管道 3LPE 防腐層補口技術研究和應用新進展

張其濱，張麗萍，劉金霞，赫連建峰

1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451

2.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451

管道 3LPE 防腐層補口技術研究和應用新進展

張其濱1，張麗萍2，劉金霞2，赫連建峰2

1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451

2.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451

文章介紹了國內管道 3LPE 防腐層采用熱收縮帶補口存在的問題及其原因，重點介紹了熱收縮帶補口技術的改進研究以及適用于 3LPE 防腐層的新型補口材料和結構的研究及其應用的最新進展，包括熱收縮帶熱熔膠的改進、環(huán)氧底漆的改進、施工機具的研究；噴涂聚氨酯補口、壓敏膠型熱收縮帶補口、粘彈體補口、液體環(huán)氧涂料補口等技術。

管道；3LPE 防腐層；補口；熱收縮帶；施工機具

0 引言

目前，3PE 防腐層已經(jīng)成為國內大型或重要油氣管道工程首選的外防腐層[1]，現(xiàn)場焊接接頭普遍采用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶（以下簡稱熱收縮帶）補口。近幾年，3PE 防腐層的現(xiàn)場補口主要采用環(huán)氧底漆—熱熔膠—輻射交聯(lián)聚乙烯三層結構熱收縮帶，在管道工程建設中發(fā)揮了重要作用。

長期以來，熱收縮帶補口施工主要依靠現(xiàn)場人工操作，施工質量受人為因素影響較大，當然也出現(xiàn)過材料產品的質量問題[2]。通過完善產品技術要求，提高產品質量，加強施工過程管理，補口施工質量得到很大改善。但實際調查仍然發(fā)現(xiàn)不少質量問題，引起了管道建設相關單位和技術專家的廣泛關注，并開展了大量針對性的調查分析和研究探索，基本掌握了產生質量問題的主要原因，研究提出并應用了多項改進技術措施或新型補口技術，有效提高了 3PE 防腐層現(xiàn)場補口質量。

1 熱收縮帶補口存在的問題及原因

有關單位[3-4]通過對在役管道熱收縮帶補口的現(xiàn)場調查，總結了熱收縮帶補口失效的主要表現(xiàn)形式，并分析了產生失效的主要原因。除了野蠻施工造成的機械損傷破損外，熱收縮帶補口的失效主要是粘結界面的密封失效，表現(xiàn)在：

（1）熱收縮帶與管體三層聚乙烯防腐層搭接部位密封失效，呈現(xiàn)剝離狀態(tài)。主要原因有：熱熔膠烘烤不夠，未能熔化，沒有粘結性；搭接部位涂覆了與聚乙烯層沒有良好粘結性的環(huán)氧底漆，導致底漆從聚乙烯表面的剝離；熱熔膠與 PE 無化學鍵合作用。

（2）熱收縮帶與管體呈現(xiàn)不粘結現(xiàn)象。主要原因有：手工烘烤不均勻，熱熔膠局部熔化、局部不熔化，未熔化處形成空鼓；或者是濕膜安裝熱收縮帶時底漆已固化，導致熱熔膠與底漆未粘結。

（3）熱收縮帶在管道底部位置形成兩層皮狀態(tài)，完全沒有粘結性。主要是由于熱收縮帶安裝施工時，工人在兩側分別進行烘烤施工，管底為烘烤結合部位，操作不便，極易形成施工的加熱盲區(qū)，從而導致熱熔膠未熔化。

2 熱收縮帶補口技術的改進研究

針對熱收縮帶補口存在的問題，除了不斷完善技術標準，提高產品技術性能，加強補口施工管理外，近幾年也開展了一些熱收縮帶補口技術改進研究，包括膠粘劑的改進、環(huán)氧底漆的研究、專用施工機具的研制等。

