新型補(bǔ)口材料在埋地管道補(bǔ)口修復(fù)中的應(yīng)用

李玲杰，韓文禮，林 竹，徐忠蘋，楊耀輝，張彥軍

(中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451)

新型補(bǔ)口材料在埋地管道補(bǔ)口修復(fù)中的應(yīng)用

李玲杰，韓文禮，林 竹，徐忠蘋，楊耀輝，張彥軍

(中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451)

埋地管道補(bǔ)口失效主要是由于補(bǔ)口防腐層質(zhì)量問題、補(bǔ)口施工質(zhì)量問題和補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的老化失效所導(dǎo)致。介紹了幾種新型補(bǔ)口材料在西部某管道補(bǔ)口修復(fù)和施工中的成功應(yīng)用，對補(bǔ)口修復(fù)后防腐層的安裝質(zhì)量進(jìn)行了檢測與評價，跟蹤了管道運行1年、3年、4年后補(bǔ)口防腐層的性能，并分析了結(jié)果。

埋地管道 補(bǔ)口防腐層 修復(fù) 開挖檢測

0 引 言

熱收縮帶補(bǔ)口在國內(nèi) 3,PE管道中大量應(yīng)用，技術(shù)比較成熟。但是在實際工程施工中，由于施工工序、工藝、施工環(huán)境和水平的不同，熱收縮帶補(bǔ)口質(zhì)量存在一些問題，嚴(yán)重影響了管道的使用壽命。[1]為此，在國內(nèi)外長輸管道工程中，對已出現(xiàn)問題補(bǔ)口進(jìn)行修復(fù)并尋求更好的補(bǔ)口修復(fù)方式是解決補(bǔ)口問題的一個途徑。[2]近年來，管道補(bǔ)口領(lǐng)域呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢，新型補(bǔ)口修復(fù)材料發(fā)展迅速，并且在實際工程中得以應(yīng)用。正確使用補(bǔ)口修復(fù)方式和材料，提高施工質(zhì)量并對修復(fù)補(bǔ)口防腐層進(jìn)行合理的開挖檢測，對整個管道的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。[3]

1 埋地管道補(bǔ)口失效原因

1.1 產(chǎn)品質(zhì)量問題

在近幾年的管道建設(shè)工程中，對熱收縮帶產(chǎn)品采取了嚴(yán)格的抽檢制度，發(fā)現(xiàn)了一些不合格產(chǎn)品。例如：有的產(chǎn)品批次尺寸不夠，有的產(chǎn)品熱老化指標(biāo)不合格(包括國外品牌)，還有的產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度不合格，有的在烘烤過程中出現(xiàn)熱收縮帶爆裂現(xiàn)象等。這些問題主要是生產(chǎn)管理上存在問題，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差。

1.2 施工質(zhì)量問題

在對某工程某標(biāo)段防腐補(bǔ)口質(zhì)量的調(diào)查中，同時開挖檢查了同一施工單位采用幾個廠家(兩家國外、一家國內(nèi))生產(chǎn)的熱收縮帶施工的防腐補(bǔ)口。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在抽查的3種產(chǎn)品各2、3和5個補(bǔ)口(每個補(bǔ)口檢查對鋼管和3,PE防腐層各2處，共 4處)的剝離強(qiáng)度中，分別有一處的剝離強(qiáng)度低于規(guī)范要求。從調(diào)查結(jié)果看，所調(diào)查的補(bǔ)口總體質(zhì)量情況滿足施工規(guī)范的要求，但每種材料的補(bǔ)口都存在剝離強(qiáng)度不合格的部位，顯然不是材料問題，而是施工問題。在工程質(zhì)量檢查中也發(fā)現(xiàn)了一些沒有嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程而造成的施工質(zhì)量問題。

施工質(zhì)量問題的出現(xiàn)主要是由于熱收縮帶產(chǎn)品的施工要求為手工操作，施工質(zhì)量很大程度上受到操作人員的技術(shù)水平和責(zé)任心的影響，收縮帶材料質(zhì)量好，不等于安裝后質(zhì)量好。

1.3 熱收縮帶補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的失效

熱收縮帶補(bǔ)口防腐層的基本組成為環(huán)氧底漆＋熱收縮帶復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩者通過熱熔膠粘結(jié)成為一體，從而實現(xiàn)對管體補(bǔ)口部位的絕緣保護(hù)，因此熱熔膠的性能是決定熱收縮帶補(bǔ)口有效性的關(guān)鍵因素。如圖 1為補(bǔ)口熱收縮帶在10點位置 PE搭接處出現(xiàn)翹邊情況，剝除熱收縮帶后，發(fā)現(xiàn)無溶劑環(huán)氧底漆脫落嚴(yán)重，熱收縮帶與無溶劑環(huán)氧底漆同時失效導(dǎo)致管體腐蝕嚴(yán)重。

