雙層環(huán)氧粉末防腐硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫管預(yù)制工藝

王秀章

大慶油田工程建設(shè)集團(tuán)建材公司防腐管道廠，黑龍江大慶163712

雙層環(huán)氧粉末防腐硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫管預(yù)制工藝

王秀章

大慶油田工程建設(shè)集團(tuán)建材公司防腐管道廠，黑龍江大慶163712

介紹了一種用于輸送原油和重質(zhì)液體化工原料的新型防腐保溫管的預(yù)制工藝技術(shù)，包括管道雙層環(huán)氧粉末防腐層的生產(chǎn)工藝和硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯保護(hù)層的生產(chǎn)工藝，采用了雙靜電噴涂、真空定徑、管傾斜注料和管水平發(fā)泡等預(yù)制方法，使鋼管得到多層保護(hù)，延長使用壽命，具有極大的推廣價值。

雙層FBE防腐；聚氨酯泡沫；真空定徑工藝；傾斜注料；水平發(fā)泡

0 引言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫管道是原油輸送用的常規(guī)性產(chǎn)品，由于聚氨酯的保溫效果好、抗壓強(qiáng)度高、吸水率低而得到廣泛應(yīng)用。隨著原油長輸管道工程和重質(zhì)液體化工原料輸送管道工程的發(fā)展，對管道性能要求大為提高，保溫管道不僅要有良好的保溫性能，而且要有很好的防腐性能。在煙淄管道工程上采用了一種新型的“管中管”防腐保溫管結(jié)構(gòu)，它由雙層環(huán)氧粉末涂層作鋼管的防腐層、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為保溫層、聚乙烯外護(hù)管作為防護(hù)層，使保溫管具有很好的防腐和保溫性能。它有別于熱網(wǎng)用的直埋保溫管道和油田用的普通保溫管，直埋保溫管道沒有防腐層，油田用的普通保溫管防腐層通常采用液體涂料或聚乙烯膠帶，外防護(hù)層的聚乙烯厚度通常在2 mm以下。新型防腐保溫管道的雙層環(huán)氧粉末涂層具有粘結(jié)強(qiáng)度大、工作溫度高、防腐性能好、抗沖擊能力強(qiáng)和高溫抗?jié)B透性好的特點(diǎn)，同時該涂層保持了單層FBE涂層與陰極保護(hù)的相容性，不會產(chǎn)生陰極保護(hù)屏蔽，具有施工方便等特點(diǎn)；聚氨酯泡沫塑料是目前國際公認(rèn)的保溫性能最好的材料之一。這種新型產(chǎn)品，對于提高長輸管道的工程質(zhì)量和延長管道的使用壽命具有重要的意義。

1 防腐保溫管整體預(yù)制工藝

此新型防腐保溫管結(jié)構(gòu)如圖1所示，即：雙層環(huán)氧粉末涂層+硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層+聚乙烯保護(hù)層結(jié)構(gòu)，端頭戴防水帽。

圖1 防腐保溫管結(jié)構(gòu)示意

整體預(yù)制工藝：

（1）鋼管首先經(jīng)過拋丸除銹，去除其外表面的浮銹和氧化皮等，除銹等級應(yīng)達(dá)到Sa2.5級，錨紋深度控制在50～90 μm。然后經(jīng)過中頻加熱，將鋼管加熱到粉末噴涂時所需要的溫度，不同的粉末材料其熔融溫度也不同，一般在200～230℃之間。采用高壓靜電噴涂環(huán)氧粉末，底層粉末（起防腐）和面層粉末（經(jīng)過材料改性，提高了機(jī)械性能）需采用不同的高壓靜電噴涂機(jī)分別噴涂，待涂層固化后進(jìn)行水冷卻定型，然后進(jìn)行防腐層端頭打磨處理。

（2）聚乙烯外護(hù)管采用真空定徑法生產(chǎn)，聚乙烯料經(jīng)單螺桿塑料擠出機(jī)融化后擠出，通過機(jī)頭模具、真空定徑套、定徑箱冷卻定型，內(nèi)表面做電暈處理，定尺切斷。

