埋地管道防腐層補口補傷材料性能試驗

李劍楠， 王碩,2， 王樂

(1.華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

?

埋地管道防腐層補口補傷材料性能試驗

李劍楠1， 王碩1,2， 王樂1

(1.華北理工大學 建筑工程學院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

埋地管道；防腐層；補口補傷；埋地腐蝕

參照QSY_GJX_140-2012油氣管道工程鋼質(zhì)管道防腐層補口補傷技術規(guī)范的相關標準, 對埋地管道防腐層進行了為期90 d的試驗, 以期考察埋地管道防腐層的補口補傷的抗腐蝕性能。試驗結果表明，將3根相同管徑和壁厚的鋼管外分別纏繞NTG粘彈體、玻璃纖維、碳纖維防腐材料，在不同位置設人為缺陷孔，并將每根鋼管的3個缺陷孔分別用NTG粘彈體、玻璃纖維、碳纖維修補纏繞，埋于地下1 m深。在試驗周期結束后觀察不同修復防腐層在人為缺陷孔附近的腐蝕程度和修補效果。結果顯示，3種補傷材料中，碳纖維材料的補傷防腐能力最好，玻璃纖維最差。該項研究成果為管道工程中補傷補口防腐材料的選擇提供了依據(jù)。

0引言

埋地管道防腐層補口補傷是保證管道正常工作的重要工藝，也是整條管道防腐層質(zhì)量控制的薄弱環(huán)節(jié)，更是管道外防腐中最容易出現(xiàn)問題的部位[1]。管道的防腐層在油氣運輸使用和鋪設過程中，很難做到完好無損。埋地管道的防腐層如果破損，會因土壤電解質(zhì)或陰極保護的作用在破損處產(chǎn)生剝離，使得管道受到腐蝕和破壞，甚至會造成管道破裂爆炸等嚴重后果。采用良好的補口補傷材料和現(xiàn)場方便的操作方法是現(xiàn)階段管道補口補傷的主要措施。目前，管道工程中防腐管道的補口補傷仍采用熱收縮帶(套)或液體環(huán)氧涂層 + 熱收縮帶(套)2種方式。對于這些材料的性能，研究人員進行了大量的試驗研究。李俊中研究了國內(nèi)外常用的防腐補口及補傷的材料性能，得出丁基橡膠壓敏膠為自黏膠層的聚丙烯冷纏膠帶與黏彈體膠帶 + 外保護帶復合體系是目前較好的在役埋地管道 3PE 防腐層補口補傷材料[2]。李玲杰等人通過對管道多種修復方式的對比，建議將施工方便、性能優(yōu)越的“粘彈體+外護帶”作為在役埋地管道補口補傷防腐層修復的首選結構[3]。黃勁等人對聚乙烯防腐材料的補口施工工藝和質(zhì)量控制進行了研究[4]。廖煜炤等人對傳統(tǒng)收縮帶補口進行了研究，并介紹了其特點和存在的問題，針對施工工藝存在的問題提出了新型熱收縮帶補口施工工藝[5]。隨著管道工程技術和質(zhì)量的不斷進步，粘彈體材料良好可塑性和溫度使用范圍、優(yōu)越的粘結力、自我修復能力和施工方便等優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，在管道工程的補口補傷過程中愈發(fā)受到重視，研究人員也開始對粘彈體材料進行更加深入的研究[6-7]；碳纖維材料以其抗拉強度高、適溫范圍廣、材料自身性能穩(wěn)定安全、施工方便、修復效果良好等優(yōu)點使其在管道補口補傷修復方面得到應用[8]。玻璃纖維在價格方面頗占優(yōu)勢。

該研究采用粘彈體+粘彈體帶、碳纖維+環(huán)氧樹脂、玻璃纖維+環(huán)氧樹脂為埋地管道補口補傷防腐層材料，在陰極剝離試驗的基礎上，針對剝離試驗后的試件防腐層補口補傷性能進行試驗對比。通過挖尺寸大小為1 m×1 m的坑，準備好陰極剝離試驗后的試件，將管道實際埋地模擬現(xiàn)場腐蝕情況，用來測定這3種材料的補口補傷性能[9]。為埋地管道工程補口補傷材料的選取提供依據(jù)。

1試驗概況

1.1試驗材料

本試驗采用陰極剝離試驗后的鋼管作為試驗試件。剝離試驗試件采用的管道防腐層材料有粘彈體、粘彈體帶、玻璃纖維、碳纖維、環(huán)氧樹脂以及固化劑。鋼管采用直徑為72 mm、壁厚為3 mm的無縫鋼管，管兩端用橡膠塞塞住并灌膠密封。包裹防腐層前管道表面進行除銹[9]。

