熱收縮帶機械化補口技術在長輸油氣管道建設上的應用

朱琳，白樹彬，徐昌學，鐘婷，張國棟，何嵐

（中國石油天然氣管道科學研究院，廊坊065000）

熱收縮帶機械化補口技術在長輸油氣管道建設上的應用

朱琳，白樹彬，徐昌學，鐘婷，張國棟，何嵐

（中國石油天然氣管道科學研究院，廊坊065000）

熱收縮帶補口施工質量影響著補口的長期可靠性，針對手工補口存在施工困難、補口質量不穩(wěn)定等問題，開發(fā)了機械化補口裝備。實踐經(jīng)驗表明，開發(fā)的機械化補口裝備能完成噴砂、預熱、收縮到回火等工序的機械化操作，有效保證了熱收縮帶作為3LPE補口材料的安裝質量。

熱收縮帶；補口；機械化；3LPE

隨著國內(nèi)油氣管道的大規(guī)模建設以及西氣東輸一線、陜京線、忠武線等重大管道工程的長期運行，油氣管道的防腐蝕問題逐漸凸顯。尤其大口徑、高壓輸氣管道的3LPE防腐蝕補口問題，已經(jīng)成為整個防腐蝕體系中的短板，制約著管道的安全運行和使用壽命［1］。

國內(nèi)管道補口材料種類較少，熱收縮材料是國內(nèi)埋地鋼質管道外防腐蝕層補口的首選材料。近年來通過對國內(nèi)在役管道熱收縮帶補口進行現(xiàn)場調(diào)查［2］，發(fā)現(xiàn)熱收縮帶補口失效問題較為嚴重。本工作針對這一問題，介紹了熱收縮帶機械化補口技術，以期為其在長輸油氣管道建設上的應用提供實踐依據(jù)。

1 熱收縮帶手工補口技術

目前，我國熱收縮帶防腐蝕補口的施工主要采用手工補口。其基本流程主要是使用手持開放式噴砂裝置對管口進行表面處理，手工進行搭接區(qū)聚乙烯拉毛處理，火焰預熱，手工涂裝底漆，火焰安裝熱收縮帶（收縮過程），火焰回火。其缺點是砂料飛濺影響環(huán)境，勞動強度大，質量控制依靠操作人員的技術和耐心，在6點和12點處噴砂質量難以保證，尤其是大口徑管道補口更加凸顯這一問題。同時，搭接區(qū)聚乙烯處理需要用火焰加熱，鋼絲刷拉毛，這種方式不僅勞動強度高，而且處理不均勻，難以保證每道口的處理質量。熱量的供給方式仍然較多地采用手工火焰烘烤方式，此方式存在加熱溫度不精準、烘烤不均勻，易引起鋼管表面返銹和積碳［3-5］，不能保證熱熔膠充分熔融等問題?？傮w來說，手工補口操作對人員的熟練程度和施工技術有著很高的要求，在管徑較大時，使用手持式裝備進行操作將給補口質量安全埋下隱患。

2 熱收縮帶機械化補口技術

隨著管道口徑的增加，手工補口存在的不足逐漸凸顯，開發(fā)機械化的補口方式成為必然的選擇。

通過研究熱收縮帶材料性能和施工技術特點，研究人員開發(fā)出了熱收縮帶機械化補口技術。該技術以專用于熱收縮帶補口的機械化裝備為基礎結合相應的施工工藝完成補口作業(yè)。該裝備由密閉噴砂裝備、中頻加熱設備、紅外加熱裝備及配套的動力、行走裝備組成。具有補口質量穩(wěn)定、粘結可靠、工人勞動強度低、人為因素影響小等優(yōu)勢。

2.1 表面處理

自動化的噴砂技術是解決手工噴砂除銹缺點的關鍵。當磨料可以全方位、均勻、連續(xù)地處理整個補口部位時，補口區(qū)表面處理質量將大幅度提升，處理效果可控、可靠。

基于以上思路，開發(fā)出密閉除銹技術以彌補手工除銹的不足。密閉除銹技術是在噴砂槍口外圍增加回收套管和環(huán)形尼龍刷，利用真空泵提供的負壓將噴出的磨料和除銹后的粉塵實時回收至分離裝置中，將粉塵與磨料分離，磨料重新進入砂罐循環(huán)使用。環(huán)形尼龍刷緊貼管口表面防止了磨料飛濺，尼龍刷隨噴槍移動可對補口區(qū)域殘余的粉塵起到清掃作用。配合以行走槍架，可以實現(xiàn)噴砂除銹過程的自動化和相對密閉，見圖1。