2 在役埋地管道補(bǔ)口修復(fù)新型材料技術(shù)

為解決埋地管道補(bǔ)口失效的問題，國內(nèi)外管道外防腐層補(bǔ)口技術(shù)已經(jīng)向多樣化方向發(fā)展，粘彈體膠帶、[4]熱縮壓敏帶、[5]無溶劑環(huán)氧涂層、[6]機(jī)械化噴涂聚氨酯[7]等材料也開始應(yīng)用于管道失效補(bǔ)口修復(fù)施工過程中。

圖1 補(bǔ)口熱收縮帶翹邊及管體腐蝕情況Fig.1 Pipe corrosion situation and warped edge of heat shrinkable sleeve

2.1 粘彈體膠帶＋外護(hù)帶防腐層簡介

粘彈體膠帶是將一種永不固化的粘彈性聚合物復(fù)合在聚乙烯薄膜上制成的冷纏膠帶，施工便捷，粘結(jié)良好。粘彈體膠帶由于機(jī)械強(qiáng)度低，所以必須采用配套的外防護(hù)帶以提高防腐層的整體機(jī)械強(qiáng)度，外護(hù)可采用熱縮壓敏帶、環(huán)氧玻璃鋼等，在戈壁、礫石段等土壤剪切力較大的地區(qū)應(yīng)使用強(qiáng)度較高的玻璃鋼外護(hù)。西部某管道自 2008年起在管道外檢測、補(bǔ)口檢測以及隧道內(nèi)補(bǔ)口檢測中采用“粘彈體＋冷纏帶”進(jìn)行了補(bǔ)口或大缺陷的修復(fù)。

2.2 無溶劑聚氨酯防腐層簡介

無溶劑聚氨酯涂料用于3,PE管線的補(bǔ)口在國外已經(jīng)有近15年的應(yīng)用歷史，補(bǔ)口管道里程達(dá) 25,000,km。無溶劑聚氨酯涂料低溫下可施工，固化時間短，可配成彈性體或剛性體，一次涂敷厚度可達(dá) 1.2,mm，易補(bǔ)傷、有韌性、耐磨、抗沖擊、化學(xué)穩(wěn)定性好。管體PE搭接部位如進(jìn)行表面極化處理可提高聚氨酯補(bǔ)口涂層的粘結(jié)性能。其現(xiàn)場施工方式一般為手工噴涂或機(jī)械自動噴涂，自動噴涂需要專用設(shè)備。

2.3 無溶劑環(huán)氧防腐層簡介

無溶劑環(huán)氧涂料主要以改性環(huán)氧樹脂為主要成膜物，可利用活性稀釋增韌劑實現(xiàn)無溶劑化，具有良好的粘接力、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能。無溶劑環(huán)氧涂料用于埋地管道補(bǔ)口修復(fù)在國外已經(jīng)有10多年的應(yīng)用歷史，加拿大SPC公司是國外該領(lǐng)域的典型代表。近年來其在國內(nèi)油氣管道工程項目中也已得到應(yīng)用。

3 埋地管道補(bǔ)口修復(fù)新型材料實驗室性能檢測與評價

由于補(bǔ)口材料的類型不同，其檢測項目、實驗方法及技術(shù)指標(biāo)也隨之不同，國外通用的外防腐層補(bǔ)口標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO,21809—3《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用埋地管道和水下管道外防腐層補(bǔ)口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。

3.1 “粘彈體＋外護(hù)帶”補(bǔ)口材料測試結(jié)果

實驗室檢測的“粘彈體＋外護(hù)帶”類型包括“粘彈體＋環(huán)氧玻璃鋼”、“粘彈體＋進(jìn)口熱縮壓敏帶”兩種類型，主要對該結(jié)構(gòu)外護(hù)的抗沖擊性能、粘彈體與鋼/3,PE搭接區(qū)的粘結(jié)性能進(jìn)行了測試與評價，其實驗室檢測結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 粘彈體＋外護(hù)帶補(bǔ)口材料實驗室檢測數(shù)據(jù)表Tab.1 Test result of “visco-elastic material＋outer protecting” repair material