2.1 熱熔膠的改進研究

熱收縮帶膠層主要以熱熔膠為主，熱熔膠不僅要有較好的粘結性能和耐久性能，而且還要在施工加熱時具有較好的熔融流動性，以增加對鋼管的浸潤從而提高密封性。因此在膠粘劑改進方面，重點是在確保耐溫性和粘結性的同時，提高膠層的施工性能，改善烘烤加熱的熔融效果。從材料結構出發(fā)，進行主體聚合物的改進、接枝、復合等研究，同時進行增稠劑、黏度調節(jié)劑、顏填料和抗氧劑的篩選，使熱熔膠與無溶劑底漆之間有化學鍵作用，又與PE具有良好的親和性[5]。并且研究滿足不同使用溫度的系列膠粘劑材料，在達到使用要求的條件下，盡可能降低施工難度。有研究分析表明熱熔膠的化學組成對其耐久性具有明顯影響，進而提出了國產材料的改進方向。例如，吳迎霞等[6]通過馬來酸酐接枝 EVA（乙烯—醋酸乙烯共聚物）樹脂，配合增黏樹脂、填料及其他助劑，制備出對油氣管道具有較好密封防腐性的熱熔膠，提高了熱熔膠對鋼管的粘接強度和耐溫性。黃超等[7]以 SIS（苯乙烯—異戊二烯—苯乙烯嵌段共聚物）彈性體為基體樹脂，配合增黏樹脂、軟化劑、馬來酸酐和抗氧劑等助劑，通過熔融共混制備出一種高粘接強度的熱熔膠，并且大大提高了熱熔膠的熔融流動性。

2.2 環(huán)氧底漆的改進研究

目前的熱收縮帶補口施工方式根據(jù)環(huán)氧底漆干燥要求分為“濕膜安裝”和“干膜安裝”兩種[8]，在施工安裝方面各有優(yōu)缺點?！皾衲ぐ惭b”對鋼管的預熱溫度要求較低，環(huán)氧底漆容易與熔融的膠粘劑層之間有良好的化學粘結，施工時間短，但難以保證底漆的均勻厚度，且不能進行干膜厚度檢測，而且對大口徑管道補口施工時，難以保證整個施工過程底漆始終處于濕膜狀態(tài)，一旦干燥不能保證底漆與膠粘劑的有效粘結?！案赡ぐ惭b”可對環(huán)氧底漆的涂刷質量進行有效的檢測，有利于保證底漆的施工質量，但施工要求干燥，施工時間長，受環(huán)境影響較大。對于要求高底漆厚度的熱收縮帶補口，“干膜施工”更有利于保證底漆厚度和施工質量，從而達到預定的防腐效果。

韓文禮等[9-10]開展了新型補口無溶劑環(huán)氧底漆的研究，一方面提高了底漆的防腐蝕性能，另一方面實現(xiàn)了環(huán)氧底漆在干濕膜狀態(tài)下安裝時與熱收縮帶膠層都有好的粘接性，這就大大降低了現(xiàn)場補口人工操作的難度。采用研制的新型無溶劑環(huán)氧底漆與工程中常用的 5 種熱收縮帶產品進行匹配性試驗結果表明，粘結層不僅具有良好剝離強度，而且呈現(xiàn)有效密封性的內聚破壞形式。

2.3 補口施工機具的研究

為了盡可能降低熱收縮帶補口施工的人為影響，機具補口技術的研究和應用備受關注。國內研究采用了熱收縮帶中頻加熱補口施工技術[11]，如圖1所示。

圖1 熱收縮帶補口中頻加熱裝置

中頻加熱補口主要用于熱收縮帶施工的兩個環(huán)節(jié)，一是對管道補口部位進行預熱，二是對已收縮定位的熱收縮帶加熱至熱熔膠熔融，驅趕氣泡，提高粘結效果。研究顯示，中頻加熱產生的熱效應是由管內向外傳遞，中頻加熱停止后鋼管表面溫度還可繼續(xù)上升 10 ℃，并有一定的蓄熱作用，能夠為熱收縮帶的熱熔膠熔融提供足夠的界面熱量，有利于熱熔膠的均勻和全面熔融，減少回火時間，提高粘結效果和施工效率。該技術可解決手工火焰烘烤不均勻、火焰烘烤二次污染以及冬季施工作業(yè)困難等問題，已在西氣東輸三線的管道建設工程中得到推廣應用。目前，相關生產廠家和施工企業(yè)普遍研制采用不同形式的移動式中頻加熱裝置，輔助熱收縮帶補口施工，有效地提高了補口施工質量和防腐效果。

有單位研制了以液化石油氣（LPG）催化燃燒為核心技術的管道熱收縮帶補口加熱機具[12]。該補口加熱機具由機械支撐框架、加熱器、機具行走和管徑調節(jié)裝置等部件組成。可對管道對接焊縫焊接前的管體、防腐補口處管體和熱收縮帶/套補口進行加熱。現(xiàn)場試驗表明，該補口加熱機具使用過程中具有無污染，受氣溫、風力影響很小，加熱均勻，補口加熱時間縮短，耗氣量少的特點；而且操作簡單，可避免人工操作對補口質量的影響，具有較好的研究和應用前景，但還沒有得到規(guī)模推廣應用。

