西氣東輸一線埋地管道補口材料失效分析

李玲杰，韓文禮，徐忠蘋

(1. 中國石油集團工程技術研究院 天津300451；

2. CNPC石油管工程重點實驗室涂層材料與保溫結構研究室 天津300451)

西氣東輸一線埋地管道補口材料失效分析

李玲杰1,2，韓文禮1,2，徐忠蘋1,2

(1. 中國石油集團工程技術研究院 天津300451；

2. CNPC石油管工程重點實驗室涂層材料與保溫結構研究室 天津300451)

西氣東輸一線管道補口一般采用“環(huán)氧底漆＋熱熔膠＋輻射交聯聚乙烯”的 3層結構熱收縮帶補口方法。通過對西氣東輸一線管道已服役 10年以上補口進行開挖檢測，評價了管道補口的失效形式，發(fā)現補口失效的原因主要是由于熱收縮帶補口防腐層在使用環(huán)境中的失效和施工質量較差導致的。通過多種補口修復方式對比，建議將施工便利、性能穩(wěn)定的“粘彈體膠帶＋外護帶”復合結構作為在役埋地管道補口防腐層修復的首選結構。

管道 防腐補口 熱收縮帶

0 引 言

西氣東輸管道是國內第 1條長距離大口徑天然氣管道，全線采用 3層聚乙烯外防腐層，補口材料為輻射交聯聚乙烯熱收縮帶，該管線至今已投產運行10年以上。西氣東輸公司分別于 2010年和 2011年對西一線輪南壓氣站-孔雀河壓氣站之間183.5,km干線管道和四道班-紅柳段之間 652,km 干線管道進行了漏磁檢測。漏磁檢測結果顯示，輪南-孔雀河段累計發(fā)現約 5,200道補口已失效，四道班-紅柳段累計發(fā)現約2,200道補口已失效，且部分補口已發(fā)生嚴重的金屬腐蝕，腐蝕最深達 38%，嚴重威脅管道安全運行。為保證西氣東輸一線管道的長期安全運行，西氣東輸公司對輪南-孔雀河段和四道班-紅柳段的失效補口進行了修復。

補口防腐層修復時，在不同土壤地段抽取有代表性的 50道口進行現場開挖直接檢測，按照相關標準要求，重點對防腐層失效形式以及管體腐蝕狀況等進行檢測，以掌握原有熱收縮帶(套)補口(服役10年以上)的長期使用性能。同時，對熱收縮帶(套)的失效原因進行了探討，針對西一線管道熱收縮帶補口的失效形式，結合現場施工工藝和新型補口結構等進行了分析，目的是提高管道補口的工程質量，為提高管道補口壽命提供指導。

1 補口防腐層現場檢測內容

在西氣東輸公司漏磁檢測的基礎上，對內檢測失效補口通過人工定點直接開挖方式來進行檢測，檢測的主要內容包括：土壤腐蝕性檢測；補口防腐層檢測；管體腐蝕狀況檢測。補口現場檢測內容如表1所示。

表1 熱收縮帶(套)補口檢測內容Tab.1 Detection contents of heat shrinkable tapes(sleeves)

2 補口防腐層現場檢測結果

現場補口開挖檢測分別在輪南-孔雀河段、四道班-庫米什段、鄯善-哈密段進行，共計開挖檢測熱收縮帶補口 50道，土壤狀況主要為鹽漬土、砂石土和礫石土。通過現場檢測和數據分析，對開挖點熱收縮帶補口的性能狀況做出評價。其開挖點分布及土壤狀況見表 2。所開挖檢測的 50道熱收縮帶(套)補口中，包括四川成都西普CEP-1熱縮套40道、CANUSAGTS-80熱收縮帶 4道、四川雙流 RSYB熱縮套6道。

表2 熱收縮帶(套)補口開挖檢測點分布統(tǒng)計表Tab.2 Excavation testing points of heat shrinkable tapes(sleeves)

熱收縮帶補口防腐層的保護作用可分為 3種情況：①環(huán)氧底漆＋熱收縮帶整體粘結密封使補口達到完全保護，說明補口防腐層整體保護有效；②熱收縮帶熱熔膠與 PE搭接部位間存在密封缺陷，但環(huán)氧底漆完整，管體無腐蝕，說明環(huán)氧底漆保護有效；③管體存在明顯銹蝕，說明補口防腐層保護失效。開挖結果表明，在開挖檢測的 50道口中，除 1道口表現為第1種情況，即補口防腐層整體保護有效，其他49道口均表現為第 3種情況，即補口防腐層保護失效。補口防腐層保護失效表現為全面失效和部分失效兩種形式。全面失效指管體在補口3、6、9、12點位置全部腐蝕(如圖 1)；部分失效是指在管體在補口 3、6、9、12點位置至少有1個位置未腐蝕(如圖2)。

圖1 補口完全失效情況(30400#補口3、6、9、12點位置全部腐蝕)Fig.1 Complete failure cases of field joint coatings(The 3，6，9 and 12 o’clock positions of 30400# joint completely corroded)

