油氣管道內(nèi)防腐層補(bǔ)口技術(shù)進(jìn)展

徐忠蘋

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451）

油氣管道內(nèi)防腐層補(bǔ)口技術(shù)進(jìn)展

徐忠蘋

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451）

內(nèi)襯或內(nèi)防腐涂層技術(shù)等在石油管道內(nèi)防腐方面得到廣泛應(yīng)用，但由于現(xiàn)場施焊時(shí)的高溫作用，會使焊縫兩側(cè)附近的涂層或襯里燒焦或脫落，從而失去對管道的保護(hù)作用。針對這一情況，綜述了國內(nèi)外對內(nèi)防腐涂層管道的主要連接方式和管口連接處的保護(hù)措施，如：自動(dòng)補(bǔ)口機(jī)法、機(jī)械連接法、內(nèi)襯保護(hù)套 （管）焊接法、記憶合金套法、不銹鋼接頭法、無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)等，并簡要介紹了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

油氣管道；內(nèi)防腐層；補(bǔ)口；補(bǔ)口機(jī)具

0 引言

隨著油田開發(fā)時(shí)間的延續(xù)，原油的含水率日漸升高，油、水、氣管道的內(nèi)壁腐蝕日趨嚴(yán)重，在勝利油田和新疆油田的個(gè)別地區(qū)都頻繁發(fā)生了新建管道投產(chǎn)不到一年就腐蝕穿孔的事故，已嚴(yán)重影響了油田的正常安全生產(chǎn)。一般的集輸、注水管道都采用了外防腐層保護(hù)，因此，目前管道總腐蝕穿孔量的90%都來自管道內(nèi)壁的腐蝕[1]。

對于管道內(nèi)腐蝕控制措施，主要有加強(qiáng)輸送介質(zhì)的凈化、在輸送介質(zhì)中添加緩蝕劑、采用耐蝕管材、對管道內(nèi)壁做內(nèi)襯或內(nèi)防腐涂層處理等。其中，內(nèi)襯或內(nèi)涂層方法是解決各種輸送介質(zhì)管道內(nèi)腐蝕的最方便有效的方法。這種方法主要分兩步進(jìn)行：一是在預(yù)制廠對單根管道的內(nèi)壁進(jìn)行除銹和噴涂預(yù)制；二是管道現(xiàn)場安裝焊接后對焊縫部位實(shí)施補(bǔ)口。在焊接過程中，焊接熱源的高溫會使焊縫兩側(cè)防腐涂層 （或內(nèi)襯）燒焦或脫落，失去對管道的保護(hù)作用。因此，內(nèi)防腐層補(bǔ)口問題已成為影響管道內(nèi)壁涂裝技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。

隨著國內(nèi)外管道內(nèi)防腐及襯里技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)涂層的補(bǔ)口技術(shù)也越來越受到重視，涌現(xiàn)出了一些新型的補(bǔ)口技術(shù)、材料和工藝。按照管道安裝現(xiàn)場焊接與內(nèi)防腐層補(bǔ)口的有無或先后順序不同，可將內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)大致分為先焊后補(bǔ)、先補(bǔ)后焊、焊后不補(bǔ)和機(jī)械連接法 （即不焊接）等四大類。

1 先焊后補(bǔ)技術(shù) （內(nèi)補(bǔ)口機(jī)法）

先焊后補(bǔ)，顧名思義是在管道對口焊接安裝完成后對焊縫部位實(shí)施防腐層內(nèi)補(bǔ)口。補(bǔ)口時(shí)，將高壓無氣噴涂機(jī)送到管道內(nèi)壁焊縫處進(jìn)行噴涂作業(yè)，因此又稱為內(nèi)補(bǔ)口機(jī)法，這種補(bǔ)口類型也是當(dāng)前管道內(nèi)防腐采用的主流形式[2]。

隨著不同類型補(bǔ)口機(jī)的研制，使其機(jī)械化、自動(dòng)化水平在不斷提高，該法又細(xì)分為管道內(nèi)擠涂工藝、鉆孔噴涂法、自動(dòng)補(bǔ)口機(jī)噴涂法等。其中，自動(dòng)補(bǔ)口機(jī)是用于管道焊口部位內(nèi)表面處理、涂料補(bǔ)口涂敷，以及內(nèi)表面攝像檢測和內(nèi)涂層質(zhì)量檢測的專用施工機(jī)具。它能夠攜帶動(dòng)力和涂料，在定位系統(tǒng)的控制下，自動(dòng)尋找焊口，并根據(jù)程序指令進(jìn)行除銹、回收、噴涂、檢測等一系列作業(yè)。