另外，國內還研究開發(fā)了環(huán)保型管道補口自動噴砂除銹設備[13]，該設備由空氣壓縮機、噴砂機、行走機架和控制系統(tǒng)組成。采用雙噴頭形式，利用真空負壓原理對鋼砂及除銹粉塵進行回收，鋼砂及粉塵回收率可達 100%,能夠快速完成管道補口的噴砂除銹作業(yè)，除銹效果達到 Sa2.5級以上。環(huán)保型噴砂除銹噴頭作業(yè)原理見圖2，噴頭實物及噴砂除銹效果見圖3。不僅改善了施工環(huán)境和勞動強度，而且提高了補口除銹質量和表面清潔水平，有利于提高熱收縮帶補口質量。目前，環(huán)保型管道補口自動噴砂除銹裝置已在國內三大油公司的海上鋪管船作業(yè)線上配備并應用。

圖2 環(huán)保型噴砂除銹噴頭作業(yè)原理示意

有單位研究開發(fā)了管道機械化補口系統(tǒng)裝備，集成了環(huán)保型自動噴砂、中頻加熱、紅外收縮加熱等技術，補口的表面處理、管口預熱、熱收縮帶加熱收縮、熱收縮帶回火等重要節(jié)點工序采用全自動程控式設備完成，最大限度地減少人工操作帶來的影響，實現(xiàn)了熱收縮帶機械化補口流水作業(yè)，可對補口的每道工序進行有效檢查，從而有效控制和提高熱收縮帶補口質量。該技術已在西氣東輸三線西段工程進行工業(yè)應用試驗。

圖3 噴頭實物及除銹效果

3 新型補口技術的研究與應用

針對熱收縮帶補口應用中存在的問題，相關研究機構和施工單位不僅開展了大量的熱收縮帶補口應用技術的改進提高研究，同時還進行了多種新材料和新結構的3LPE 防腐層補口新技術的研發(fā)和應用工作，取得了有益的進展，為管道 3LPE 防腐層補口技術的設計選擇和應用提供了依據(jù)。

3.1 噴涂聚氨酯/聚脲彈性體涂料補口技術

噴涂無溶劑液體聚氨酯涂料補口技術在歐洲已廣泛應用[14]，具有多項技術優(yōu)勢。國內已開展技術引進、聚氨酯涂料產品研制、涂裝設備分析和配套等技術研究[15]，并在工程上進行了試驗應用。噴涂無溶劑聚氨酯涂料補口技術的作業(yè)方式有：全自動機械噴涂、手持機械噴涂、工具噴涂和手工涂刷等，根據(jù)環(huán)境條件和作業(yè)裝備的配備情況確定，主要推薦采用機械噴涂方式，形成機械化補口作業(yè)機組。機械化補口作業(yè)機組包括：噴砂除銹設備、中頻加熱設備、自動噴涂裝置、工程車、綜合車和防風棚等。該技術已制訂專項設計技術規(guī)定和中國石油集團企業(yè)標準，近兩年已在某重點管道工程進行規(guī)?；I(yè)試驗應用達數(shù)百千米，主要采用了國外進口的補口用無溶劑液體聚氨酯涂料。目前，已經(jīng)實現(xiàn)了無溶劑液體聚氨酯涂料和機械化補口作業(yè)裝備的國產化，有望在管道工程中推廣應用。

噴涂聚脲彈性體技術使用端胺基聚醚和胺擴鏈劑作為活潑氫組分，活潑氫組分與異氰酸酯組分的反應活性極高，無需任何催化劑即可在室溫瞬間完成反應，異氫酸酯中存在非常活潑的 -NCO 基團，對基材有良好的附著力。施工時，首先對補口搭接部位的聚乙烯層進行必要的極化處理，并采用專用粘結劑實現(xiàn)過渡粘結；然后在補口部位噴涂雙組份聚脲涂料，快速反應形成聚脲彈性體涂層，完成連續(xù)的補口施工[16]。通過對聚脲材料進行改性，并采用低溫噴涂設備，可實現(xiàn) - 20 ℃ 環(huán)境條件下的補口施工，解決了低溫環(huán)境管道 3PE 防腐補口的技術難題[17]。

