩带补口热收缩套（带）补口式在喷砂除锈的基础上进行管体预热，再将涂有溶胶的热收缩套敷于补口位置，通过外部加热，使其环向收缩拉紧并粘结在补口位置。新的补口工艺又在热收缩套与管体之间涂敷一层双组分环氧基液涂料，目的是为了提高补口段的防腐性能，使其更加安全可靠。表1为常见热收缩带性能指标2。表1 常见热收缩带性能指标Table 1 The material properties of heat shrinking sleeve项目指标试验方法拉伸强度（MPa）17GB1040断裂伸长度（）400GB1040维卡软化点()90GB1633脆化温度()-65GB5470电气强度（MV/m）25GB1408体积电阻率（）1103GB1410耐环境应力开裂F50（h）1000GB1842耐化学介质浸泡SY/T4013附录C耐热老化（150，168h）拉伸强度（MPa）14GB1040断裂伸长度（）300GB1040目前对3PE涂层的补口，普遍采用热收缩套进行补口。热收缩套补口方法分为二层热收缩套和三层热收缩套，三层热收缩套的补口工艺为（二层热收缩套补口工艺中不刷底漆，其它同三层热收缩套的补口工艺）3：人工喷砂除锈端头防腐层打毛浮锈吹扫钢管预加热涂底漆缠热收缩带（套）烘烤质量检验对不合格的补口进行重新补口热收缩套（带）补口有着很多优点：与管体涂层结合好，适用范围广（可用于单层环氧粉末、双层环氧粉末、2PE和3PE涂层、泡沫黄夹克等防腐层的补口）；对操作人员技术要求较低，只需经厂家一般培训即可；所需设备少且价格低，综合费用较低。它的缺点也是显而易见的，主要表现在：采用手动机具进行除锈和喷涂，易产生除锈不彻底、粗糙度和涂层厚度都不均匀的现象，使涂层质量不能保证，涂层附着力不强，容易泄漏进水，缩短管道使用寿命。开放式喷砂作业形成的大量粉尘和人工烘烤热收缩套（带）产生的有害气体，对环境污染严重。除锈作业和烘烤收缩套（带）均为人工操作，工艺复杂，工人劳动强度和操作难度都较大，对操作技术要求较高，需进行严格的培训。费工费时，成本高。以西气东输工程干线D1016mm管的补口为例，每道口平均需要六个工人共60min才能完成，施工费2500元。B 不加热型收缩带补口4不加热收缩带是中国石油天然气管道科学研究院专为3PE防腐涂层开发的一种管道补口材料，由底漆、内层防腐黏结片和外层高分子聚合物收缩带组成。其中高聚物收缩带是利用高聚物吸收溶剂后产生溶胀，溶剂挥发后自行收缩的原理制成的。使用时先涂敷底漆，待底漆表干后包覆内层防腐黏结片，然后将经溶剂浸泡产生溶胀的外层高聚物收缩带包裹在防腐黏结片外层，待溶剂完全挥发后，收缩带自动恢复到溶胀前的尺寸，与内层黏结片及底漆共同形成密封良好的保护层。不加热型收缩带其关键技术为底漆、黏结片的研制。底漆的主要作用是提高补口涂层的抗阴极剥离性能和与黏结片的剥离强度。考虑到目前常用的补口涂层结构，研制了无溶剂环氧底漆和溶剂型快干底漆；内层防腐黏结片由增强纤维和胶黏剂组成，结构为胶黏剂+增强纤维+胶黏剂；不加热收缩片赋予中间层胶片恒定均匀的收缩力，增加和保持胶层与底漆的黏结性；同时收缩片能够与胶层黏结为一体，提高了补口结构的机械性能和防腐性能。2.2冷缠胶带补口冷缠胶带补口相对热收缩带来讲，减少了烘烤使其收缩的过程，在工序上有了一定简化。典型应用就是热复合型胶带的冷缠防腐补口5。热复合型胶带由底胶带、耐蚀带、保护带和补口带组合而成：底胶带。以丁基橡胶为主体配成，可增加胶带与钢管之间的粘结力，它本身又是一种性能优异的腐蚀抑制剂。耐蚀带。以PE薄膜和丁基橡胶为主体的耐蚀胶热带复合而成，厚度达0.6mm，用于管道的防腐蚀绝缘。保护带同耐蚀带材料一致，厚度达0.65mm，强度高，起到保护耐蚀层的作用。补口带材料液同耐蚀带和保护带。胶层厚达0.80mm，用于管道的防腐蚀绝缘。其施工工艺分两部分，首先为预制：除锈涂底胶缠内带下沟前电火花检测下沟后电火花检测；其次为补口：除锈涂底胶缠补口带电火花检测；其次为现场施工：将钢管两端架在带有轴承的支架上使之能够灵活转动，再用要把卡住管壁，人工转动钢管，用电动钢丝轮除锈，涂底胶然后缠带。使用这种胶带的实践证明它有着许多优良性能，比如：具有极好的耐水性及抗氧化性能，吸湿率小于0.02；具有很高的绝缘性。击穿电压为40KV/mm，耐腐蚀层电阻率为11012；胶带的阴极剥离率极低，具有可靠的保护电位，对钢管的粘结力很强，耐穿透力和耐冲击力也很高；胶带体系不仅防腐蚀效果好，而且耐碰撞性能佳；在钢管上缠绕后能立即产生防护功效，无需养护期，适合现场作业；胶带耐温范围广，在-3080温度范围内使用性能稳定；施工简便，操作安全卫生。