HDPE內(nèi)襯技術(shù)在腐蝕性介質(zhì)管道中的應(yīng)用

宋海英 王銘偉

摘 要：普通的碳鋼管道在腐蝕性介質(zhì)中極易失效穿孔，采用非金屬內(nèi)襯技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的碳鋼管道保護(hù)技術(shù)之一。利用HDPE的低密度、高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性、長(zhǎng)壽命及優(yōu)良的耐蝕性等特點(diǎn)，將其作為襯里材料加在碳鋼管道內(nèi)部可以有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵蝕，是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，并在多個(gè)項(xiàng)目獲得成功應(yīng)用。該技術(shù)根據(jù)實(shí)際情況的不同可以作為預(yù)制管時(shí)用也可作為現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)手段使用。該文對(duì)常用碳鋼管道HDPE內(nèi)襯技術(shù)及其特點(diǎn)分別進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：HDPE 管道 內(nèi)襯 腐蝕

中圖分類號(hào)：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（b）-0006-02

Abstract： Carbon steel pipelines are sensitive to pittings in corrosive solutions， polymer lining is one of the most widely used internal protection techniques for carbon steel pipe. HDPE is a kind of polymer with low density， high strength， high abrasion resistance， long service time and corrosion resistance. It's an effective lining material to prevent carbon steel pipeline corrosion. The application of HDPE lining in steel pipeline is a novel process which has been successfully used in several projects. HDPE lining can be used in prefabricated pipeline or be applied as repair measure base on site situation. The fabrication process and characters of HDPE lining techniques are introduced.

Key Words： HDPE； Pipeline； Lining； Corrosion

隨著油氣田的開采，其含水量和含鹽量不斷增加，腐蝕性也日益增強(qiáng)，傳統(tǒng)的碳鋼或不銹鋼材質(zhì)管線難以抵御腐蝕性介質(zhì)的侵蝕。對(duì)此目前的改進(jìn)措施有升級(jí)金屬材質(zhì)，如采用鎳合金、鈦合金或金屬復(fù)合管等，但這樣做成本昂貴。也有采用純非金屬，如玻璃鋼管道、水泥管道、聚乙烯（Polyethylene，簡(jiǎn)稱為PE）管道等，但這些非金屬管道由于脆性或承壓能力較低等原因仍無法有效替換部分金屬管道。且上述方法都無法對(duì)已有舊管線進(jìn)行維修和修補(bǔ)。

高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡(jiǎn)稱為“HDPE”），是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有極佳的耐腐蝕性。近年來隨著材料加工技術(shù)的進(jìn)步，HDPE內(nèi)襯技術(shù)在油氣管道中得到廣泛的應(yīng)用。HDPE內(nèi)襯碳鋼管道同時(shí)利用了碳鋼管道的高強(qiáng)度和HDPE層的耐腐蝕性，且有專用施工設(shè)備可以對(duì)已有的碳鋼管線進(jìn)行HDPE內(nèi)襯鋪設(shè)和修補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有管道的非開挖修復(fù)，大大降低工程量和施工費(fèi)用。該技術(shù)還可用于市政的供水、煤氣、排污等管線，避免城市馬路的“開膛破肚”給居民的生活和交通帶來極大的不便，況且有的地方由于交通、地面建筑、繁華地區(qū)和受保護(hù)地區(qū)是不允許開挖的，這就亟待非開挖修復(fù)管道技術(shù)的出現(xiàn)。

1 HDPE內(nèi)襯碳鋼管道的特點(diǎn)

與碳鋼管道相比，HDPE內(nèi)襯碳鋼管道主要有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）內(nèi)襯材料HDPE的摩擦系數(shù)僅為鋼的1/20[1]，其耐磨性是普通金屬的3～5倍，可以有效降低通球過程中對(duì)管道內(nèi)壁的損傷。

（2）滲透性極低：僅為低密度聚乙烯的1/5，可有效杜絕腐蝕介質(zhì)對(duì)金屬基體的侵蝕。

（3）密度：0.94～0.97 g/cm3，單位重量輕，便于施工和運(yùn)輸。

（4）拉伸屈服強(qiáng)度約30 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率大于400%，肖氏硬度約60～70，具有較好的強(qiáng)度、韌性和硬度，在施工及運(yùn)行過程中不易損壞。

