埋地保溫管道防腐蝕保溫層修復(fù)技術(shù)

姜有文,黃光前,李菲菲,劉文會(huì),劉 猛,蓋健楠

(1. 中國石油管道公司，廊坊 065000；2. 中國石油西氣東輸管道公司 武漢管理處，武漢 430073；3. 長春輸油氣分公司，長春 130062)

目前，長輸埋地保溫管道主要采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(保溫層)和高密度聚乙烯塑料(外防護(hù)層)的復(fù)合結(jié)構(gòu)作為管道的防腐蝕保溫層[1-2]。20世紀(jì)80年代，我國相繼建成了中洛線、花格線和膠青線等長輸埋地保溫管道，但這些管線在運(yùn)行1～2 a后均出現(xiàn)了由于防腐蝕保溫層失效而導(dǎo)致的嚴(yán)重腐蝕問題，給管道的安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重隱患，部分管線甚至直接停輸[3]。這導(dǎo)致國內(nèi)長輸埋地保溫管道在很長一段時(shí)間內(nèi)停止建設(shè)。但隨著我國對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，埋地保溫管道因能滿足節(jié)能環(huán)保要求而重新得到重視。近年來，國內(nèi)相繼建成了長呼、津華等埋地保溫管道。埋地保溫管道保溫層具有高絕緣特性，這使得陰極保護(hù)無法起到有效的保護(hù)作用[4-6]，因此埋地保溫管道的防腐蝕保溫層是管道重要的防腐蝕控制措施。本工作對(duì)某埋地保溫管道防腐蝕保溫層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)埋地保溫管道防腐蝕保溫層的修復(fù)材料、結(jié)構(gòu)、施工等開展了研究，確定了修復(fù)材料和結(jié)構(gòu)并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，最后通過開挖驗(yàn)證該修復(fù)結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果。

1 防腐蝕保溫層的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

1.1 防腐蝕保溫層的失效情況

對(duì)某埋地保溫管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開挖，調(diào)查其防腐蝕保溫層的情況。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，防腐蝕保溫層存在著以下幾方面的問題。

1) 防腐蝕保溫層存在破損，破損的主要原因是機(jī)械劃傷，如圖1(a)所示。

2) 防腐蝕保溫層與主管道PE防護(hù)層之間黏結(jié)失效，兩者之間有縫隙，補(bǔ)口處的固定片因膠層未被烤化，出現(xiàn)黏結(jié)失效現(xiàn)象，如圖1(b)所示。

(a) 破損 (b) 黏結(jié)失效 (c) 防水帽失效圖1 防腐蝕保溫層的失效情況Fig. 1 Failure situations of anti-corrosion and thermal insulation coating:(a) damage； (b) banding failure； (c) failure of waterproof cap

3) 預(yù)制在管端的防水帽存在破損及黏結(jié)失效，失效的主要原因是建設(shè)期補(bǔ)口施工過程中火焰燒烤所致，如圖1(c)所示。

1.2 修復(fù)施工時(shí)存在的問題

目前，在埋地保溫管道防腐蝕保溫層修復(fù)施工時(shí)主要存在以下幾方面的問題。

1) 以冷纏帶作為外防護(hù)層進(jìn)行施工時(shí)，由于冷纏帶采用纏繞方式包覆，需要對(duì)纏帶進(jìn)行軸向搭接，但實(shí)際施工中常出現(xiàn)冷纏帶搭接不嚴(yán)實(shí)，導(dǎo)致搭接位置存在縫隙，這些縫隙為地下水進(jìn)入防腐蝕保溫層提供了通道，如圖2所示。

圖2 冷纏帶搭接情況Fig. 2 Situation of overlapping of cold tape

2) 聚氨酯泡沫塑料現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡時(shí)，未使用專用的發(fā)泡模具,導(dǎo)致聚氨酯泡沫從模具與原外防護(hù)層之間的縫隙處流出，嚴(yán)重影響了聚氨酯泡沫塑料的性能，如圖3(a)所示。

3) 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料存在泡孔不均勻、表面存在孔洞、泡沫內(nèi)部不致密、疏松等缺陷，并且聚氨酯泡沫塑料的抗壓強(qiáng)度也未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3(b)所示。