試驗用其他材料包括塑料桶、砂輪機、鉆頭和直觀檢查工具(刀)、游標卡尺等。

1.2試件制備

(1)陰極剝離試驗試件制備：將3根管長、管徑、壁厚相同的無縫鋼管纏繞不同的防腐層材料，并將其分別標注為試件I、試件II、試件III。所用防腐層材料分別為：粘彈體+粘彈體帶、環(huán)氧樹脂+固化劑+碳纖維、環(huán)氧樹脂+固化劑+玻璃纖維。均勻纏繞3種防腐層材料的試件如圖1所示。

圖1　不同防腐層的試件

(2)待防腐層干結硬化后，將管道上下端用膠塞封堵，并灌環(huán)氧樹脂加以密封，防止試件埋地過程中管道內(nèi)部受到外界環(huán)境腐蝕，影響試驗結果。在露出防腐層的管段試件頂部焊接絕緣銅導線，檢驗防腐層的連續(xù)性和端蓋密封的有效性，檢測防腐層是否存有漏點。在每個試件的上中下端以相同的距離鉆人為缺陷孔，以露出鋼管為標準，缺陷孔的豎向角度排列在120°左右，用來分析試驗結果。

(3)陰極剝離試驗完成后的試件即為本試驗所用的試件。

1.3試驗裝置與步驟

按照圖2所示的試驗裝置圖，把試件I、試件II和試件III進行陰極剝離試驗后，針對陰極剝離試驗后的試件，對每個試件上出現(xiàn)的缺陷孔利用3種防腐層料補口修復，對比3種材料之間的融合及修復效果。

(1)用小桶將環(huán)氧樹脂和固化劑按一定比例配取，使其成液態(tài)流體。

(2)將配好的環(huán)氧樹脂分別均勻涂在試件I，試件II和試件III的中間和下部傷口。然后將玻璃纖維和碳纖維纏繞在傷口處，纏繞時刷環(huán)氧樹脂粘好，以防止外界對鋼管的腐蝕。接口處刷環(huán)氧樹脂做好密封。

(3)將3個試件的上部傷口先用粘彈體均勻涂敷在表面一圈，然后用粘彈體帶纏繞1周并封好接口處。

(4)再次檢查補口是否密封和完整后，在露天自然的土地上挖尺寸大小為1 m×1 m，深度為1 m的土坑，將3根試件放入坑中并填埋等待試驗結果。

圖2　陰極剝離試驗裝置

2試驗結果和分析

2.1對試件I的性能研究

當經(jīng)歷1個雨季90 d以后，挖出試件觀測結果。3個試件均沒有出現(xiàn)新的破損傷口，試件I用粘彈體修復的傷口處出現(xiàn)褶皺，表面無破損，接口處有輕微的腐蝕痕跡和邊緣翹起，粘性降低，密封性無明顯影響；試件I用玻璃纖維修復的傷口處，玻璃纖維管體表面有輕微劃傷，接口處有腐蝕和翹起，玻璃纖維呈脆性狀態(tài)，易損壞，密封性降低，補口處有凹陷；試件I用碳纖維修復的傷口處，表面有輕微的腐蝕，顏色變淺，接口處有輕微翹起，韌性無明顯變化，密封性良好，修復口處有凹陷。如圖3所示。

圖3　試件I修復埋地后狀況

2.2對試件II的性能研究

試件II用粘彈體修復的傷口處表面良好，接口處輕微腐蝕，粘性略降低，密封性無明顯影響，傷口處無明顯腐蝕痕跡；試件II用玻璃纖維修復的傷口處凹陷明顯，接口處腐蝕明顯，玻璃纖維有破損，密封性降低；試件II用碳纖維修復的傷口處，表面無明顯變化，接口處有翹起，無明顯腐蝕，密封良好。如圖4所示。

圖4　試件II修復埋地后狀況

2.3對試件III的性能研究

試件III用粘彈體修復的傷口處褶皺，接口處翹起腐蝕，粘性降低明顯，密封性有影響；用玻璃纖維修復的傷口處凹陷嚴重，接口處有腐蝕密封性影響嚴重；用碳纖維修復的傷口處有輕微凹陷，表面無明顯變化，接口處無明顯變化。如圖5所示。

