三層PE防腐保溫管的復(fù)合極化處理及工程應(yīng)用

鮑新愿，張茜，賈真，魏東鋒，祖之英

1.新疆鵬遠(yuǎn)新材料股份有限公司，新疆烏魯木齊830000

2.長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300

3.山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255080

三層PE防腐保溫管的復(fù)合極化處理及工程應(yīng)用

鮑新愿1，張茜2，賈真2，魏東鋒3，祖之英1

1.新疆鵬遠(yuǎn)新材料股份有限公司，新疆烏魯木齊830000

2.長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300

3.山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255080

三層PE防腐保溫管中，高密度聚乙烯層與聚氨酯硬質(zhì)泡沫保溫層之間存在弱邊界層，為了滿足定向穿越對防腐保溫管剪切強(qiáng)度的要求，最有效的方法是對高密度聚乙烯層進(jìn)行極化處理。介紹了利用拋丸、火焰加熱復(fù)合極化工藝對三層PE防腐管進(jìn)行極化的工藝流程、設(shè)備及檢測方法，探討了拋丸、火焰加熱復(fù)合極化機(jī)理及對粘接力的影響。試驗(yàn)和工程應(yīng)用表明：極化處理后的三層PE防腐管聚乙烯層表面張力均大于5.4×10-2N/m；在常溫（（23±2）℃）下，防腐保溫管的軸向剪切強(qiáng)度≥0.3 MPa，切向剪切強(qiáng)度≥0.37 MPa；穿越管段采用該三層PE防腐管能夠承受定向鉆回拖時(shí)的外在條件，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和要求。煙臺(tái)至淄博管道工程中的所有定向穿越工程均使用該三層PE防腐保溫管，無任何質(zhì)量問題出現(xiàn)。

三層PE防腐保溫管；復(fù)合極化；拋丸；火焰加熱；粘接力

高密度聚乙烯外護(hù)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管由于工程造價(jià)低，熱損耗低，節(jié)約能源，防腐絕緣性能好，使用壽命長，占地少，施工快，有利環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于液體和氣體的輸送管網(wǎng)、石油化工保溫工程、集中供熱管網(wǎng)、中央空調(diào)通風(fēng)管道、市政工程等。

聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管由鋼管-防腐層-硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層-高密度聚乙烯防護(hù)層-端面防水帽組成。保溫管中的防腐層通常采用單層環(huán)氧粉末涂層、雙層環(huán)氧粉末涂層、環(huán)氧液體涂料涂層。

對于穿越沼澤、河流、泥潭等特殊地域的防腐保溫管，因地域環(huán)境惡劣必須提高鋼管的防腐能力，鋼管防腐層大多采用三層PE防腐結(jié)構(gòu)。單層環(huán)氧粉末涂層、雙層環(huán)氧粉末涂層、環(huán)氧液體涂料涂層是極性材料，可以有效地與聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料保溫層粘接，滿足保溫層與防腐層之間剪切強(qiáng)度的要求。

三層PE防腐層中，高密度聚乙烯（HDPE）是一種結(jié)晶度高、非極性、低表面能的樹脂材料。高密度聚乙烯層與聚氨酯硬質(zhì)泡沫保溫層之間存在弱邊界層，即內(nèi)聚強(qiáng)度很低，二者之間不能很好的接觸浸潤，導(dǎo)致粘接力很弱，在外力或溫差作用下，接觸面一旦滑動(dòng)分離，必然導(dǎo)致脫殼。為了形成“四位一體”結(jié)構(gòu)，保證整體使用壽命，滿足定向穿越對防腐保溫管剪切強(qiáng)度的要求，最有效的方法是對高密度聚乙烯層進(jìn)行極化處理。

對于三層PE防腐層，使用常規(guī)的電暈極化方式存在以下不足：

其一，電暈的高極化電壓容易擊穿防腐層，破壞了防腐質(zhì)量。

其二，不能滿足連續(xù)作業(yè)的要求。

其三，難以保證穩(wěn)定的極化效果。

通過反復(fù)比較試驗(yàn)，在原有鋼管拋丸除銹作業(yè)線上，增加了火焰加熱環(huán)節(jié)，成功開發(fā)了對三層PE防腐層進(jìn)行拋丸、火焰加熱復(fù)合極化處理的工藝，提高了三層PE各界面層之間的粘接力。該復(fù)合極化工藝獲得了國家發(fā)明專利[1]。