（5）體積電阻>1016Ω·m，耐腐蝕能力強(qiáng)，對(duì)酸、堿、鹽等眾多物質(zhì)具有很好的耐腐蝕性。

（6）防結(jié)垢，可有效避免結(jié)垢引起的腐蝕和流體阻力增大。

（7）壽命可長(zhǎng)達(dá)50年。

同時(shí)，HDPE內(nèi)襯碳鋼管道技術(shù)也存在部分技術(shù)難度和局限性，例如焊口處由于溫度較高必須進(jìn)行焊后補(bǔ)口處理，且原位補(bǔ)口難度較大；由于HDPE材料耐溫性較差，高溫下內(nèi)襯管容易與碳鋼管道分離導(dǎo)致失效[2]，因此操作溫度高于80℃的管道不適合采用HDPE內(nèi)襯技術(shù)進(jìn)行保護(hù)。

2 HDPE內(nèi)襯碳鋼管道的施工方法

2.1 工廠預(yù)制HDPE碳鋼內(nèi)襯管生產(chǎn)工藝

工廠預(yù)制HDPE碳鋼內(nèi)襯管的主要生產(chǎn)設(shè)備包括：塑料擠出機(jī)、定徑套、冷卻槽、牽引機(jī)、切割機(jī)等[3]。工作時(shí)由塑料擠出機(jī)擠出料坯，定徑套在牽引機(jī)驅(qū)動(dòng)下在管道內(nèi)壁形成薄膜，由冷卻定型裝置在一定差壓作用下將HDPE薄膜固定在管線內(nèi)壁，經(jīng)切割機(jī)裁剪后形成成品。塑料擠出機(jī)拉伸比介于1.25到1.55之間。定徑套最好選擇前段有水環(huán)或水眼的設(shè)備，以避免在牽引速度較快的情況下由于料坯未充分冷卻而形成裂紋、麻點(diǎn)等缺陷。擠出成型過程應(yīng)采用適宜的冷卻方式和冷卻水溫對(duì)高溫管坯進(jìn)行冷卻定型。

工廠預(yù)制HDPE碳鋼內(nèi)襯管工藝有如下特點(diǎn)。

（1）整套工藝流程在工廠內(nèi)部完成，流程參數(shù)易控制和調(diào)整，質(zhì)量有保障，產(chǎn)品可靠性高。

（2）可實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)，生產(chǎn)效率高。

（3）不受環(huán)境因素影響。

（4）工廠內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫補(bǔ)口，仍需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)口作業(yè)。

2.2 碳鋼管道HDPE局部?jī)?nèi)襯修補(bǔ)法

除了工廠預(yù)制，HDPE內(nèi)襯技術(shù)還可以用于已有碳鋼管道的修補(bǔ)和維護(hù)[4]。HDPE內(nèi)襯修補(bǔ)技術(shù)具有施工簡(jiǎn)單、快捷、開挖少、工期短等特點(diǎn)[5]，目前已在很多項(xiàng)目得到成功應(yīng)用[4，6]。該工藝的實(shí)施主要有如下步驟。

2.2.1 管道清理

雖然對(duì)于新管道通常不需要清洗，現(xiàn)存管道卻可能需要，一旦管道停止運(yùn)行，鐵銹等雜質(zhì)極易在管道中沉積，需要將管道用法蘭連接以便清洗。任何對(duì)內(nèi)襯管進(jìn)入管道構(gòu)成阻礙的有影響的烴類和腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物必須予以考慮。如果需要清洗，通常使用通球或吹掃來完成。每段需要修補(bǔ)的管線管道端部需將鋼管開挖并斷開，焊接上鋼法蘭。安裝管段劃分的首要決定因素是彎頭和其他例如地形，可到達(dá)程度和管道清洗狀況，注意不能超出可達(dá)到的安裝長(zhǎng)度。在內(nèi)襯管安裝中禁止出現(xiàn)的管件和過量的彎頭會(huì)引起拉應(yīng)力的增加[8]，必須移除，用內(nèi)襯法蘭或適配的彎頭替代。理想彎頭的曲率半徑近似于50倍管道直徑。

