長(zhǎng)距離小口徑隧道內(nèi)天然氣管道防腐方案研究

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 魯國(guó)文

關(guān)鍵字：長(zhǎng)距離隧道 天然氣管道 防腐

0 研究背景

《上海市天然氣主干網(wǎng)崇明島——長(zhǎng)興島——浦東新區(qū)五號(hào)溝 LNG站管線工程》項(xiàng)目采用盾構(gòu)隧道形式兩次穿越長(zhǎng)江，經(jīng)前期論證，為了保證管道運(yùn)行安全，防止管道泄漏可燃?xì)怏w形成爆炸混合物，隧道內(nèi)填充物已確定采取中性水填充。因此，本文主要針對(duì)水環(huán)境中鋼質(zhì)輸氣管道的防腐方案，以及相關(guān)支架、螺栓等緊固件的防腐方案進(jìn)行研究，其中研究重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的管道焊口防腐方案。

1 管道本體防腐

傳統(tǒng)埋地輸氣管道的防腐，一般采用外涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合的方案。外涂層常用的擠壓聚乙烯三層復(fù)合結(jié)構(gòu)(3PE)防腐，陰極保護(hù)常用犧牲陽(yáng)極或外加電流陰極保護(hù)。焊口現(xiàn)場(chǎng)防腐則采用環(huán)氧涂料加熱收縮帶。

3PE防腐，三層結(jié)構(gòu)的底層為環(huán)氧類涂料，中間層為膠黏劑，外防護(hù)層為聚乙烯。主要遵守技術(shù)規(guī)范為《埋地鋼制管道聚乙烯防腐層》(GB/T 23257—2017)，具體技術(shù)要求如下：

第一層(底層)：溶結(jié)環(huán)氧(FBE)，以粉末形態(tài)進(jìn)行噴涂并熔融成膜，厚度不小于120μm，這種熱固性粉末涂料無(wú)溶劑污染，固化迅速，具有極好的黏接性能。

第二層(中間層)：聚烯烴共聚物，作為膠黏劑，它的作用是連接底層與外防護(hù)層，厚度不小于170μm。防護(hù)層聚乙烯是非極性聚合物，直接粘結(jié)在鋼管表面或環(huán)氧層上是很困難的，所以中間層黏接劑必須同時(shí)具有極性基因和非極性基因，以便實(shí)現(xiàn)聚乙烯與環(huán)氧之間的化學(xué)鍵合。黏接劑是一種帶有極性基因的乙烯共聚物、嵌段共聚物或三聚物(共聚物中有三個(gè)單體)，通過(guò)共聚或嵌段反應(yīng)，使末端環(huán)氧與未完全固化的環(huán)氧底漆發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能獲得很好的黏結(jié)。同時(shí)，黏接劑的非極性鏈與聚乙烯的化學(xué)親和作用，使其在軟化點(diǎn)溫度以上熔融粘結(jié)，與聚乙烯融為一體，顯示出很強(qiáng)的黏接性。所以，三層PE中的膠黏劑具有黏接性強(qiáng)、吸水率高、抗陰極剝離的優(yōu)點(diǎn)，而且在施工過(guò)程中可以與防護(hù)層聚乙烯共同擠出，方便施工。

第三層(防護(hù)層)：為聚烯烴，如低密度聚乙烯、高/中密度聚乙烯，或改性(PP)。3PE防腐結(jié)構(gòu)總厚度為1.8～3.7 mm，或視工程的特殊要求增加厚度。

3PE防腐工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 3PE防腐工藝流程

傳統(tǒng)3PE管道本體防腐方案，起防腐作用的主要是底層環(huán)氧涂料，外層PE夾克通過(guò)中間膠黏劑與底層相黏結(jié)，主要是起到機(jī)械防護(hù)作用，防止底層環(huán)氧涂料被劃傷剝離等。目前國(guó)內(nèi)3PE生產(chǎn)技術(shù)十分成熟，工廠預(yù)制，自動(dòng)化程度高，而且大多是國(guó)外進(jìn)口機(jī)組，質(zhì)量合格率高。目前國(guó)內(nèi)已建成的隧道內(nèi)輸氣管道本體防護(hù)結(jié)構(gòu)均采用3PE防護(hù)，效果良好。借鑒海底輸氣管道防腐經(jīng)驗(yàn)，建議把底層環(huán)氧涂層厚度增加厚度到250 μm，這樣即使管道長(zhǎng)期在水中浸泡過(guò)程中，局部膠黏層有脫落，不至于鋼管本身金屬與水相接觸。