1 拋丸、火焰加熱復(fù)合極化工藝流程及設(shè)備

（1）三層PE防腐層的復(fù)合極化工藝流程如下：三層PE防腐管→拋丸→干燥純凈壓縮空氣吹掃→高溫火焰加熱→質(zhì)量檢驗(yàn)。

（2）三層PE防腐層的拋丸強(qiáng)化。采用原有鋼管拋丸除銹線進(jìn)行三層PE防腐層的拋丸強(qiáng)化、極化處理。鋼管直徑360～1 620 mm，長度8～13 m；拋丸器功率為2×75 kW；鋼丸與鋼砂的配比為1∶3；防腐管的移動(dòng)速度為1.5～2 m/min。

（3）火焰加熱極化（如圖1所示）?；鹧婕訜釃姌寯?shù)量8～12把，火焰加熱槍距防腐管距離為15～20 cm，火焰加熱區(qū)域溫度為1 500～2 000℃，防腐管的移動(dòng)速度為1.5～2 m/min。

圖1 防腐管的火焰加熱極化

2 拋丸、火焰加熱復(fù)合極化機(jī)理及其對粘接力的影響[2-3]

2.1 拋丸、火焰加熱復(fù)合極化機(jī)理

（1）拋丸。拋丸是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將一定配比的鋼丸、鋼砂拋擲出去，高速撞擊三層PE防腐管的PE層表面。其作用是：

其一，使PE表面層產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性形變，即產(chǎn)生表面強(qiáng)化層。強(qiáng)化層內(nèi)形成了密度極高的位錯(cuò)，并且在隨后的交變應(yīng)力或溫度（或二者）的作用下，位錯(cuò)逐漸排列規(guī)則，形成多邊形化。

其二，使PE表面層形成大于0.2～0.25 mm深度的錨紋，表面粗糙度明顯變化。

其三，去除造成PE表面層內(nèi)聚強(qiáng)度低的低分子聚合物、防老劑、其他添加劑或污染物，提高了PE表面層的表面能。

其四，接觸角下降，表面張力提高。

（2）火焰加熱?；鹧婕訜岬乃查g高溫效應(yīng)，加快了聚乙烯的化學(xué)反應(yīng)，使得高密度聚乙烯表面產(chǎn)生了自由基，這些活性基團(tuán)以共價(jià)鍵形式互相結(jié)合，引起分子交聯(lián)，這樣，原來聚乙烯的線性分子結(jié)構(gòu)就變成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。聚乙烯表層分子形成的極性活性基團(tuán)提高了高密度聚乙烯表面的極性，因而其表面張力也大大提高了。

2.2 拋丸、火焰加熱復(fù)合極化處理對粘接力的影響

（1）表面粗糙度的影響。三層PE防腐層經(jīng)拋丸、火焰加熱復(fù)合極化處理后，表面由光滑變粗糙，并且表面形成均勻、細(xì)小的凹坑和孔隙。當(dāng)聚氨酯泡沫塑料發(fā)泡時(shí)，由于分子的擴(kuò)散滲透作用，泡沫分子進(jìn)入聚乙烯表面的凹坑和孔隙中，泡沫固化后被機(jī)械地鑲嵌在凹坑和孔隙中，形成許許多多的機(jī)械連接點(diǎn)，從而大大提高了聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間的粘接力。

（2）表面極性基團(tuán)的影響。聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間的吸附作用是由范德華力所引起的。未處理的聚乙烯分子基本上不帶極性基團(tuán)，是一種非極性高分子，不能形成取向力，故附著力很弱；復(fù)合極化處理后，聚乙烯表層分子導(dǎo)入了極性基團(tuán)，形成了色散力、誘導(dǎo)力和取向力，提高了聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間的吸附力和粘接力。

（3）表面能、表面張力的影響。聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間粘附力的形成可以分為兩個(gè)階段，第一階段是浸潤階段，即在發(fā)泡時(shí)泡沫分子的布朗運(yùn)動(dòng)，使大分子鏈吸附在聚乙烯表面上；第二階段是粘接，即分子之間的力發(fā)生作用。

未處理的聚乙烯表面能和表面張力比較小，接觸角大，聚氨酯泡沫在其表面不能很好地浸潤，故不能形成良好的粘接力。經(jīng)復(fù)合極化處理后，聚乙烯的表面能和表面張力得到提高，接觸角下降，聚氨酯泡沫的浸潤性能得以改善，從而有利于粘接性能的提高。另外，復(fù)合極化處理還能除掉和燒掉析出后留在聚乙烯表面上的低分子物質(zhì)，以及吸附在聚乙烯表面上的灰塵、油污、水汽，這對粘接力的提高也很有好處。