但这种冷缠胶带补口方法在搭接部分易储存空气，给防腐带来隐患。其次，夏天施工温度较高时，冷缠胶带极易在钢管表面滑动，其胶的寿命也影响防腐质量。2.3热溶胶补口该方法通常是用夹具将补口片（聚乙烯片）与聚乙烯防护层压紧，然后采用电热丝加热的方式，使补口片与聚乙烯防护层熔接在一起。优点是补口强度较热缩法有所提高；缺点是由于补口片没有收缩性，而压紧用的刚性夹具的自如伸缩性能又较差，影响了密封性能。表2为某种热溶胶的性能指标。表2 热熔胶性能指标Table 2 The material properties of thermosol项目指标试验方法软化点（环球法）（）脆化温度（）90-15GB4507GB5470剥离强度（N/cm）PE/PE25PE/PE 502PE/Fe25PE/Fe 50240154015GB2792冀东油田设计工程有限公司和中国石油工程技术研究院共同研制开发的电热熔缩复合补口技术是针对现行的几种硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温管道聚乙烯防护层补口方法的缺陷和不足而研制开发成功的一种全新的补口技术6。该技术的核心材料复合补口带是由多种不同性质的材料构成，通过电加热，补口带与聚乙烯防护层相互熔溶形成一个有机的整体，补口处的强度高于聚乙烯防护层基材强度，密封性好，补口带外观平整光滑。其结构形式如图1所示。图1 复合补口带结构示意图Fig. 1 The fabric of complex patch-joint sleeve为了降低补口成本，该技术采用了聚乙烯套袖管与复合补口带组合的补口方法，其补口形式见图2，内部结构见图3。图2 复合补口形式示意图 图3 复合补口结构示意图Fig. 2 The forms of complex patch-joint Fig. 3 The fabric of complex patch-joint其具体施工工艺如下：根据管道外径，制造相应管径的套袖管和弹性夹具。在管道接口焊接前，预先将套袖管套在工艺管道上。在工艺管道接口焊接完毕后，进行焊口除锈、防腐及发泡，并将套袖管拉到补口位置。然后，填塞工艺管道聚乙烯防护层与套袖管间的缝隙。缠绕复合补口带，并用弹性夹具夹紧。用专用补口电源加热复合补口带至规定温度。待复合补口带表面温度降至规定温度后，拆除弹性夹具。进行外观质量检查，并对质量不过关的返工。至此全部补口工作完成。这种施工方法的主要优点：由于加大了熔结面积，既使补口部位强度高于防护层基材强度，又增强了结合面的密封性能。由于采用了与补口带同尺寸的特殊加热电极，温升和熔接过程十分均匀，使其严密性优于常用的补口方法。施工技术简单，熔接过程主要由专用夹具及专用补口电源自动控制，因而补口质量不受人为因素影响。由于是均匀加热成型，补口带外观光滑平整。基于可靠的密封质量，可相应提高管道使用寿命30%以上。但是其缺点也是比较明显的：工程造价略高。复合补口技术集热熔与收缩功能于一体，虽然保证了补口质量，提高了使用寿命，但是其价格比热熔法和热缩法均高出较多。部分特殊管段配套处理技术还不完善。在管道三通、弯头煨弯处以及变径接头等部位，由于其结构复杂，尚未使用电热熔缩复合补口，目前只能选用厂家成品部件。3、涂敷型补口技术熔结环氧涂层（简称FBE）从1971年起用于管道工程防腐已经有30多年的历史。其中QSY XQ5-2002规定热收缩套、熔结环氧粉末涂料和液体环氧涂料（无溶剂型）适用于FBE补口。由于其与钢管本体的卓越粘结力和耐化学腐蚀性能，耐阴极剥离性能以及不会造成阴保屏蔽等突出优点，使其成为国内外管道防腐材料的首选涂层结构。FBE涂层尽管具有优异的粘接性能和防腐性能，但其涂层的耐冲击性能较差，在施工中易碰伤。因此其补口、补伤与现场弯头部分的防腐成为FBE涂层的实际工程应用的难点。而美国的帕罗特环氧高聚物涂料用于FBE管道的补口，效果很好。（1）环氧高聚物涂料的防腐性能和特征美国的帕罗特环氧高聚物涂料是以无溶剂的环氧树脂为主成膜物质的双组分常温固化的液体涂料，性能测试参数如表3所示7。将环氧高聚物涂料直接涂覆在FBE涂层上，刮涂一次成膜厚度可超过500mm，能形成一层极为坚硬的机械保护层。在常温下，经过24h的养护，肖氏硬度可达到80，是FBE涂层的2倍，完全可以满足穿越硬度指标的要求。这种涂料作为一种无溶剂的超强环氧聚合物，表现了优异的防腐性能和较为方便的施工工艺，不但有优异的耐磨性和抗冲击性，而且适宜在高温季节施工。