圖2 補口部分失效情況(28560#補口12點位置完好，3、6、9點位置腐蝕)Fig.2 Partial failure cases of field joint coatings(Except for 12 o’clock，the 3，6，9 o’clock positions of 28560# joint corroded)

對 50道補口進行檢測分析，補口失效詳細情況見表3。

輪南-孔雀河段檢測 36個點，其中：①補口防腐層完全失效 14道，即管體補口 3、6、9、12點位置全部腐蝕，占該段開挖檢測補口總數 39%。②補口防腐層部分失效 22道，占開挖檢測補口總數的 61%。其中，只在管體補口6點位置腐蝕的口7道；12點位置完好，3點或9點位置腐蝕、6點位置腐蝕的口6道；3、6、9點位置腐蝕，12點位置完好的口9道。③所有防腐層失效的口均在管體補口 6點位置出現嚴重腐蝕，占此段開挖檢測補口總數的100%(見圖3、圖4)。

表3 補口失效情況統(tǒng)計Tab.3 Failure results of the field joint coating

圖3 輪南-孔雀河段補口失效情況Fig.3 Failure cases of field joint coatings in the area of Lun’nan-Kongquehe

圖4 輪南-孔雀河段部分失效補口情況Fig.4 Partial failure cases of field joint coatingsin the area of Lun’nan-Kongquehe

四道班-紅柳段檢測 14個點，其中：①管體補口部位未見腐蝕的補口1道，占此段開挖檢測補口總數的 7%。②補口防腐層完全失效 2道，即管體補口 3、6、9、12點位置全部腐蝕，占該段開挖檢測補口總數14%。③補口防腐層部分失效11道，占開挖檢測補口總數 79%。其中，只在管體補口 6點位置腐蝕的口9道；12點位置完好，3點或9點位置腐蝕、6點位置腐蝕的口2道；3、6、9點位置腐蝕，12點位置完好的口0道。④所有失效的口均在6點位置出現嚴重腐蝕，占此段開挖檢測補口總數的100%(見圖5、圖6)。

圖5 四道班-紅柳段補口失效情況Fig.5 Failure cases of field joint coatings in the area of Sidaoban-Hongliu

圖6 四道班-紅柳段部分失效補口情況Fig.6 Partial failure cases of field joint coatingsin the area of Sidaoban-Hongliu

以補口總數來看：①管體補口部位未見腐蝕的口1道，占開挖檢測補口總數的 2%。②補口完全失效16道，即管體補口 3、6、9、12點位置全部腐蝕，占開挖檢測補口總數 32%。③補口部分失效 33道，占開挖檢測補口總數66%。其中，只在管體補口 6點位置腐蝕的口 16道；12點位置完好，3點或 9點位置腐蝕、6點位置腐蝕的口 8道；3、6、9點位置腐蝕，12點位置完好的口9道。④所有失效的口均在6點位置出現嚴重腐蝕，占開挖檢測補口總數的 98%(見圖7、圖 8)。

圖7 補口失效情況Fig.7 Failure cases of all field joint coatings

圖8 部分失效補口情況Fig.8 Partial failure cases of field joint coatings

3 西一線管道補口失效原因分析

3.1 施工原因導致的補口失效

施工問題主要是烘烤溫度不足或不均勻、局部熱熔膠未烤熔化，特別是 PE搭接區(qū)域的熱熔膠未充分熔融，使得熱熔膠未達到完全密封，即補口防腐層存在密封缺陷，地下水進入補口熱收縮帶內導致管體腐蝕(見圖 9-a)。在開挖檢測補口中，甚至出現熱縮帶內原包裝紙未拆除的情況，施工質量存在嚴重問題(見圖 9-b)。

圖9 施工原因導致的補口失效Fig.9 Failure cases due to poor construction quality

3.2 熱收縮帶補口防腐層在使用環(huán)境中的失效

圖10 42820#補口熱收縮帶翹邊及管體腐蝕情況Fig.10 Pipe corrosion situation and warped edge of 42820# heat shrinkable tape

圖11 110010#補口熱收縮帶失效而環(huán)氧底漆起到保護效果Fig.11 110010# heat shrinkable tape failed but epoxy primer effectively functioned

熱收縮帶補口防腐層的基本組成為環(huán)氧底漆＋熱收縮帶復合結構，兩者通過熱熔膠粘結成為一體，從而實現對管體補口部位的絕緣保護，因此熱熔膠的性能是決定熱收縮帶補口有效性的關鍵。熱收縮帶補口防腐層在管線埋入地下投入運營后，受到多種因素的綜合作用，主要有土壤及地下水介質對熱熔膠的侵蝕作用、土壤應力對熱收縮帶的剪切作用、管線運行壓力所產生的微振動對熱收縮帶固有收縮應力的松弛作用等?，F場檢測發(fā)現，熱收縮帶補口防腐層存在的問題主要是熱熔膠、無溶劑環(huán)氧底漆的粘結失效問題(見圖10、圖 11)。