圖2 “粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)實驗室測試結(jié)果Fig.2 Test result of “visco-elastic material＋outer protecting” repair material

由試驗結(jié)果可知：“粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)的檢測項目達(dá)到性能指標(biāo)要求，表現(xiàn)出良好的粘接性能和覆蓋性能。同時，該結(jié)構(gòu)有良好的耐干、濕熱老化行為，50,℃、0.5,MPa、28,d強(qiáng)化熱水浸泡后的剝離強(qiáng)度值均未見明顯變化，且與PE粘結(jié)密封性能穩(wěn)定。

3.2 無溶劑聚氨酯補(bǔ)口材料實驗室測試與評價

本文所采用的無溶劑聚氨酯涂料分為噴涂型和刷涂型兩種制樣方式，其實驗室檢測結(jié)果如表2所示，試驗典型照片如圖3、4所示。

表2 無溶劑聚氨酯涂料實驗室檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Test result of “polyurethane” repair material

圖3 無溶劑聚氨酯涂層在不同溫度下(28,d)的陰極剝離測試結(jié)果Fig.3 Cathodic debonding test results of “polyurethane”repair material after 28,days

圖4 無溶劑聚氨酯涂層對鋼/PE剝離強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.4 Peel strength test results of “polyurethane”repair material

由試驗結(jié)果可知：無溶劑聚氨酯涂料抗沖擊性能和陰極剝離性能達(dá)到指標(biāo)要求，但粘接強(qiáng)度相對技術(shù)指標(biāo)要求有所偏低。

3.3 無溶劑環(huán)氧涂料實驗室測試與評價

本文所采用的無溶劑環(huán)氧涂料為西部某管道埋地管道補(bǔ)口修復(fù)用補(bǔ)口涂料，其實驗室檢測結(jié)果如表 3所示，試驗典型照片如圖5、6所示。

圖5 無溶劑環(huán)氧涂層粘接強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.5 Peel strength test results of “solvent free epoxy coating” repair material

表3 無溶劑環(huán)氧涂層實驗室檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Test result of “solvent free epoxy coating”repair material

圖6 無溶劑環(huán)氧涂層在不同溫度下(28,d)的陰極剝離測試結(jié)果Fig.6 Cathodic debonding test results of “solvent free epoxy coating” repair material after 28,days

由試驗結(jié)果可知：經(jīng)檢測西部某管道補(bǔ)口涂層的各項性能均達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)的要求。

4 在役3,PE管道補(bǔ)口修復(fù)現(xiàn)場試驗結(jié)果

2010年，對西部某管道的52道試驗口進(jìn)行了補(bǔ)口修復(fù)現(xiàn)場試驗，采用了“粘彈體＋熱縮壓敏帶”、無溶劑環(huán)氧補(bǔ)口材料及結(jié)構(gòu)；2011年，選取60,km管道進(jìn)行了機(jī)械化噴涂聚氨酯補(bǔ)口施工。2014年5月，對在役埋地管道3,PE外防腐層使用過的不同補(bǔ)口修復(fù)材料及修復(fù)效果定期進(jìn)行全面跟蹤檢查，以掌握各種補(bǔ)口修復(fù)技術(shù)的長期使用性能，為埋地管道補(bǔ)口修復(fù)提供指導(dǎo)，檢測項目包括外觀、粘接強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、防腐層對管體的保護(hù)效果等。

4.1 “粘彈體＋外護(hù)”補(bǔ)口檢測結(jié)果

對 2011年修復(fù)的“粘彈體＋熱縮壓敏帶”結(jié)構(gòu)(3道)、2013年修復(fù)的“粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)(5道)補(bǔ)口進(jìn)行檢測評價。開挖檢測結(jié)果表明：①2013年修復(fù)的“粘彈體＋熱敏壓縮帶”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層埋地 1年后防腐性能無明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效；②2011年修復(fù)的“粘彈體＋熱敏壓縮帶”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層埋地運行 3年后，防腐性能無明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效；③2013年修復(fù)的“粘彈體＋環(huán)氧玻璃鋼外護(hù)”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層經(jīng)過 1年后防腐性能無明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效。