密閉除銹技術的載體是密閉自動除銹裝備。該裝備在除銹的同時，可將噴出的磨料進行自動回收、分離、再利用，實現(xiàn)磨料密閉循環(huán)使用的同時減少了環(huán)境壓力。此外，經(jīng)過磨料篩選，減慢磨料粉化過程，再經(jīng)噴頭刷清掃，噴砂處理的管體表面清潔度較高。采用噴槍周向全覆蓋、自動運行設計，確保了補口部位6點、12點等關鍵位置噴砂處理水平與其他部位相同。密閉自動噴砂除銹能確保管口處理的一致性、可靠性，在保證質量的同時，最大程度地減輕操作人員的勞動強度。該裝備的主要技術參數(shù)為：除銹速率0～33 mm／s；除銹寬度300～600 mm；除銹等級Sa2.5。

2.2 熱收縮帶粘接

根據(jù)補口失效情況的調(diào)查，熱收縮帶補口的成敗關鍵在于三個界面即底漆與聚乙烯、底漆與熱熔膠、熱熔膠與聚乙烯的粘接是否成功。

底漆與聚乙烯之間的粘接通常采用極化處理的方式（火焰極化、電暈極化、等離子極化等）在聚乙烯表面增加極性基團的同時增加聚乙烯對環(huán)氧的潤濕程度以提高粘接強度［6］。

底漆與熱熔膠之間的黏接取決于兩種體系之間的反應溫度和反應時間。根據(jù)試驗結果，環(huán)氧底漆體系在60℃左右可以快速反應，而熱熔膠中的含羧基組分與底漆中的環(huán)氧組分在120℃時反應才快速進行。當溫度低于120℃，底漆迅速發(fā)生反應完成固化，而熱熔膠與底漆的反應速率則非常慢。這也導致了底漆表干后，熱熔膠與底漆之間的粘接更多的是以氫鍵形式表現(xiàn)的物理粘接。

熱熔膠與聚乙烯之間的粘接取決于粘接時兩種材料的狀態(tài)。經(jīng)測試，國內(nèi)使用的熱收縮帶的熱熔膠的熔融溫度多在120℃以下。3LPE防腐蝕管使用的聚乙烯的熔晶峰值溫度接近140℃左右。如果熱熔膠和聚乙烯之間要形成良好的粘接，則要使二者同時達到熔融狀態(tài)，因此，粘接溫度應在聚乙烯的熔晶峰值溫度以上，并且保證足夠的反應時間。

2.3 加熱方式

熱收縮帶補口的關鍵在于施工時的粘接溫度，尤其是搭接區(qū)的粘結溫度。然而，由于搭接區(qū)存在原有防腐層即聚乙烯層，如何保證搭接區(qū)域可以獲得足夠的溫度成為補口施工的關鍵。

單獨的外部加熱或者單獨的內(nèi)部加熱都存在風險，不能很好地完成補口工作。故而內(nèi)外結合的加熱方式成為補口加熱的必然選擇。在搭接區(qū)熱量供給上既防止了局部過熱又避免了熱量不足。

使用中頻作為內(nèi)部傳熱手段是加熱方式機械化的普遍選擇［7-10］，中頻裝置可快速高效地對管體進行加熱，不存在對除銹后補口區(qū)域的污染，且有效保證了預熱溫度均勻、一致。開發(fā)的熱收縮帶補口專用中頻裝備與以往中頻設備相比，采用先進的重復啟動功能，實現(xiàn)了理想的軟啟動，控制電路采用了微電腦恒功率處理電路系統(tǒng)，加裝了逆變角自動調(diào)節(jié)電路，采用溫度報警和計時報警雙系統(tǒng)，可實時監(jiān)控參數(shù)，控制系統(tǒng)采用手動控制和自動控制兩套操作方式，控制電路具有多項保護功能，設備能自動判斷三相進線相序。該裝備的主要技術參數(shù)為：輸出頻率3 000～6 000 Hz；額定輸出功率70 kW；額定輸出下的輸入功率83 kW。