（3）在防腐管的外表面用打包帶固定定位塊，用穿管機(jī)將防腐管穿入聚乙烯外護(hù)管內(nèi)，采用法蘭封堵兩端口，從一端向管腔內(nèi)高壓注射發(fā)泡料，待反應(yīng)形成聚氨酯泡沫并固化后，退出端面法蘭，在管端頭佩戴防水帽，將管轉(zhuǎn)入成品區(qū)儲存。生產(chǎn)工藝如圖2所示。

2 雙層粉末涂層涂覆工藝

工藝流程為：上管→拋丸除銹→中頻加熱→底層粉末噴涂→面層粉末噴涂→水冷卻→下管→端頭處理→成品轉(zhuǎn)運(yùn)。

由于雙層環(huán)氧粉末涂層的底層粉末主要起防腐蝕作用，而面層環(huán)氧粉末涂層主要起抗機(jī)械沖擊的作用，材料在性能上有所不同，因此，在工藝上需要采用兩套高壓靜電噴涂機(jī)和兩個噴粉房，分別噴涂底層粉末和面層粉末，有效保證兩種粉末分別回收再利用。噴槍共有16把，沿半圓周分4排布置，每排安裝4把噴槍，以保證噴涂時涂層厚度均勻。

雙層環(huán)氧粉末涂層生產(chǎn)執(zhí)行Q/CNPC 38-2002《埋地鋼質(zhì)管道雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》，雙層環(huán)氧粉末涂料的性能要求見表1，雙層環(huán)氧粉末涂層質(zhì)量指標(biāo)要求見表2。

圖2 雙層環(huán)氧粉末防腐硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫管生產(chǎn)工藝

表1 雙層環(huán)氧粉末涂料性能

表2 實(shí)驗(yàn)室雙層環(huán)氧粉末涂敷試件的涂層質(zhì)量指標(biāo)

關(guān)鍵工序：

（1）鋼管外表面處理采用拋丸除銹工藝，雙拋頭底拋式除銹機(jī)確保鋼管底部與拋頭之間的距離不變，磨料采用鋼丸與鋼砂混合，混合比一般為3∶1，除銹等級達(dá)Sa2.5級，錨紋深度達(dá)50～75 μm，表面灰塵度應(yīng)控制在GB/T 18570.3規(guī)定的2級以上，有利于粉末涂層的粘接。

（2）采用中頻加熱方式將鋼管加熱到粉末噴涂所需要的溫度，使粉末熔融涂覆到鋼管表面，形成防腐層，加熱溫度采用自動測溫、自動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)控，并且熱源無污染。

（3）粉末噴涂采用兩臺高壓靜電噴涂機(jī)分別用來噴涂底層粉末和面層粉末，根據(jù)底層粉末涂層的厚度要求選擇噴槍數(shù)量，靜電高壓一般控制在60 kV，噴涂壓力為0.2 MPa，控制底層粉末的膠化時間。在底層粉末熔融膠化的狀態(tài)下，開始用另一臺噴涂機(jī)噴涂面層粉末。剩余的底層粉末和面層粉末在不同的噴粉倉分別回收，可重新利用。

（4）采用水冷卻使涂層固化定型，冷卻前必須保證粉末有充分固化的時間。

3 聚乙烯外護(hù)管成型技術(shù)

聚乙烯外護(hù)管的擠出成型主要采用真空定徑成型技術(shù)，工藝流程見圖3。

圖3 聚乙烯外護(hù)管成型工藝流程

高密度聚乙烯材料通過單螺桿塑料擠出機(jī)塑化、熔煉、擠出，通過園模成型模具擠出成管材，由定徑套真空吸附冷卻定型。高密度聚乙烯原材料的性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到表3的規(guī)定。

表3 高密度聚乙烯專用料的性能指標(biāo)