2.2.2 內(nèi)徑核實(shí)

完成管道（開挖）切割、鋼法蘭安裝并將所有限制因素被移除以后，需要對(duì)管道口徑進(jìn)行核實(shí)以確保后續(xù)HDPE內(nèi)襯施工路徑暢通。用一定外徑的清管器通過鋼管可獲得無障礙的管道內(nèi)膛。定徑清管器體由鋼制成，可清除焊瘤、鐵銹等殘?jiān)?。如通球遇到障礙阻擋說明該處存在影響HDPE內(nèi)襯施工的雜質(zhì)，需要清除處理。

2.2.3 HDPE內(nèi)襯管安裝

根據(jù)修補(bǔ)的每處管段長(zhǎng)度和內(nèi)徑選取HDPE管。內(nèi)襯管由熱熔焊接連接——襯管端部加熱至熔融溫度，在一定壓力下連接并冷卻。焊口檢查并去除外部卷邊焊縫。將特殊制造的鋼法蘭焊接在鋼管上，并將牽引頭熔接在內(nèi)襯管端部。鋼纜通過機(jī)器人或壓縮空氣和清管器從管道另一端口穿入鋼管。將滾輪縮徑機(jī)置于內(nèi)襯管穿入鋼管的管端法蘭處。用液壓滾輪縮徑機(jī)以3～6 m/min的速度將HDPE內(nèi)襯管完全拉過管道。然后去除拉應(yīng)力，內(nèi)襯管逐步恢復(fù)接近于其原始直徑，與鋼管內(nèi)壁緊密貼合。內(nèi)襯管被拉出后固定在熔接位置上，進(jìn)行管端部銑削、光面處理并與HDPE法蘭熔接。上述步驟完成后移除夾緊裝置，將HDPE法蘭縮入鋼管，與鋼法蘭相匹配。將鋼法蘭螺栓上緊，采用限位環(huán)以提供密封壓力。

2.2.4 試壓

所有內(nèi)襯管修補(bǔ)施工完畢后，可對(duì)整條管線進(jìn)行氣壓或水壓試驗(yàn)，檢查修補(bǔ)處或法蘭連接處是否有泄漏。

2.2.5 清理收尾

根據(jù)實(shí)際情況或業(yè)主要求鋼法蘭進(jìn)行外防腐，管線準(zhǔn)備回填并投入使用。

從具體施工工藝上HDPE內(nèi)襯修補(bǔ)技術(shù)還可細(xì)分為涂敷法、翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法、O型冷拔法等。這些方法各有特點(diǎn)，如涂敷法最突出的特點(diǎn)是一次施工距離長(zhǎng)，對(duì)管道要求低，可直接通過標(biāo)準(zhǔn)彎頭；翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法采用熱固性樹脂增強(qiáng)了與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度；O型冷拔法牽引效果更明顯。冷敷法的缺點(diǎn)是對(duì)管道清潔度要求高，施工周期長(zhǎng)；翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法一次施工距離短，而且由于使用了有一定毒性的熱固性纖維樹脂材料，工藝更加復(fù)雜且不適用飲用水管道；O型冷拔法后期也需要加溫加壓以實(shí)現(xiàn)內(nèi)襯材料與金屬內(nèi)壁的貼合。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況選擇適宜的施工方案。

3 結(jié)語

HDPE材料具有極好的耐蝕性、耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度和韌性等優(yōu)異性能，通過將HDPE作為內(nèi)襯材料施加在金屬管道內(nèi)表面可以有效綜合利用兩種材料的優(yōu)勢(shì)：既可以利用HDPE層避免金屬管道受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕影響，同時(shí)也保持了金屬管道的高強(qiáng)度，滿足了管道對(duì)壓力的要求。將HDPE內(nèi)襯技術(shù)應(yīng)用到已有管道的修補(bǔ)上還可以簡(jiǎn)化施工難度、加快施工進(jìn)度，有效延長(zhǎng)已有管線的使用壽命，避免管道泄漏的發(fā)生，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的施工方案。

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