4.2 噴涂聚氨酯補(bǔ)口檢測結(jié)果

本次研究，對 2010年“噴涂聚氨酯”試驗修復(fù)補(bǔ)口(2道)、2011年“噴涂聚氨酯”試驗修復(fù)補(bǔ)口(3道)、2013年某管線新建“噴涂聚氨酯”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口(3道)進(jìn)行檢測評價，開挖檢測結(jié)果表明：“噴涂聚氨酯”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層經(jīng)過埋地1年、3年、4年后，所檢部位的涂層未發(fā)生變色、起泡等老化現(xiàn)象，經(jīng)檢測補(bǔ)口防腐層性能未發(fā)生明顯變化，補(bǔ)口部位處于防腐層正常保護(hù)狀態(tài)。但補(bǔ)口防腐層對鋼管的附著力與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)(ISO 21809-3、Q/SY GJX 140-2012和SY/T 4106-2005)相比，數(shù)值偏低，低于10,MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 “無溶劑環(huán)氧＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)

對2011年、2013年修復(fù)的“無溶劑環(huán)氧＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口(8道)進(jìn)行檢測評價，開挖檢測結(jié)果表明：①2013年修復(fù)補(bǔ)口，“無溶劑環(huán)氧＋熱縮壓敏帶”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層經(jīng)過 1年后防腐性能無明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效，但有的補(bǔ)口存在無溶劑環(huán)氧涂層厚度偏低的現(xiàn)象，建議加強(qiáng)補(bǔ)口修復(fù)時的過程控制，對施工過程的關(guān)鍵控制點加大檢查密度和力度，以保證補(bǔ)口修復(fù)質(zhì)量；②2011年修復(fù)補(bǔ)口，“無溶劑環(huán)氧＋熱縮壓敏帶”結(jié)構(gòu)經(jīng)埋地運行3年后，有1道口(1-1#)出現(xiàn)了外護(hù)熱縮壓敏帶下垂現(xiàn)象，外護(hù)保護(hù)作用失效，但內(nèi)層無溶劑環(huán)氧涂層未發(fā)生變色、起泡等老化現(xiàn)象，經(jīng)檢測補(bǔ)口防腐層性能未發(fā)生明顯變化，內(nèi)層環(huán)氧對鋼管的保護(hù)有效。

5 結(jié) 論

①防腐層質(zhì)量問題、施工質(zhì)量問題和防腐層在使用環(huán)境中的失效是導(dǎo)致埋地管道補(bǔ)口失效的主要原因。②新型補(bǔ)口材料復(fù)合結(jié)構(gòu)比單一結(jié)構(gòu)更適合于 3,PE防腐層補(bǔ)口的修復(fù)，防腐層初始及埋地1年、3年、4年后防腐層性能穩(wěn)定。③“粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口實驗室檢測性能達(dá)到指標(biāo)要求，現(xiàn)場開挖檢測結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)與 3,PE防腐層匹配性良好，適合于補(bǔ)口修復(fù)的單點作業(yè)。④“噴涂聚氨酯”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口技術(shù)的現(xiàn)場施工機(jī)械化作業(yè)程度高，現(xiàn)場施工難度較大，防腐層現(xiàn)場檢測需待涂層固化后進(jìn)行，較適合作為新建管道的補(bǔ)口，不適合補(bǔ)口修復(fù)的單點作業(yè)。現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，涂層未發(fā)生變色、起泡等老化現(xiàn)象，補(bǔ)口部位處于防腐層正常保護(hù)狀態(tài)，但補(bǔ)口防腐層對鋼管的附著力數(shù)值偏低，與實驗室檢測結(jié)果一致。⑤“無溶劑環(huán)氧涂料＋外護(hù)”補(bǔ)口結(jié)構(gòu)對施工條件要求較高，可在機(jī)械化施工可行的管段使用?！?/p>

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Application of New Field Joint Coatings in the Rehabilitation of Buried Pipelines

LI Lingjie，HAN Wenli，LIN Zhu，XU Zhongping，YANG Yaohui，ZHANG Yanjun
(CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China)

The failure of commonly used field joint coating(heat shrinkable sleeve)in 3,PE pipeline was due to poor FJC coating material quality，poor construction quality and failure of coatings in service environment．Some new FJC materials，such as visco-elastic tape，solvent-free epoxy coating and spray-applied liquid polyurethane were introduced in this paper．Application cases of these new FJC coatings in a long distance pipeline in Western China were also introduced．The evaluation and assessment of rehabilitation quality were carried out and the performance of field joint coating was tracked after 1 year，3 years and 4 years respectively and relative results were analyzed.

buried pipeline；field joint coating；rehabilitation；pipeline inspection

TE988

：A

：1006-8945(2015)10-0055-04

2015-09-18