對于大口徑聚乙烯外護(hù)管一般采用螺旋式擠出機(jī)頭，在機(jī)頭內(nèi)部物料通過螺旋混合，消除了產(chǎn)品表面的合流縫和產(chǎn)品厚度不均等問題；采用在線電暈處理工藝，對聚乙烯外護(hù)管內(nèi)壁進(jìn)行極化處理，增加表面能，增大內(nèi)表面的粗糙度，環(huán)向大于90%的范圍內(nèi)表面張力系數(shù)應(yīng)大于500 μN(yùn)/cm，有利于泡沫與聚乙烯的粘接。

定徑套的作用是對從模具出來的熔融狀態(tài)的管材料胚進(jìn)行冷卻定型，它主要由前法蘭、后法蘭、圓套和噴水盤以及拉桿等組成，定徑套應(yīng)安裝在真空定型箱入口端。

真空定型箱（亦稱噴淋真空箱）是聚乙烯管材成型的關(guān)鍵設(shè)備，主要由真空定徑系統(tǒng)、噴淋冷卻系統(tǒng)、位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和水位水溫控制系統(tǒng)四大部分組成（見圖4）。真空定型箱分為2 m和6 m兩段，以保證為定徑套段提供穩(wěn)定和足夠的真空度，達(dá)到管材定徑和冷卻雙重效果。真空度的大小一般視具體情況而定，生產(chǎn)的管材直徑越大，壁厚越厚，要求的真空度越高，一般設(shè)置為-0.02～-0.08 MPa。

采用液壓和氣動聯(lián)合控制的自動牽引機(jī)，通過PLC程序控制生產(chǎn)速度和自動計(jì)量長度，將信號反饋給行星切割機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動切割。

外護(hù)管的性能指標(biāo)達(dá)到表4的要求。

圖4 聚乙烯外護(hù)管真空定徑成型機(jī)組示意

表4 外護(hù)管的性能指標(biāo)

4 保溫層傾斜注料水平發(fā)泡技術(shù)

保溫層為硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，它是由組合聚醚和多異氰酸酯混合發(fā)生鏈增長反應(yīng)、發(fā)泡反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)形成的多孔性塑料。在工藝上采用高壓發(fā)泡機(jī)使兩組份料高速撞擊混合，然后從噴槍口噴射出來，在鋼管與聚乙烯管形成的環(huán)狀空間內(nèi)反應(yīng)、發(fā)泡，形成致密的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為保溫層。泡沫料的注射采用管端頭向環(huán)狀空間內(nèi)注射，注料時鋼管傾斜一定的角度，泡沫料沿聚乙烯管內(nèi)壁向下流淌，保證料能達(dá)到底端；發(fā)泡時鋼管恢復(fù)水平工位，管內(nèi)泡沫料回流的同時發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，泡沫沿管的軸向自然生長，形成的保溫層密度比較均勻、抗壓強(qiáng)度比較一致，泡孔致密，閉孔率高。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通過端頭法蘭上的排氣孔排出。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層生產(chǎn)執(zhí)行CJ/T114-2000《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管》。硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層發(fā)泡所需設(shè)備有：穿管機(jī)、傾斜發(fā)泡平臺和高壓發(fā)泡機(jī)等，發(fā)泡工藝技術(shù)包括以下方面：

（1）鋼管套穿工藝。保溫管底層采用雙層環(huán)氧粉末防腐，生產(chǎn)過程中應(yīng)保證防腐層完好；防腐鋼管與聚乙烯外護(hù)管之間用T型聚乙烯支撐塊定位，其高度應(yīng)比保溫層厚度小2 mm，支撐塊沿圓周均勻布置，用鋼帶穿孔固定在防腐管上，鋼帶的拉緊力靠氣動打包機(jī)來實(shí)現(xiàn)；支撐塊間留有足夠空間，保證發(fā)泡料的流動不受阻礙；由穿管機(jī)將防腐鋼管穿入聚乙烯外護(hù)管內(nèi)，防腐鋼管兩端應(yīng)留出一定的留頭長度。