(a) 流出的聚氨酯泡沫

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料(未用專用發(fā)泡模具)與工廠預(yù)制的聚氨酯泡沫塑料即保溫瓦進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如表1所示。從測(cè)試結(jié)果可以看到：現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于GB/T 50538-2010標(biāo)準(zhǔn)《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)規(guī)范》的要求；而保溫瓦的抗壓強(qiáng)度均接近標(biāo)準(zhǔn)要求。這說明現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡未使用專用模具，得到的聚氨酯泡沫塑料質(zhì)量較差,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 聚氨酯泡沫塑料的抗壓強(qiáng)度Tab. 1 Compressive strength of polyurethane foam MPa

1.3 修復(fù)后存在的問題

某長輸埋地保溫管道經(jīng)外檢測(cè)后，對(duì)其防腐蝕保溫層存在缺陷的補(bǔ)口位置進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)采用"聚丙烯冷纏帶+聚氨酯泡沫塑料(現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡)+聚丙烯冷纏帶"的結(jié)構(gòu)。兩年后，對(duì)該管道進(jìn)行開挖，驗(yàn)證其防腐蝕保溫層的修復(fù)效果。

開挖結(jié)果表明：外層的聚丙烯冷纏帶存在褶皺，并且搭接處存在縫隙，冷纏帶在底部與保溫層發(fā)生脫離，如圖4所示；聚氨酯泡沫塑料保溫層變形并且有水進(jìn)入，如圖5所示。修復(fù)回填后，土壤的沉降使冷纏帶受到土壤應(yīng)力作用，因此發(fā)生褶皺?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料硬度較低，抗壓強(qiáng)度低，是導(dǎo)致其發(fā)生嚴(yán)重變形的原因。

圖4 外防護(hù)層失效Fig. 4 Failure of outer protective layer

圖5 保溫層變形Fig. 5 Deformation of thermal insulation layer

2 修復(fù)材料及結(jié)構(gòu)

2.1 修復(fù)材料選用原則

修復(fù)材料的選用應(yīng)考慮以下幾方面因素。

1) 修復(fù)材料的施工性能。所選的修復(fù)材料應(yīng)具有良好的現(xiàn)場(chǎng)施工性能，考慮到管道運(yùn)行期一些施工機(jī)械(如噴砂機(jī)械)難以進(jìn)場(chǎng)，應(yīng)選擇表面處理達(dá)到St3級(jí)即可進(jìn)行施工的修復(fù)材料。

2) 底層防腐蝕材料的耐水浸泡性能。底層防腐蝕材料是保溫管道的最后一道防線，應(yīng)保證底層防腐蝕材料在有水的環(huán)境中仍與管體具有良好的黏結(jié)性能，在管體表面要有足夠的膠層覆蓋率，從而保證在水進(jìn)入保溫層內(nèi)時(shí)，管體不發(fā)生腐蝕。

3) 外防護(hù)層應(yīng)具有良好的整體性和抗土壤應(yīng)力的性能。如采用纏帶類外防護(hù)層，在施工時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)搭接不嚴(yán)實(shí)的情況，因此，應(yīng)選用整體性好的外防護(hù)層。同時(shí)，修復(fù)回填后，土壤會(huì)發(fā)生沉降，對(duì)管道產(chǎn)生應(yīng)力作用，外防護(hù)層應(yīng)具有較好的抗土壤應(yīng)力的性能，以保證外防護(hù)層不會(huì)因土壤應(yīng)力的作用而發(fā)生褶皺。

4) 保溫層選用目前埋地保溫管道普遍采用的聚氨酯泡沫塑料(可采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡或工廠預(yù)制的保溫瓦)。采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡時(shí)，應(yīng)采用專用的發(fā)泡模具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡，嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡工藝，保證現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡質(zhì)量。