圖5　試件III修復埋地后狀況

通過觀察分析，可以看出粘彈體因其延展性大而容易變形和翹起，在接口處容易被腐蝕，這樣就較容易造成鋼管的腐蝕；但是其良好的粘性和整體性以及方便的可操作性使其較適合鋼管的補口補傷；玻璃纖維具有良好的韌性和彈性，使其具有不易破損、不易被劃傷的特點，但是玻璃纖維的孔隙很大，經(jīng)常疊起來使用，表面要涂敷很多的環(huán)氧樹脂來保證玻璃纖維的正常工作，接口處配合環(huán)氧樹脂進行補口時效果也不甚理想，接口處容易腐蝕。這樣就不能很好地保證玻璃纖維對傷口處的保護，而且操作過程比較繁雜，修復欠規(guī)整；碳纖維作為新興的復合材料以其韌性高、強度好等優(yōu)點被廣泛使用。其表面基本無變化，接口處配合環(huán)氧樹脂密封良好，而且不易被腐蝕。從試驗中可以看出，碳纖維在不同的材料上的補口補傷能力都優(yōu)于其他2種材料。

3結論

(1)環(huán)氧樹脂+碳纖維結合成的防腐層材料在對鋼管補口補傷的效果最好，有較好的抗滑和抗腐蝕能力；環(huán)氧樹脂+玻璃纖維對鋼管的補口補傷效果最差，膠體硬化后，玻璃纖維成脆性狀態(tài)，而較大的孔隙導致玻璃纖維不能很好地補口補傷，大部分是靠環(huán)氧樹脂來起到防腐作用。粘彈體+粘彈體帶這種防腐材料操作方便，易于施工，但是其粘性會隨著時間的延長而退化，導致管體的腐蝕，所以其補口補傷能力比碳纖維差。

(2)環(huán)氧樹脂干結硬化后，防腐材料會呈脆性狀態(tài)，容易發(fā)生脆性斷裂。在試驗中如果環(huán)氧樹脂和管體粘結不好，會使防腐層和管體分離，而粘彈體防腐層與管體粘結牢固。

(3)同一種材料在不同的試件上的效果不同，從試驗可以看出，一種補傷材料用在相同的防腐層材料的管體上的效果要優(yōu)于用在其他防腐材料的管體上。

[1]趙常英，張志貴，賈平軍，等. 粘彈體在埋地管道補口應用中遇到的問題及其解決方案[J].石油工程建設,2013,39(5):43-46.

[2]李俊中. 在役埋地管道 3PE 防腐層補口與補傷選材[J]. 腐蝕與防護, 2014, 32(2):65-67.

[3]李玲杰，韓文禮，徐忠蘋. 西氣東輸一線埋地管道補口材料失效分析[J].天津科技, 2014, 41(10):79-83.

[4]黃勁，黃永強，梁承勇，等. 淺談埋地管道聚乙烯補口帶補口工藝[J].中國高新技術企業(yè),2015, (7): 90-91.

[5]廖煜炤，王杰，李建軍，等. 聚乙烯熱收縮帶補口施工工藝應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].腐蝕與防護, 2014, 35(6):602-611.

[6]張穎懷，王修云，阮景紅. 粘彈體相關標準及其技術參數(shù)解析[J]. 腐蝕與防護, 2013, 34(8):730-733.

[7]袁春，李建忠，王穎，等. 粘彈體防腐材料研制及其應用[J].油氣儲運,2012,31(11):837-840.

[8]王悅.埋地輸氣管道腐蝕缺陷分析及修復對策[J].石油工程建設,2009,35(3):41-43.

[9]中國石油管道建設項目經(jīng)理部企業(yè)標準.Q/SY GJX 140-2012油氣管道工程鋼質(zhì)管道防腐層補口補傷技術規(guī)范[S].北京:石油工業(yè)出版社,2012.

Anticorrosion Property of Joint Coating and Coating Repair Materials of Buried Pipelines

LI Jian-nan1, WANG Shuo1,2, WANG Le1

(1.College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan Hebei 063009,China)

buried pipeline;anti-corrosive coating;injury repair;underground corrosion

According to the standard of QSY_GJX_140-2012 Technical Specification of Field Joint Coating and Coating Repair for Oil And Gas Pipeline Project, anticorrosion layer of buried pipeline was tested for a period of 90 days, so as to investigate the anticorrosion properties of joint coating and coating repair materials of buried pipelines. The results show that three seamless steel pipes in same diameter and wall thickness banded with NTG visco-elastic materials, carbon fiber and glass fiber materials respectively were set man-made defect holes, and the holes of the three steel pipes were banded with NTG visco-elastic materials, carbon fiber and glass fiber materials respectively, and then were buried into one meter deep underground. Corrosion degree and repair effect around the man-made defect holes were observed after the test cycle. The results show that carbon fiber material possesses the best corrosion resistance for mending in the three kinds of mending materials, while the corrosion resistance of glass fiber is the worst. The research results will provide reference basis for the selection of joint coating and coating repair materials of pipeline engineering.

2095-2716(2015)04-0117-05

U177.2

A