美國在20世紀(jì)80年代末研制出兩種補(bǔ)口機(jī)[3]：一種是 “熱熔環(huán)氧粉末現(xiàn)場內(nèi)補(bǔ)口裝置與工藝”，其原理是在焊口內(nèi)部加放射源，補(bǔ)口裝置在管內(nèi)接收到輻射信號，在焊口處定位，管外感應(yīng)加熱管內(nèi)環(huán)氧粉末補(bǔ)口；另一種是 “自動(dòng)推進(jìn)自動(dòng)表面處理與涂敷補(bǔ)口裝置”，該機(jī)用外部動(dòng)力對管內(nèi)裝置經(jīng)拖掛的電纜傳輸操縱信號，整機(jī)先走到待補(bǔ)口管道的另一端，退行進(jìn)行補(bǔ)口。前者存在放射性危害，電加熱耗能大，現(xiàn)場設(shè)備多，使用不便；后者掛纜退行補(bǔ)口，耗能多，施工不方便。在國內(nèi)，補(bǔ)口機(jī)研制已形成系列，可適用于各種管徑的長直管道的內(nèi)補(bǔ)口。補(bǔ)口機(jī)主要由行走控制車、噴涂車、除銹車、攝像檢測車、內(nèi)涂層質(zhì)量檢測儀以及同位素放射源組成，各車之間由萬向節(jié)連接。如大慶油建公司于20世紀(jì)90年代初研制出的GNB-114型鋼質(zhì)管道內(nèi)涂層微機(jī)控制補(bǔ)口機(jī)[4]；1999年，勝利油田成功研制了SL-Ⅱ型鋼質(zhì)管道內(nèi)涂層補(bǔ)口機(jī)[5]。這些機(jī)具用于管道內(nèi)防腐補(bǔ)口，施工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，技術(shù)簡單，操作方便，施工費(fèi)用較低。

然而，涂裝質(zhì)量無保證是該技術(shù)普遍存在的問題，主要體現(xiàn)在：涂層厚度不均勻、不穩(wěn)定；長距離涂裝作業(yè)時(shí)，因管道中部的干燥固化狀態(tài)不易判斷而使涂層不易控制，多次涂裝時(shí)容易將管道中間部位前一次未干燥固化的涂膜破壞；涂敷器在管道內(nèi)受管道變形度和焊縫的影響，行走速度不穩(wěn)，使整個(gè)管道的涂膜均勻性受到影響。另外，該技術(shù)的不足還有：由于受內(nèi)補(bǔ)口機(jī)尺寸的影響，不能進(jìn)行小管徑 （管徑75 mm以下）管道的內(nèi)噴涂；不能進(jìn)行彎管、彎頭焊接區(qū)補(bǔ)口；現(xiàn)場施工時(shí)，泥沙堵塞而導(dǎo)致補(bǔ)口困難，搶修時(shí)無法進(jìn)行焊后內(nèi)補(bǔ)口。

2 先補(bǔ)后焊技術(shù)

先補(bǔ)后焊，是在管道對口焊接前對焊縫部位實(shí)施防腐層內(nèi)補(bǔ)口處理，處理方法有內(nèi)襯保護(hù)套（管）、記憶合金熱膨脹套、管端加接不銹鋼接頭等。

2.1 內(nèi)襯保護(hù)套 （管）焊接法

這種方法的主要程序?yàn)椋汗芏嗣浛凇摴軆?nèi)表面涂裝防腐涂層、在管端脹口內(nèi)安裝內(nèi)襯保護(hù)套、焊接鋼管。內(nèi)襯保護(hù)套可以是非金屬的，也可以是金屬的 （應(yīng)與管道材料相同）[6]。內(nèi)襯保護(hù)套焊接法結(jié)構(gòu)見圖1。

美國AMF Tuboscope公司研制的Thru-kote補(bǔ)口技術(shù)與此類似，它采用的是內(nèi)表面涂有防腐涂層、外面纏繞石棉的內(nèi)襯短管，見圖2。

歐莉等為勝利油田的海底注水管道研制成功了焊接式內(nèi)襯玻璃鋼接頭補(bǔ)口工藝技術(shù)，內(nèi)襯接頭結(jié)構(gòu)及補(bǔ)口示意圖見圖3。補(bǔ)口接頭主要由內(nèi)襯接頭、O型密封圈、焊接鋼墊片、隔熱層、定位銷組成。其中內(nèi)襯接頭采用了FX-505聚酰胺改性酚醛模壓玻璃鋼材料。玻璃鋼內(nèi)襯接頭補(bǔ)口技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異，安裝簡便，與管體配合緊密、密封效果好，非常適用于小口徑管道的補(bǔ)口。

從1998年至今，玻璃鋼內(nèi)襯接頭補(bǔ)口技術(shù)已在勝利灘海油田的數(shù)十條海底注水管道中應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用情況表明，在管道組對和焊接過程中，內(nèi)襯接頭無一損壞；在海底注水管道近4年的運(yùn)行中，也未出現(xiàn)任何問題，充分驗(yàn)證了其技術(shù)性能和補(bǔ)口質(zhì)量的可靠性[7]。