3.2 壓敏膠型熱收縮帶補口技術

壓敏膠型熱收縮帶是將改性聚異丁烯壓敏膠復合在改性輻射交聯(lián)聚乙烯基材上制成的熱收縮帶材，使用方法類似于熱熔膠型熱收縮帶。補口施工時，需對基材進行火焰加熱收縮，從而使之包覆在管道接頭補口處。壓敏膠是一種在常溫下具有初粘力，在壓力下可以粘結在物體表面的膠粘劑。丁基橡膠改性壓敏膠具有獨特的冷流特性，在使用過程中可以達到自修復功能，從而產生較好的密封粘結性能。壓敏型熱收縮帶可以單獨使用，也可與無溶劑環(huán)氧底漆或粘彈體材料復合使用作為補口防腐層。該產品施工操作簡單，對鋼材表面處理的要求可以比熱熔膠型熱收縮帶低，手工除銹即可。

壓敏膠型熱收縮帶補口技術首先在西部地區(qū)某管道補口修復中進行了試驗應用，運行兩年后的開挖檢查表明，壓敏膠型熱收縮帶補口的粘結密封完好。已制訂壓敏膠型熱收縮帶補口技術規(guī)定和產品技術規(guī)格書，該技術將在新建管道工程中進行擴大應用。

3.3 粘彈性防腐新技術

粘彈性腐蝕防護系統(tǒng)是一種與常規(guī)的液態(tài)或固態(tài)防腐涂層完全不同的腐蝕防護系統(tǒng)。該防腐材料既具有類似PE 的固體特性，同時也具有液態(tài)特性，使其具有優(yōu)異的粘結性、抗陰極保護剝離性和容易使用的特性。粘彈體防腐材料主要包括：粘彈體防腐膏、粘彈體防腐帶和粘彈體間隙防腐密封劑[18]。

粘彈體防腐膠帶內側采用的樹脂具有冷流特性，永不固化，可阻斷水份和空氣，使結合部位具有很好的水密性與氣密性，防腐性能優(yōu)異。在遭受石塊、砂礫的破壞時，粘彈性防腐蝕膠帶還具有自愈合功能。

用粘彈體進行補口時，對鋼管表面處理要求不高，手工除銹（St2 級）即可，用手工纏繞的方法將防腐膠帶包覆在補口處，但必須在外層纏繞 PE 或 PVC 膠帶加以保護，提高抗機械損傷的性能。為了提高粘彈體補口效果，通過現(xiàn)場補口修復試驗，提出了基于粘彈體材料的多種復合補口結構：粘彈體 + 熱收縮帶、粘彈體 + 壓敏膠熱收縮帶、粘彈體 + 玻璃鋼等，并制訂粘彈體補口的設計技術規(guī)定和技術規(guī)格書。

粘彈體補口技術已進行試驗和推廣應用，復合補口結構已在多條管道熱收縮帶補口修復作業(yè)中進行應用，取得了較好的效果。

3.4 液體環(huán)氧涂料補口技術

采用雙組份環(huán)氧涂料對 3PE 防腐層進行補口是一個被人們多年研究的課題,隨著技術的進步和發(fā)展，國內外都已研制并應用了 3PE 防腐層補口專用環(huán)氧涂料。通常的做法是，采用無氣噴涂或手工涂刷工藝，將專用的雙組份液體環(huán)氧防腐涂料涂敷在經(jīng)表面處理的補口部位的鋼管和搭接部位的 PE 防腐層上，一次形成補口防腐層。

2003年8月開始施工的阿塞拜疆和格魯吉亞境內的兩條 3PE 管道，在世界范圍內屬首次大規(guī)模使用雙組份環(huán)氧涂料進行現(xiàn)場補口，但出現(xiàn)了補口涂層開裂等問題，受到普遍關注[19]；2005 年國內在廣東 LNG 管道工程中專用環(huán)氧涂料進行了 3PE 防腐管的補口施工[20]。直接采用液體環(huán)氧涂料補口的主要問題是涂料與 PE 層的粘結力不足，它與 PE 層的粘結力僅有它與鋼材和與 FBE 粘結力的 1/10 左右，涂層的柔韌性比較差，而且不能在露天下放置太長時間。

為解決環(huán)氧涂料補口與 PE 防腐層粘結力差的問題，一種新型的無溶劑環(huán)氧涂料補口技術正在推廣應用，它是在常規(guī)液體涂料補口施工程序的基礎上，增加了對補口表面處理后的專用氣體極化處理[21]，以改善補口表面的極性。經(jīng)極化處理的 PE 材料與環(huán)氧涂料間具有優(yōu)異的粘接性[22]。其施工工序是：首先進行補口部位的表面處理；然后采用塑料膜和膠帶將表面處理后的補口區(qū)域密封，并使密封區(qū)域內有一定的空間且無漏氣處；用注氣針頭插入塑料密封袋，注入氣體處理劑至密封膜微鼓，保持 6 ～ 10 min 后將密封膜去掉；最好一次涂刷底漆和面漆，達到厚度和固化要求。該項補口技術已在中石化承建的榆濟輸氣管道施工中得到規(guī)模應用。