2.2 修復(fù)材料篩選

根據(jù)上一節(jié)修復(fù)材料的選用原則，篩選出了3種材料，分別是國外某黏彈體(A)、國內(nèi)某廠家黏彈體(B)和國內(nèi)某廠家新型膠帶(C)。選用從3PE管子截取的管段作為試件，對(duì)其金屬表面進(jìn)行噴砂處理，然后將3種修復(fù)材料分別粘貼在金屬和3PE表面。將試件放入80 ℃熱水中浸泡100 d后，測(cè)3種修復(fù)材料與PE和金屬之間的剝離強(qiáng)度和膠層覆蓋率，結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明：經(jīng)過100 d熱水浸泡后，材料A在金屬和PE表面的膠層覆蓋率達(dá)到90%以上，與金屬和PE之間的剝離強(qiáng)度分別為2.5,3 N/cm；材料B在金屬和PE表面基本無膠層覆蓋，直接發(fā)生了剝離；材料C在金屬和PE表面的膠層覆蓋率達(dá)到90%以上，但膠層會(huì)出現(xiàn)顆粒和變硬的現(xiàn)象，并且膠帶的背材與膠層之間發(fā)生剝離。

比較3種修復(fù)材料熱水浸泡試驗(yàn)結(jié)果可知，材料A的性能優(yōu)于材料B和C的。考慮到運(yùn)行期間管道所處地下水溫度不會(huì)達(dá)到80 ℃，故對(duì)材料A進(jìn)行了常溫水浸泡試驗(yàn)。結(jié)果表明：經(jīng)過100 d常溫水浸泡后，材料A在金屬和PE層表面的膠層覆蓋率達(dá)到了90%以上，膠層下面無水進(jìn)入，如圖7所示。因此，選定材料A作為防腐蝕保溫層的修復(fù)材料。

2.3 修復(fù)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)保溫管道防腐蝕保溫層修復(fù)結(jié)構(gòu)為：黏彈體(纖維增強(qiáng)型)+聚氨酯泡沫塑料(現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡或保溫瓦塊)+外防護(hù)層(壓敏膠帶或電熱熔套)。如對(duì)保溫管道補(bǔ)口進(jìn)行修復(fù)，應(yīng)先去除破損的防水帽，然后用黏彈體膠帶將聚氨酯保溫層包覆。修復(fù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(a) 材料A (b) 材料B (c) 材料C圖6 3種修復(fù)材料熱水浸泡試驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Results of hot water immersion test for three repair materials：(a) material A; (b) material B; (c) material C

(a) 與金屬黏結(jié)

(b) 與PE黏結(jié)圖7 材料A常溫水浸泡試驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 Results of room temperature water immersion test for material A： (a) adhesion with steel； (b) adhesion with PE

圖8 修復(fù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of repair structure

3 修復(fù)施工要點(diǎn)

3.1 防腐蝕保溫層施工

1) 防腐蝕保溫層清除

將主體管道的防腐蝕保溫層及管體表面清理干凈。對(duì)于補(bǔ)口位置，應(yīng)將管道兩端密封失效或存在端部翹邊、開裂、破損的防水帽去除。

2) 表面處理

(1) 管體除銹應(yīng)首選噴砂除銹方式，現(xiàn)場(chǎng)條件不允許的情況下可采用手持式角向除銹機(jī)，表面處理等級(jí)應(yīng)達(dá)到Sa2.5級(jí)或St3級(jí)。

(2) 采用酒精或丙酮清洗管體表面，確保管體表面干燥、無浮銹、無污物。搭接部位的主管道外防護(hù)層及防水帽表面應(yīng)平整、干燥、無污物。

(3) 對(duì)主體管道外防護(hù)層與黏彈體膠帶的搭接區(qū)應(yīng)做打毛處理。

3) 防腐蝕施工

(1) 表面清理完成后宜立即進(jìn)行防腐蝕施工，若已處理表面出現(xiàn)返銹的情況，都應(yīng)在施工之前重新進(jìn)行處理。

(2) 黏彈體膠帶纏繞施工時(shí)，應(yīng)保持膠帶平整并具有一定的張力，邊纏繞邊搟/按壓黏彈體膠帶，使膠帶保持平整無褶皺，搭接均勻、無氣泡，與被粘貼表面密封良好。

(3) 黏彈體膠帶層與層之間的軸向搭接應(yīng)不小于10 mm；采用對(duì)包纏繞時(shí)，膠帶始末端的搭接長度應(yīng)不小于50 mm，環(huán)向搭接縫應(yīng)錯(cuò)開，搭接縫必須在管道頂部且保證接口向下，與其他涂層的搭接長度應(yīng)不小于50 mm。