3 三層PE防腐保溫管復(fù)合極化的性能

3.1 復(fù)合極化后的聚乙烯表面張力

（1）聚乙烯表面張力的測試方法。表面張力的測試采用浸潤張力試驗(yàn)法，測定液為甲酰胺-乙二醇乙醚測定液。測試方法：用棉球棒蘸取已知表面張力的測定液，在被處理的聚乙烯表面上涂抹5～6 cm2的面積，若此液膜在聚乙烯表面保持2 s以上不破裂，再用表面張力高的測定液進(jìn)行測定，若液膜在2 s內(nèi)破裂成許多小液滴，則再用表面張力低的測定液進(jìn)行測定，直到獲得恰當(dāng)?shù)谋砻鎻埩χ?。值得注意的是測定液不要涂得過多或過少，否則會(huì)影響測定的準(zhǔn)確性。

（2）本研究項(xiàng)目中經(jīng)復(fù)合極化后的聚乙烯表面張力。在常溫（23±2）℃下，用5×10-2N/m的測定液（90.7%甲酰胺-9.3%乙二醇乙醚），5.2× 10-2N/m的測定液（93.7%甲酰胺-6.3%乙二醇乙醚），5.4×10-2N/m的測定液（96.5%甲酰胺-3.5%乙二醇乙醚）分別檢測極化處理后的三層PE防腐管，結(jié)果表明表面張力均大于5.4×10-2N/m。

3.2 三層PE防腐保溫管的剪切強(qiáng)度

隨機(jī)取樣由極化后三層PE防腐管制作的聚氨酯保溫管，在常溫下（23±2）℃檢測，結(jié)果表明防腐保溫管的軸向剪切強(qiáng)度≥0.3 MPa，切向剪切強(qiáng)度≥0.37 MPa。

4 利用復(fù)合極化工藝生產(chǎn)的三層PE防腐保溫管的工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

煙臺(tái)港西港區(qū)至淄博重質(zhì)液體化工原料輸送管道工程，包括一條干線（煙臺(tái)首站至華星分輸站）和五條支線（壽光-聯(lián)盟、華星-正和、華星-天宏-京博、華星-金成、華星-匯豐），干線管徑為711mm，總長度295.1 km，干線和支線總長度525.687 km。

4.2 三層PE防腐保溫管試驗(yàn)性穿越

煙臺(tái)港西港區(qū)至淄博重質(zhì)液體化工原料輸送管道工程干線，在定向鉆穿越區(qū)域采用三層PE防腐層-硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層-高密度聚乙烯防護(hù)層-端面防水帽的復(fù)合防腐保溫形式，在其他區(qū)域則采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層-硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層-高密度聚乙烯防護(hù)層-端面防水帽的復(fù)合防腐保溫形式。這兩種復(fù)合防腐保溫形式在國內(nèi)的大口徑長輸管道中首次大規(guī)模采用，穿越后防腐保溫結(jié)構(gòu)能否保證完整有效，需要試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)建議在彌河定向鉆穿越管段回拖之前，對4根鋼管、3道焊口的驗(yàn)證管段進(jìn)行試驗(yàn)性回拖，成功后再進(jìn)行全穿越管段的試驗(yàn)性回拖，為后續(xù)工程取得實(shí)證數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

2012年5月12日彌河定向鉆試驗(yàn)性穿越實(shí)施開鉆導(dǎo)向孔，歷時(shí)10 d最終成孔，2012年5月22日開始短管段試驗(yàn)性回拖，5月23日8點(diǎn)管段開始出土，至13點(diǎn)，試驗(yàn)管段全部拖出，截?cái)嗪笠环譃槎?，放置于現(xiàn)場檢修工作區(qū)。

4.3 現(xiàn)場試穿論證與工程實(shí)施

2012年5月23日，專家們經(jīng)過論證，形成了以下一致意見：

（1）三層PE防腐層+聚氨酯泡沫保溫+PE防護(hù)層的復(fù)合防腐保溫結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受定向鉆惡劣的工作條件，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和要求。

（2）熱熔套袖+黏彈體+玻璃鋼保護(hù)接頭設(shè)計(jì)形式能夠承受定向鉆回拖時(shí)的外在條件，可保證接頭密封完好。

（3）穿越管段采用零浮力回拖方法是安全可行和有保障的。

（4）本次論證會(huì)議確定的施工方式，適用于煙臺(tái)至淄博管道工程中的所有定向鉆穿越工程。

依照彌河定向鉆試驗(yàn)性穿越論證會(huì)確定的施工方式，煙臺(tái)至淄博管道工程中的所有定向鉆穿越工程均使用拋丸、火焰加熱復(fù)合極化工藝生產(chǎn)的三層PE防腐保溫管，無任何質(zhì)量問題出現(xiàn)。

[1]鮑新愿，閆德泉，劉彥良，等.高剪切力三層聚烯烴防腐保溫管及其制作工藝[P].中國：201210178481.6.