2 管道焊口防腐

傳統(tǒng)埋地輸氣管道補(bǔ)口防腐多采用現(xiàn)場(chǎng)刷環(huán)氧底漆，外加熱收縮套，國(guó)內(nèi)一些隧道內(nèi)的管道也采用該方案補(bǔ)口，但熱收縮套脫落嚴(yán)重，因此考慮到隧道內(nèi)操作空間和環(huán)境參數(shù)影響，不建議在充水隧道環(huán)境中使用。

水環(huán)境中鋼制管道的防腐材料的隔離水分、氧氣性能決定了鋼管的使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功應(yīng)用于管道防腐的此類材料主要為黏彈體材料，黏彈體防腐材料是一種聚烯烴類單分子聚合物，可保持 30年以上而不固化，長(zhǎng)期密封性能極好，可徹底阻斷水份侵入。國(guó)外比較著名的廠家有荷蘭 STOPAQ(斯托普)公司，該公司在德國(guó) BASF公司和殼牌石油的共同支持下，于 1988年開(kāi)發(fā)出了密封性和黏接力極為優(yōu)異的黏彈體防腐材料；該材料最早應(yīng)用在管道和電纜穿墻處防水領(lǐng)域，具有30年以上的歷史；在管道防腐領(lǐng)域成功應(yīng)用10年以上。黏彈體用于管道防腐現(xiàn)場(chǎng)，見(jiàn)圖2。

圖2 黏彈體用于管道防腐現(xiàn)場(chǎng)

2.1 黏彈體的優(yōu)點(diǎn)

(1)無(wú)須噴砂，基材表面處理要求較低，St2級(jí)、St3級(jí)。

(2)無(wú)需底漆，可直接黏接于3PE、PP、環(huán)氧、FBE、瀝青等各種涂層。

(3)極寬的溫度適用范圍：-45～+95 ℃。

(4)絕佳的耐化學(xué)性和穩(wěn)定性。

(5)無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)烘烤，人工纏繞簡(jiǎn)單方便。

(6)施工質(zhì)量容易控制，受環(huán)境、人員技術(shù)水平影響小。

(7)輕微機(jī)械損傷可自我修復(fù)。

2.2 黏彈體主要性能指標(biāo)

黏彈體主要性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法見(jiàn)表1。

表1 黏彈體主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 黏彈體主要結(jié)構(gòu)形式

黏彈體隔離水份和空氣的性能強(qiáng)，但強(qiáng)度比較低，因此用于管道補(bǔ)口防腐時(shí)需與防護(hù)層一起使用。根據(jù)外護(hù)層結(jié)構(gòu)不同，常用黏彈體防腐結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式：

2.3.1 黏彈體防腐膠帶+熱收縮外護(hù)帶

適用范圍：直埋管道、強(qiáng)土壤應(yīng)力地區(qū)管道防腐補(bǔ)口。

使用特點(diǎn)：(1)無(wú)須噴砂除銹。(2)無(wú)須底漆。

(3)黏彈體與PE長(zhǎng)期黏接密封性能穩(wěn)定，可徹底阻斷水份侵入。

(4)防腐層抗沖擊性好，回填過(guò)程造成的輕微損傷可自我修復(fù)。

2.3.2 黏彈體防腐膠帶+聚丙烯外護(hù)帶

適用范圍：隧道穿越、水網(wǎng)地區(qū)管道防腐補(bǔ)口；站場(chǎng)埋地管道防腐、異型構(gòu)件防腐。

使用特點(diǎn)：

(1)無(wú)須噴砂除銹。

(2)無(wú)須底漆。

(3)黏彈體與聚丙烯長(zhǎng)期黏接密封性能穩(wěn)定，可徹底阻斷水份侵入。

(4)無(wú)須烘烤，人工纏繞簡(jiǎn)單方便。

2.3.3 黏彈體防腐膠帶+PVC外護(hù)帶

適用范圍：站場(chǎng)埋地管道、球閥三通等異型構(gòu)件防腐；防腐修復(fù)。

使用特點(diǎn)：

(1)無(wú)須噴砂除銹。

(2)無(wú)須底漆。

(3)黏彈體與PE長(zhǎng)期黏接密封性能穩(wěn)定，可徹底阻斷水份侵入。

(4)無(wú)須烘烤，人工纏繞簡(jiǎn)單方便。

(5)用于異型設(shè)施，PVC外帶易于施工。

2.3.4 黏彈體防腐膠帶+玻璃纖維復(fù)合材料

適用范圍：定向穿越防腐補(bǔ)口；山區(qū)地段防腐補(bǔ)口；隧道內(nèi)架空管道敷設(shè)；水網(wǎng)地區(qū)以及施工環(huán)境比較復(fù)雜的場(chǎng)合。