在低于2 000℃的常規(guī)工業(yè)熱工范圍內(nèi)，紅外線是最主要的熱射線。聚乙烯熱收縮帶屬于高分子塑料制品，對于紅外線熱輻射能量吸收敏感性強，吸收率較高［11］。熱收縮帶的紅外吸收波長范圍很廣，對紅外線吸收率可達90％以上，可形成對聚乙烯熱收縮帶的高效加熱并使其收縮。因此確定了紅外線加熱的方式來實現(xiàn)外部均勻穩(wěn)定高效的加熱。本工作中，紅外加熱裝備為采用電熱式紅外線陶瓷輻射器的紅外加熱補口專用裝備，由紅外加熱器、液壓開合抓斗、溫度測量探頭和程序控制裝置組成［12］。該裝備在程序控制下，可以分段、分時控制熱量輸出，以梯度能量形式，模擬補口工藝過程，完成熱收縮帶收縮、回火等作業(yè)；同時，實現(xiàn)了過程參數(shù)自動存儲，可進行歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)。該裝備的主要技術參數(shù)為：功率80 kW；熱效率60％～70％。

2.4 動力和行走裝置

動力裝置選用符合工作需求的供電裝置。行走裝置一般采用帶有吊臂的履帶車作為工作平臺，其具有通過性能好，結構穩(wěn)定成熟等特點。

2.5 工藝流程

機械化補口作業(yè)以機械化的設備為基礎，配套工藝作為完成補口作業(yè)的施工方式。其基本流程如圖2所示。整體工藝流程以分別配置了密閉自動除銹裝備、中頻加熱裝備和紅外加熱裝備的工程車為依托展開多工位流水作業(yè)，實現(xiàn)了表面處理、預熱、收縮、回火等工序的機械化作業(yè)。

3 補口技術對比

以往使用機械設備的熱收縮帶補口技術多采用中頻裝置保證預熱和回火效果。而本工作中所介紹的熱收縮帶機械化補口技術除保證預熱和回火效果外，也排除了表面處理和收縮過程中的人為因素，最大程度地實現(xiàn)了補口工藝施工過程的機械化。該技術投入使用數(shù)年，截至目前沒有失效案例報道。我國東部某手工補口失效案例中，單口開挖修復費用超萬元。機械化補口與手工補口施工相比雖成本略有增加，但憑借其可靠的補口質量，開挖修復周期遠長于不可控因素引起的早期失效補口。從這個角度看，機械化補口施工的投入將有效節(jié)省后期運營成本。

4 結束語

在國內(nèi)首次提出了密閉自動除銹、中頻加熱、紅外加熱相配合的機械化補口流水作業(yè)方式的熱收縮帶機械化補口技術，保證了表面處理、預熱、收縮、回火等質量控制關鍵點的可控性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場施工過程中，三臺設備緊密配合流水作業(yè)。多工位流水作業(yè)每小時可以補口4～5道。目前熱收縮帶機械化補口技術已經(jīng)在西氣東輸三線等工程中成功應用。應用的地點和氣候包括山區(qū)多雨、高溫潮濕、高溫干燥地區(qū)。從應用的效果上看，補口的質量完全滿足工程要求，補口效率完全滿足工程進度的需求，且最大程度減少了人為因素的影響，保證了管道熱收縮帶補口質量。收縮帶機械化補口技術的開發(fā)與應用將我國長輸油氣管道的熱收縮帶補口技術水平提升到了新的高度。

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Application of HSS Installation with Machinery to Oil and Gas Pipeline Construction

ZHU Lin，BAI Shu-bin，XU Chang-xue，ZHONG Ting，ZHANG Guo-dong，HE Lan（China Petroleum Pipeline Research Institute，Langfang 065000，China）

Installation quality for heat shrinkable sleeve（HSS）affects the long-term reliability of field joint coating（FJC）.Since the manual FJC has the problems of difficult construction and unstable quality，F(xiàn)JC installation machinery was developed.The results from practice showed that the FJCinstallation machinery could accomplish the automation for blast cleaning，preheating，shrinking and post heating，which effectively guarantees the installation quality of the HSSas FJC material for 3LPE.

heat shrinkable sleeve（HSS）；field joint coating（FJC）；mechanized；3LPE

TG174

：B

：1005-748X（2016）11-0929-03

10.11973／fsyfh-201611016

2015-08-20

朱琳（1983－），工程師，碩士，從事管道防腐領域的研究，15903161840，captain＿1110＠163.com