表3 环氧高聚物涂层的性能测试Table 3 The properties testing of epoxy polymer测试项目测试结果测试标准附着力（500mm /级）1SY/T 0315粘度/Pa.s8GB/T 1723细度/mm60GB/T 1724干燥时间 表干/min实干/h453GB/T 1728颜色及外观深褐色有光目测硬度/HSD85实测冲击（500mm，常温）/J23.5SY/T 0315固体含量/99GB/T 172510H2SO4(72h)10(72h）3（72h）涂层不脱落涂层无变化涂层无变化GB/T 1763阴极剥离（500mm）/mm4.4SY/T 0315吸收率/1.15SY/T 0447电击穿强度(500mm)/KV.mm-125.0GB/T 1408落沙耐磨(500mm)/L.mm-14.2SY/T 0315（2）环氧高聚物涂层的施工工艺环氧高聚物涂层的施工方法较为方便，可采用高压无气喷涂和手工刮涂的方法。鉴于管道补口不是连续化作业，一般较多的采用手工刮涂的方法，主要的器具包括：涂布工具，如腻子刀和橡胶刮板；清洁工具，如电动钢丝刷、自吸式喷砂机等；调配工具，如手枪钻和搅拌棒；称量工具，如托盘天平和调料桶；检验工具，如肖式硬度仪、干（湿）膜测厚仪、电火花检漏仪等；清洗剂和劳保用品，如丙酮、护目镜、防毒口罩等。环氧高聚物涂层的施工工艺步骤为：焊口检查喷砂除锈表面检查缠胶带纸打磨搭接配料涂敷表面收光外观检查涂层检漏涂层测厚缺陷修补涂层检查硬度测试下沟复测涂层修补检查合格帕罗特涂层虽然满足各项性能指标，但是这种涂层施工工艺程序复杂，当达到规定性能参数所需时间过长，不利于不间断性机械化作业。4、研究展望陆上管道防腐作为管道建设的一个重要环节，发展到今天，已经具备了相当的规模，新涂料、新技术和新设备已经接近甚至达到了国际先进水平。然而对于补口防腐来讲，现有方式并不能够满足当前需要，还需要在以下方向做更深入的研究：（1）如何选择正确的、经济可行的、优质的补口材料，从而避免工程设计与施工的盲目性是当前的一个难点问题，而对涂层的各个指标进行分析是一个复杂的过程，包括有依据的试验评估和相应的工程实践应用效果评价方法等都需要研究。（2）当前管道补口防腐技术大都采用手工或者半自动化作业，如何研制出全自动化的外防腐施工机具装备，减少施工人员的作业强度，提高工作效率，是今后需要研究的重点。（3）当前社会比较提倡环保绿色型材料的使用，而目前在用的管道补口防腐材料的开发与施工过程中，还远远没有达到这个标准，于是今后环保绿色型管道补口防腐材料的研制与施工工艺的设计仍然是任重道远。参考文献：1吴艳阳，郭生武，陈开勋.埋地钢质管道补口材料的选择.全面腐蚀控制，2003，17（3）：31-342蒋爱国，杨惠谷，蒋向红.管道防腐层现场补口及补伤工艺探索.上海煤气，2004（2）：14-163王信，张博蓉，刘建国等.管道外防腐涂层补口新技术.石油工程建设，2003，29（5）：35-364李建忠，刘文军，谢涛等.不加热收缩补口材料的研制.石油规划设计，2006，17（4）：48495安宝成，赵晓峰，史桂军.热复合聚乙烯胶带在埋地管道工程中的应用.石油化工腐蚀与防护，1999，16（3）：45-466马向前，李文清，马起蓥等.硬质聚氨酯泡沫塑料防腐保温管道的电热熔缩复合补口技术.石油工程建设，2001（3）：30-337方伟，冯万红，朱玉.环氧高聚物涂料在管道防腐蚀中的应用.腐蚀与防护，2002，23（8）：371-373Review on Joint coating technology of Oil and gas pipeline anti-corrosionGu Xiaoping1 Long Dong2 Qiu Yongbo2 Zhao Zhong-gang3(1.Neijiang natural gas & Petroleum Corporation, Neijiang, Sichuan 641000; 2. the South Sichuan Branch Company of Kehong oil and gas projects Ltd ,Suining, Sichuan 629000;3. Pipeline Research Institute of CNPC，Langfang, Hebei 065000)Abstract: Oil and gas pipeline corrosion is one of the major reason causing pipeline accidents, and joint coating for external corrosion protection of pipelines which is even more referred to the whole pipeline a