使用特點(diǎn)：

(1)無(wú)須噴砂除銹。

(2)無(wú)須底漆。

(3)黏彈體與PE長(zhǎng)期黏接密封性能穩(wěn)定，可徹底阻斷水份侵入。

(4)無(wú)須烘烤，人工纏繞簡(jiǎn)單方便。

(5)纖維復(fù)合材料耐候性好。

(6)纖維復(fù)合材料抗沖擊性好，強(qiáng)度高，適用于施工環(huán)境比較復(fù)雜的場(chǎng)合。

2.3.5 黏彈體防腐膠帶+防腐膏+水泥外護(hù)層

適用范圍：鋼質(zhì)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)防腐，管道支架防腐。

使用特點(diǎn)：

(1)無(wú)須噴砂除銹。

(2)無(wú)須底漆。

(3)黏彈體與水泥、鋼質(zhì)構(gòu)件長(zhǎng)期黏接密封性能穩(wěn)定，可徹底阻斷水份侵入。

(4)現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單方便。

(5)可長(zhǎng)期用于水環(huán)境，30年以上質(zhì)量保證。

綜合上述各種黏彈體防腐結(jié)構(gòu)的使用特點(diǎn)和適用環(huán)境，隧道內(nèi)水環(huán)境下鋼管焊口防腐推薦采用黏彈體加玻璃纖維復(fù)合材料(見(jiàn)圖3)，該防腐方案對(duì)于鋼管能起到良好的保護(hù)效果，綜合使用壽命長(zhǎng)。

圖3 黏彈體防腐膠帶+玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意

2.4 黏彈體防腐費(fèi)用

黏彈體防腐膠帶單價(jià)為530元/m2，玻璃纖維復(fù)合材料單價(jià)為 320元/m2。綜合施工費(fèi)用，對(duì)于DN800管道口徑，材料費(fèi)用及施工費(fèi)用(每處)合計(jì)為：2 980元(材料)+600元(人工)=3 580元。

3 管道支架及相關(guān)緊固件防腐

對(duì)于管道支架采用犧牲陽(yáng)極加涂料防腐方案，犧牲陽(yáng)極包按照管道設(shè)計(jì)壽命30年進(jìn)行1次性配備，支架在加工廠內(nèi)做環(huán)氧涂料防腐；現(xiàn)場(chǎng)有破損處采用黏彈體防腐膠帶、黏彈體膏，外加水泥護(hù)層進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于螺栓螺帽等金屬連接件采用黏彈體防腐膏，外加水泥保護(hù)層進(jìn)行防腐。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)隧道內(nèi)鋼管防腐采用外防腐和外加電流陰極保護(hù)相結(jié)合的防腐方案，外加電流陰保站的建設(shè)可結(jié)合隧道外管道系統(tǒng)總體考慮，可以布置在站內(nèi)或閥室內(nèi)。

(2)目前鋼管本體 3PE防腐均在工廠內(nèi)加工涂裝，技術(shù)成熟，質(zhì)量有保障。鋼管本體外防腐采用3PE方案在水網(wǎng)密集地區(qū)及充水隧道內(nèi)使用有很多成功案例，在使用過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)管道本體防腐出現(xiàn)異常。建議鋼管本體防腐采用3PE加強(qiáng)級(jí)防腐，同時(shí)參照海底管道防腐，增加底層環(huán)氧涂料厚度。

(3)針對(duì)隧道內(nèi)敷設(shè)管道作業(yè)環(huán)境，首先考慮隧道狹窄空間作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)管道補(bǔ)口防腐應(yīng)盡量選用施工便捷的防腐工藝；并同時(shí)考慮涂層隔離水分和空氣密封等各項(xiàng)性能。經(jīng)調(diào)研，管道補(bǔ)口處黏彈體加玻璃纖維復(fù)合材料的綜合使用壽命，可以達(dá)到30年。因此建議現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口使用黏彈體防腐膠帶+玻璃纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。

(4)國(guó)內(nèi)有使用黏彈體外加熱收縮套進(jìn)行補(bǔ)口的隧道內(nèi)管道工程(西氣東輸一線黃河延水關(guān)隧道)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)口處熱收縮套開(kāi)裂脫落嚴(yán)重。因此，不建議使用熱收縮套作為黏彈體的外保護(hù)層。

(5)管道卡箍、支座及螺栓等鋼構(gòu)件需與管道嚴(yán)格絕緣，采用單獨(dú)的防腐系統(tǒng)。管道卡箍、支座采用工廠環(huán)氧涂料涂裝，現(xiàn)場(chǎng)采用黏彈體膏或膠帶加強(qiáng)防腐；螺栓采用黏彈體膏外加水泥防護(hù)。支座系統(tǒng)外加犧牲陽(yáng)極進(jìn)行防護(hù)，犧牲陽(yáng)極包重量按照30年使用壽命一次考慮。