4 管道埋地管道補口修復方式選擇

4.1 補口修復材料綜合評價

4.1.1 無溶劑聚氨酯補口綜合評價

無溶劑聚氨酯涂層在干燥的土壤環(huán)境中的粘結強度基本穩(wěn)定，在潮濕、干濕交替及地下水全浸土壤環(huán)境中，涂層大面積起泡、剝離；無溶劑聚氨酯涂料對表面處理要求較高(Sa2.5級)，需要大型施工裝備；補口防腐層一次合格率低，存在不可接受的漏點、縮孔、流掛等缺陷，返修率高；現場施工難度較大，開挖土方量大；液體涂料固化需要一定的時間，防腐層現場檢測需待涂層固化后進行，工效低；修復時施工裝備遷移量大；故無溶劑聚氨酯全自動或手動機械噴涂防腐層不適合作為補口修復防腐層。

4.1.2 無溶劑環(huán)氧補口綜合評價

無溶劑環(huán)氧粘結強度高，耐陰極剝離、耐熱水浸泡性能優(yōu)異；防腐層長期粘結性能穩(wěn)定；但無溶劑環(huán)氧涂料補口施工工藝較為繁瑣，對表面處理要求較高(Sa 2.5級)，對 PE搭接區(qū)需要采取特殊的氣體極化工藝，防腐層采取底、面漆多道涂刷工藝，工序間時間間隔較長，存在著工序間和面漆干燥過程中沙塵、昆蟲等對涂層表面的污染問題，并需采取防雨等遮蓋措施，且防腐層現場檢測需待涂層固化后進行，工效低，不適合補口修復的單點作業(yè)。

4.1.3 壓敏膠型熱收縮帶補口綜合評價

壓敏膠型熱收縮帶耐熱水浸泡、耐老化、耐陰極剝離性能優(yōu)異，與3,PE防腐層匹配性良好，防腐層性能穩(wěn)定，長期粘結密封性能良好；施工工藝簡單、便捷，壓敏膠具有自粘性，在施工過程中無需熔化，烘烤要求相對較低，工序間銜接緊密，工效高，安裝完畢即可回填。

4.1.4 粘彈體＋外護帶補口結構

STOPAQ粘彈體膠帶+外護帶結構包括 STOPAQ粘彈體膠帶＋環(huán)氧玻璃鋼補口結構、STOPAQ粘彈體＋壓敏膠型熱收縮帶補口結構。該結構耐熱水浸泡、耐老化、耐陰極剝離性能優(yōu)異，防腐層性能穩(wěn)定，長期粘結密封性能良好(見圖12)。

圖12 粘彈體＋外護帶補口結構示意圖Fig.12 Schematic diagram of the composite structureof“vis-coelastic body anticorrosive tape＋hot shrinkage pressure sensitive tape”

4.2 在役管道補口修復防腐層推薦方案

通過埋地管道不同修復方式對比，推薦粘彈體膠帶＋壓敏膠型熱收縮帶復合結構作為在役管道補口修復防腐層，若遇山區(qū)、戈壁及土壤應力大且回填細土較困難的地段，外護帶可換成環(huán)氧玻璃鋼結構。

5 結 論

通過對西氣東輸一線管道已服役10年以上補口進行開挖檢測，評價了管道補口的失效形式，發(fā)現補口失效的原因主要是由于熱收縮帶補口防腐層在使用環(huán)境中的失效和施工質量較差導致的。通過多種補口修復方式對比，表明“粘彈體膠帶＋外護帶”復合結構用作埋地管道補口時施工便利、性能穩(wěn)定、使用的施工裝備少，可作為在役埋地管道補口防腐層修復的首選結構。

［1］周武德. 3,PE管道補口的極化處理技術[J]. 油氣儲運，2011，30(3)：213-215.

［2］韓文禮. 新型熱收縮帶補口專用配套底漆研究[J]. 全面腐蝕控制，2010，24(12)：8-13.

［3］張自力，韓鐘琴. 我國長輸管道熱收縮帶補口應用現狀與存在的問題[J]. 現代涂料與涂裝，2010，13(6)：64-66.

Failure Analysis on Field Joint Coatings of the West-East Gas Pipeline

LI Lingjie1,2，HAN Wenli1,2，XU Zhongping1,2
(1. CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China；2. Key Laboratory of Tubular Goods Engineering，CNPC-Research Division of Anti-Corrosion Coating and Thermal Insulation Structure，Tianjin 300451，China)

The West-East pipeline in China was constructed earlier this century and its field joint coatings adoptedthe typical 3-layer structure，“epoxy primer＋heat-melting adhesive＋radiation cross-linked polyethylene heat shrinkable sleeve”. Based on excavation tests on field joints of the pipelines that served above 10 years，the failure mode was discussed and main reasons of field joint coating failure were found，which include poor construction quality and adhesive degradation in long term service. Through compassion of various field joint repairing materials and structures，the study recommended a “visco-elastic tape＋outer layer” composite structure as the first choice of field joint rehabilitation for buried pipelines.

pipeline；field joint coating；heat-shrinkable tape

TE53

A

1006-8945(2014)10-0079-05

2014-09-09