2.2 記憶合金熱膨脹套法[8]

記憶合金有 “形狀記憶”功能，如果在特定工藝下對記憶合金進(jìn)行變形處理，那么待溫度升高時(shí)它可恢復(fù)到原來形狀。合金熱膨脹套的結(jié)構(gòu)是用記憶合金作骨架，骨架外面是防腐薄膜做成的內(nèi)涂層保護(hù)套，保護(hù)套外面涂一層粘接劑。焊接前，把記憶合金熱膨脹套放到焊接熱影響區(qū)以外，焊接后再把它送到焊口內(nèi)表面處。由于記憶合金骨架加熱后膨脹，可使其外徑與管道內(nèi)徑相同，從而使防腐薄膜粘接到焊口內(nèi)表面上。

2.3 不銹鋼接頭法

不銹鋼接頭法如圖4所示，先在管道的兩頭焊接兩個(gè)不銹鋼環(huán)，然后進(jìn)行涂層的涂敷，連接時(shí)用不銹鋼焊條將不銹鋼環(huán)焊在一起即可[9]。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是有效地解決了接頭的耐腐蝕問題，即使不銹鋼環(huán)焊口處出現(xiàn)涂層脫落，也不會影響整體管道的耐蝕性及使用壽命。

3 焊后不補(bǔ)技術(shù) （無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)）

焊后不補(bǔ)技術(shù)，又稱無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)，即焊后無需再進(jìn)行內(nèi)防腐補(bǔ)口，其大體思路如下：在施焊前對管端內(nèi)壁進(jìn)行處理，如電刷鍍、化學(xué)鍍、堆焊、噴焊、噴涂耐蝕合金或其他材料，然后選擇合理的焊接材料、焊接工藝等，在管道焊縫及其附近形成耐蝕防護(hù)體系。無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)原理見圖5。

3.1 管端噴涂鋁層

ЛиГаочао等采用的管端處理方式為噴涂鋁層，鋁涂層一方面起到隔離作用，另一方面還起到犧牲陽極的作用，為保證管道的整體壽命，涂層的寬度應(yīng)超出焊縫寬度的10倍。為防止鋁進(jìn)入焊縫，距管端2～3 mm處不涂鋁[10]。

勝利油田也采用了類似的補(bǔ)口技術(shù)：在管道內(nèi)壁預(yù)先利用氧—乙炔熱噴焊一層耐蝕金屬材料，寬度5～7 cm，再涂敷普通有機(jī)防腐涂層；然后用與其耐蝕性匹配的焊條完成管接頭打底焊縫，再用普通焊條完成填充和蓋面焊縫，這樣管接頭內(nèi)表面就由耐蝕噴焊層和與之匹配的耐蝕打底焊縫組成一層可靠、穩(wěn)定的內(nèi)防腐層。這種工藝在勝利油田辛二站D 2 198 mm主干線和辛42-76塊的D 1 596 mm管道上得以應(yīng)用，至今管道完好無損，現(xiàn)場試驗(yàn)也證明采用無內(nèi)補(bǔ)口焊接新技術(shù)處理的焊接接頭大大高于涂層內(nèi)補(bǔ)口接頭的使用壽命[11]。

3.2 熔融涂層焊接法

熔融涂層焊接法是利用一種特殊的耐腐蝕物質(zhì)（陶瓷或合金）預(yù)先涂敷于管端內(nèi)壁，然后進(jìn)行管道組裝、焊接，在焊接熱作用下，這種物質(zhì)熔融并自動(dòng)流向焊縫，在焊縫內(nèi)表面形成連續(xù)、致密的涂層，從而達(dá)到保護(hù)焊縫的目的，如圖6所示[12]。

無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是耐蝕金屬層以及有機(jī)涂料層的制作在預(yù)制廠內(nèi)進(jìn)行，管道在現(xiàn)場對接焊后無需再進(jìn)行涂料內(nèi)補(bǔ)口，操作簡便。但對焊接工藝的要求較高，施工難度加大，且在焊接工藝、材料選用、檢驗(yàn)手段等方面還有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

4 機(jī)械連接法補(bǔ)口技術(shù)

機(jī)械連接法在管道連接時(shí)不采用焊接的方式，該補(bǔ)口法包括承插壓接法、外套筒式壓接法、螺紋連接法以及記憶合金熱收縮套法等。

4.1 無焊承插壓接法

無焊承插壓接法在國外稱為ZAP-LOK，即先把鋼管的一端脹大，再把另一端整形，連接時(shí)把鋼管的小端壓入另一根鋼管的大端，通過二者的過盈配合達(dá)到鋼管連接的目的[13]，如圖7所示。