（2）液壓封堵技術(shù)。管中管端頭密封采用液壓控制法蘭結(jié)構(gòu)，點(diǎn)動控制。法蘭內(nèi)孔與防腐管之間采用密封圈密封，法蘭凸臺階與聚乙烯外護(hù)管的內(nèi)徑面緊密接觸，法蘭端面與外護(hù)管緊密貼合，形成雙密封，以確保不漏料；在法蘭上鉆有6個放氣孔，內(nèi)裝透氣塞，使泡沫料反應(yīng)產(chǎn)生的氣體可以有效地排出，避免產(chǎn)生空洞。

（3）傾斜注料，水平發(fā)泡。發(fā)泡平臺采用傾斜角可調(diào)式，傾斜角不超過5°，通過液壓缸手動控制；傾斜注料結(jié)束后，將平臺調(diào)節(jié)到水平位置發(fā)泡。

（4）高壓發(fā)泡技術(shù)。高壓發(fā)泡技術(shù)是管中管生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵技術(shù)，采用環(huán)保型A-350高壓發(fā)泡機(jī)，將組合聚醚和異氰酸酯兩組料通過高壓計(jì)量泵，按照設(shè)定的比例和質(zhì)量輸送到混合室內(nèi)，兩組料在混合室內(nèi)高速撞擊混合，然后以一定的速度和壓力（可達(dá)20 MPa）噴射出來；高壓發(fā)泡機(jī)上帶有兩個500 L的料罐，分別用來盛裝組合聚醚和異氰酸酯，料罐帶有加熱和冷卻系統(tǒng)，可以按照設(shè)定的溫度給原料預(yù)熱，以滿足工藝要求。

（5）端頭防護(hù)技術(shù)。將保溫管端頭清理干凈，切割多余的聚乙烯外護(hù)管，保證留頭長度，管的兩端頭安裝防水帽，用以防止保溫層進(jìn)水，現(xiàn)場應(yīng)用時整條管道即使有一根管的保溫層進(jìn)水，也不會滲透到其他管。

雙層環(huán)氧粉末防腐硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫管的指標(biāo)要求和測試結(jié)果見表5。

表5 雙層環(huán)氧粉末防腐硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫管的技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)束語

本文介紹的雙層環(huán)氧粉末防腐硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫管道預(yù)制工藝技術(shù)，將防腐和保溫技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，在生產(chǎn)工藝上解決了聚乙烯管開孔注料等工藝問題，保證了聚乙烯外護(hù)管的整體連續(xù)性和保溫管的質(zhì)量可靠性。

[1]楊曉鴻.天然氣管道雙層熔接環(huán)氧粉末防腐體系的應(yīng)用[J].油氣儲運(yùn)，2005，24（1）：43-46.

[2]唐燕青.高密度聚乙烯外護(hù)、聚氨泡沫塑料保溫管道預(yù)制成型工藝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2004，30（3）：10-12.

[3]喬軍平，張嗣伋，張永宏，等.三層PE兼容泡沫夾克保溫管生產(chǎn)線[J].石油工程建設(shè)，2006，31（3）：48-50.

Prefabrication Process of Rigid Polyurethane Foam Thermal Insulation Pipes with Double-layer Fusion Bonded EpoxyPowder for Anticorrosion

Wang Xiuzhang
Anticorrosive Pipe Factory of Building Materials Company，Daqing Oilfield Engineering Construction Group，Daqing 163712，China

The prefabrication process of new kind of rigid polyurethane foam thermal insulation pipes with double-layer fusion bonded epoxy powder for anticorrosion used in pipelines transporting crude oiland heavy liquid chemical materials is introduced，which includes the production processes of anticorrosion layer of double-layer fusion bonded epoxy powder，rigid polyurethane foam thermal insulation layer and polyethylene protective layer as well as the methods of double electrostatic spraying，vacuum sizing，pipe tilting for material injection and pipe horizontal for foaming.These processes and methods enable the steel pipe to be protected with multi layers，thus prolong the pipe service life and have great popularization value.

double-layer fusion bonded epoxy powder for anticorrosion；polyurethane foam；vacuum sizing process；tilt pipe for materialinjection；horizontalpipe for foaming

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.019

王秀章（1967-），男，遼寧莊河人，工程師，1987年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，從事油田管道防腐保溫技術(shù)工作。

2014-06-18