3.2 聚氨酯泡沫塑料現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡及保溫瓦安裝

1) 聚氨酯泡沫現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡

(1) 聚氨酯保溫層現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡時(shí)，應(yīng)根據(jù)修復(fù)管段長度計(jì)算所需發(fā)泡劑用量，并嚴(yán)格按照用量進(jìn)行配比。

(2) 發(fā)泡模具應(yīng)緊固在修復(fù)位置兩端的主管道外防護(hù)層上，以確保與主體防護(hù)層搭接處無縫隙，模具與主體管道防護(hù)層的搭接長度應(yīng)不小于100 mm，澆注口向上。

(3) 環(huán)境溫度低于產(chǎn)品說明書要求的施工溫度時(shí)，模具、泡沫塑料原料應(yīng)預(yù)熱后再進(jìn)行發(fā)泡。

(4) 模具內(nèi)表面應(yīng)涂刷脫模劑。

(5) 達(dá)到產(chǎn)品要求的發(fā)泡時(shí)間后方能拆除發(fā)泡模具。

2) 保溫瓦安裝

(1) 選擇的保溫瓦塊厚度應(yīng)與管體保溫層厚度一致，性能應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2) 根據(jù)修復(fù)管段長度選擇保溫瓦塊，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)那懈睿詫?shí)現(xiàn)與修復(fù)管段長度相符，與原管段保溫層無縫對(duì)接。

(3) 安裝保溫瓦塊時(shí)，應(yīng)先將兩塊保溫瓦對(duì)接好，然后用膠帶將保溫瓦塊縮緊，保證兩塊保溫瓦塊不會(huì)因重力而分開。

(4) 使用手持發(fā)泡槍對(duì)保溫瓦塊與原管段保溫層之間的縫隙進(jìn)行填充。

表2為現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡與保溫瓦塊優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

表2 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡與保溫瓦優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 2 Comparison of advantages and disadvantages between on-site foaming and insulation tiles

3.3 外防護(hù)層施工

1) 壓敏膠型熱收縮帶安裝

壓敏膠型熱收縮帶與管道原有防護(hù)層的搭接長度應(yīng)不小于100 mm。如果一條壓敏膠型熱收縮帶寬度不能覆蓋修復(fù)區(qū)域，可采用多條壓敏膠型熱收縮帶搭接，搭接長度應(yīng)大于50 mm。壓敏膠型熱收縮帶應(yīng)按照產(chǎn)品說明書的要求進(jìn)行安裝。

2) 電熱熔套安裝[8]

(1) 根據(jù)電熱熔套安裝指導(dǎo)書，進(jìn)行典型環(huán)境中的熱熔適應(yīng)性試驗(yàn)，確定最佳的焊接參數(shù)。

(2) 根據(jù)修復(fù)管段尺寸，選擇尺寸匹配的電熱熔套，電熱熔套與主管體外防護(hù)層的搭接寬度應(yīng)不小于100 mm，電熱熔套接電源一端需要進(jìn)行坡度處理，形成不大于30°的倒角，寬度方向處理寬度應(yīng)不小于60 mm。

(3) 用寬度不小于50 mm的捆扎帶將電熱熔套固定在修復(fù)位置。在電熱熔套兩端與主管體外防護(hù)層搭接處，電熱熔套中間位置各安裝一條捆扎帶。兩端的捆扎帶應(yīng)確保捆扎在電熱熔絲的位置上。

(4) 按照確定的焊接參數(shù)進(jìn)行電熱熔焊接，在焊接完成并冷卻20 min后卸掉捆扎帶。

4 應(yīng)用情況

目前，此修復(fù)技術(shù)已在某長輸埋地保溫管道近400道補(bǔ)口修復(fù)工程中得到廣泛應(yīng)用。并對(duì)其中的兩處修復(fù)效果進(jìn)行了開挖驗(yàn)證。開挖結(jié)果表明，修復(fù)材料和修復(fù)結(jié)構(gòu)能起到有效的防水密封作用，修復(fù)外防護(hù)層與主管道外防護(hù)層之間的剝離強(qiáng)度達(dá)到20 N/cm，保溫層內(nèi)無水進(jìn)入，修復(fù)效果良好。