[2]徐曉秋.聚合物的粘附：弱邊界層的重要性[J].化學(xué)與粘合，1995（4）：239-241.

[3]陳海嶠.聚乙烯管內(nèi)壁極化處理[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1991，10（1）：27-31.

表4 外管式和內(nèi)板式吊耳對比

摘除索具的操作平臺(tái)非常重要，大多數(shù)情況下采用何種形式的吊耳與是否有平臺(tái)有決定性關(guān)系。如果能利用設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的正式平臺(tái)直接人工摘索具，這種情況下采用內(nèi)板式吊耳是最優(yōu)的；如果不能利用設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的正式平臺(tái)摘除索具，那么，要么搭設(shè)臨時(shí)平臺(tái)焊接內(nèi)板式吊耳，要么設(shè)置外管式吊耳，最不可取的是設(shè)置內(nèi)板式吊耳而用吊籃摘除索具，高空作業(yè)利用吊籃摘除索具很危險(xiǎn)[5]。

綜上所述，在不考慮吊車能力、索具起重量、手段用料量、焊接量等的情況下，若可以用正式平臺(tái)摘除索具，則設(shè)置內(nèi)板式吊耳為最優(yōu)；若不能利用正式平臺(tái)摘除索具，則設(shè)置外管式吊耳為最優(yōu)，而設(shè)置內(nèi)板式吊耳次之。如果遇到吊車能力、索具起重量和工期很敏感的情況，就要綜合分析出適合本次吊裝的吊耳形式。

3 結(jié)束語

吊裝再生器筒體具體采用何種形式的吊耳，要具體問題具體分析，不能千篇一律或一味模仿。要根據(jù)筒體直徑、質(zhì)量、平臺(tái)位置、吊車能力、凈空、手段用料量等諸多因素，以及兩種形式的吊耳所涉及的不同施工面所占的比率大小，選擇最適合該再生器吊裝的吊耳形式。采用何種吊耳形式一般都會(huì)有利有弊，那么在最安全可靠最容易實(shí)施的前提下，把缺點(diǎn)降到最低，設(shè)計(jì)出性價(jià)比最高的吊裝方案。

參考文獻(xiàn)

[1]SH/T3536-2011，石油化工工程起重施工規(guī)范[S].

[2]SH 3515-2003T，大型設(shè)備吊裝工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB 50798-2012，石油化工大型設(shè)備吊裝工程規(guī)范[S].

[4]葛慶棟，鄭浩，賈桂軍.大直徑重型薄壁圓筒體立式吊裝工藝簡述[J].石油化工建設(shè)，2014，40（1）：45-48.

[5]SY6279-2008，大型設(shè)備吊裝安全規(guī)程[S].

作者簡介：

任旭鵬（1986-），男，山東青島人，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油煉化、化工設(shè)備的吊裝方案編制工作。

收稿日期：2015-04-30

Combined PolarizationTreatmentof3L PEPipes and Engineering Application

BAO Xinyuan1，ZHANG Qian2，JIAZhen2，WEIDongfeng3，ZU Zhiying1
1.Xinjiang Pengyuan New Materials Co.，Ltd.，Wulumuqi830000，China
2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Wushenqi017300，China
3.Shandong ShengliSteelPipes Co.，Ltd.，Zibo 255080，China

There is a weak interface between the high density polyethylene layer and the hard polyurethane foam layer in 3LPE structure of anticorrosion pipe.In order to meet the shear strength requirement of the anticorrosion pipe for directional drilling crossing，the most applied method is to conduct polarization treatment of the high density polyethylene layer.The process flow，equipment and inspection method of polarization treatment of 3LPE pipe by applying combined blasting and flame heating process are introduced.The mechanism of the combined blasting and flame heating process and its effect on adhesion are also discussed，The tests and engineering application show that for polarization treated 3LPE pipes，the surface tension of polyethylene layers is greater than 5.4×10-2N/m；Axialshear strength is greater than 0.3 MPa and tangential shear strength is greater than 0.37 MPa at normaltemperature of（23±2）℃；The crossing pipeline section constructed with this kind of pipes can bear the pullback forces during directional drilling and meet design specifications.All directional drilling projects in Yantai-Zibo Pipeline Project adopt this kind of pipes and no any quality problem is found.

3LPE pipe；combined polarization；blasting；flame heating；adhesion

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.018

鮑新愿（1961-），男，河北石家莊人，高級工程師，1990年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)電一體化工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道防腐絕熱技術(shù)的開發(fā)和管理工作。

2015-05-26