4 補口施工質量控制要求

目前，國內還沒有綜合性的管道防腐補口技術標準或規(guī)范，熱收縮帶補口技術已有國家標準，其他技術方法還只有設計技術規(guī)定或企業(yè)標準。國際標準 ISO 21809-3[23]是一個管道防腐補口的綜合性標準，該標準提供了現(xiàn)場補口防腐層體系和材料的數(shù)據(jù)庫，但沒有對不同的體系進行對比，只是給出了每種防腐層的最低技術要求，而且未給出或討論與主體防腐層的相容性[24]。工程項目設計時，在技術規(guī)格書中簡單地要求現(xiàn)場補口防腐層必須符合 ISO 21809-3 或某某標準是遠遠不夠的，要根據(jù)主體防腐層的相容性、管道施工、地域和運行條件選擇恰當?shù)默F(xiàn)場補口防腐層，并針對性地確定必要和適當?shù)募夹g要求。

對于管道防腐補口，在確定補口技術方案和材料后，施工工藝和操作控制是補口施工質量的決定性因素。為了充分發(fā)揮防腐補口材料和技術的功能特性，在工程施工前，建立施工工藝規(guī)程（APS）和檢查檢驗計劃（ITP），開展補口工藝評定（PQT）和試生產試驗（PPT），是ISO 21809-3 標準中明確規(guī)定的施工質量控制要求，國內也在逐漸接受并采用。

補口施工工藝規(guī)程（APS）是描述防腐層補口施工使用的工藝、方法、設備和工具等的文件，應包括指定補口防腐層的質量控制和任何協(xié)商一致的所有內容。APS 應由施工方在開始生產前或評定試驗前編制，并經(jīng)建設單位批準。批準后，未經(jīng)建設單位書面授權，施工方不應對APS 進行任何修改。

工藝評定試驗（PQT）是指在施工方或其他認可的地點進行補口施工及其性能檢查和試驗，以驗證 APS 能夠獲得要求性能的防腐層。PQT 通常在工廠條件下進行。

試生產試驗（PPT）是指正式施工前，在施工現(xiàn)場進行補口施工及性能檢查和試驗，以驗證 APS 能夠獲得要求性能的防腐層。PPT應在業(yè)主代表或監(jiān)理的見證下進行。

檢查檢驗計劃（ITP）是提供檢查和檢驗程序的概要文件，包括資源和過程。在施工期間，施工方應按照 ITP 進行檢查和檢驗來驗證施工防腐層的表面處理、施工過程和技術性能。

5 結束語

近年來，國內管道工程建設絕大部分采用了3LPE防腐層技術，主要配套采用了熱收縮帶補口技術，也研究應用了多項新型補口材料和技術，但是任何一種材料或技術都不是萬能的，都有其適用和不適用的環(huán)境和條件，應根據(jù)具體工程情況加以分析選型，并采取有效的施工質量控制措施，提高不同工況下的防腐補口質量和可靠性。

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Progress in Development and Application of Weld Joint Coating Technology for Pipeline with 3LPE Coating

Zhang Qibin1，Zhang Liping2，Liu Jinxia2，Helian Jianfeng2
1.CNPC Tianjin Bo-xing Engineering Science &Technology Company Ltd.,Tianjin 300451,China
2.CNPC Research Institute of Petroleum Engineering,Tianjin 300451,China

This paper introduces the problems existing in heat shrinkable tape for joint coating of domestic pipelines with 3LPE coating and gives the reason analysis.It focuses on the latest progresses in research and application of improvement technology of the heat shrinkable tape for joint coating,new joint coating materials and structures suitable for 3LPE anticorrosion coating,including improvement of heat melting adhesive,improvement of epoxy primer,development of construction machines and tools,spraying PU joint coating,heat shrinkable tape with pressure sensitive adhesive,non-crystalline low-viscosity polyolefin compound joint coating,liquid epoxy joint coating,etc.

pipeline;3LPE coating;weld joint coating;heat shrinkable tape;construction machine and tools

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.012

張其濱（1964-），男，江西吉水人，教授級高級工程師，1987年畢業(yè)于大連工學院，獲碩士學位，2003年畢業(yè)于美國 American 大學，獲MBA 學位，主要從事防腐保溫技術研究和工程服務等工作。

2013-08-15