4.2 無焊外套筒壓接法

這種方法是把兩根鋼管的端部分別從兩頭壓到一個(gè)外套筒內(nèi)，通過過盈配合，達(dá)到鋼管連接的目的[14]。美國JETAIR公司成功地開發(fā)了機(jī)械壓接連接器 （即管箍），1982年獲得專利，首次用于防腐管道。無焊外套筒壓接接頭結(jié)構(gòu)見圖8。

這種接頭由外套和內(nèi)管 （管道本身）組成，兩內(nèi)管接觸端面間有密封墊，為保證壓接后接頭材質(zhì)不超過彈性極限，外套內(nèi)壁加工有特殊螺紋，以適應(yīng)內(nèi)管的外徑偏差。內(nèi)管外徑偏大時(shí)，螺紋被全部推倒；外徑偏小時(shí)，螺紋被部分推倒。螺紋內(nèi)涂有密封膠，壓接時(shí)密封膠起潤滑作用，并在固化后形成可靠的密封帶，使外套與內(nèi)管緊緊壓接成一體。

4.3 螺紋連接法

這種連接方法是把鋼管的兩端加工成外螺紋，通過一個(gè)有內(nèi)螺紋的套筒，把兩根鋼管連接起來。如 “高壓管道速接頭”，它由鎖緊套、直通體、密封墊和卡環(huán)組成。鎖緊套與直通體間用螺紋連接，通過卡環(huán)將力作用于管道，擠緊密封墊并連接，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，此結(jié)構(gòu)已獲國家專利，專利號ZL94204107.0。該接頭對管道內(nèi)壁及端面的防腐層不造成破壞，從而保證管道內(nèi)壁防腐層的完整性，現(xiàn)場無需進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)口，有效地解決了介質(zhì)對管道的腐蝕問題。

此外，機(jī)械連接法中還包括法蘭連接法。

4.4 記憶合金熱收縮套

這種方法不用焊接，管道連接時(shí)，在管口外面套一個(gè)記憶合金熱收縮套，在兩管端與記憶合金熱收縮套的接觸面涂一層密封膠，在外面給記憶合金熱收縮套加熱，記憶合金收縮到原來的尺寸，即可保證記憶合金熱收縮套與鋼管之間形成過盈配合，從而完成管道連接。

5 結(jié)束語

油氣管道防腐非常重要，而相對于外防腐可靠的技術(shù)相比，內(nèi)防腐還是一個(gè)相對薄弱環(huán)節(jié)，尤其是補(bǔ)口部位內(nèi)防腐的質(zhì)量更是成為整條管道質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文簡單介紹了各種油氣管道內(nèi)防腐層補(bǔ)口技術(shù)。各種內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)的使用都存在一定的局限性，如記憶合金套法、機(jī)械連接法和內(nèi)襯保護(hù)套（管）焊接法對現(xiàn)場裝備的要求很高，且對裝備質(zhì)量依賴性很大，難以保證接頭補(bǔ)口的可靠性；管內(nèi)自動(dòng)補(bǔ)口機(jī)近幾年應(yīng)用較普遍，但是也存在明顯不足，如不能進(jìn)行彎管、彎頭焊接區(qū)補(bǔ)口，現(xiàn)場施工時(shí)，泥沙堵塞而導(dǎo)致補(bǔ)口困難，現(xiàn)場搶修時(shí)無法進(jìn)行焊后內(nèi)補(bǔ)口；不銹鋼接頭法由于增加了焊口的數(shù)量，質(zhì)量不易保證；而無內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)則對焊接工藝的要求較高，施工難度加大。因此，開發(fā)一種能徹底解決內(nèi)防腐涂層管道焊口防腐問題的技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急，這就需要科研人員加大對內(nèi)防腐補(bǔ)口技術(shù)的研究，并盡快將新的成果投入使用。

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Research on Internal Field Joint Coating of Oil and Gas Pipelines

XU Zhong-ping（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）

Internal coating or lining has been widely used in oil and gas pipelines.However,the coating nearby the girth weld could be damaged during the welding process at high temperature and lose its protection function.In this paper,the main connection modes of pipelines with internal coating and the protection measures of pipe joints are summarized,including automatic internal field joint coating vehicle,mechanical connection,internal lining sleeve （tube）welding,memory alloy jacket,stainless steel joint,internal coating-less,etc.The advantage and defect of each technology are stated as well.

oil and gas pipelines;internal coating;field joint;field joint equipment

TE988.2

A

1001－2206（2011）增刊－0007－04

徐忠蘋 （1979-），男，山東東營人，工程師，2004年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院，碩士，現(xiàn)從事科研開發(fā)工作。

2011-08-23