Φ22 mm鋼質(zhì)管道FBE涂層涂敷技術(shù)研究

陳泊含，周洪濤，陳 芳＊

1邢臺(tái)學(xué)院，河北 邢臺(tái)

2河北華北石油工程建設(shè)有限公司，河北 任丘

1. 引言

油氣輸送管道能否長(zhǎng)期、安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，腐蝕是影響埋地管道使用壽命長(zhǎng)短和安全性的主要因素。因此，這些埋地管道都必須有一套良好的外防護(hù)涂層保護(hù)。熔結(jié)環(huán)氧(FBE)防腐涂層是國(guó)內(nèi)外油氣輸送管道應(yīng)用較多的管道防腐涂層之一，這種防腐涂層具有優(yōu)異的附著力、柔韌性以及卓越的耐腐蝕性能。FBE 涂層與3PE 涂層相比，尤其具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在一些開(kāi)采周期短，擬降低建設(shè)成本的在建油氣田建設(shè)項(xiàng)目中(有不少這種情況的油氣田建設(shè)項(xiàng)目)，更是首選此種防腐結(jié)構(gòu)作為油氣輸送管道防腐蝕涂層。

熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐涂層，1961 年由美國(guó)開(kāi)發(fā)成功并應(yīng)用于管道防腐工程，之后在許多國(guó)家得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[1]。由于FBE 具有優(yōu)良的機(jī)械性能、抗腐蝕性能和耐久性能，所以被廣泛應(yīng)用于陸上、水下、海底等管線的防腐涂裝，為處于各種環(huán)境中的管線長(zhǎng)期低維護(hù)運(yùn)行提供了可靠的保證。40 多年來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展完善，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)走向成熟。迄今為止，全球已有20 余萬(wàn)公里以上的管道使用了熔結(jié)環(huán)氧粉末，鋪設(shè)于世界各地——從陸地到海洋，從城市到鄉(xiāng)村，從赤道到極地，從平原到山地、河流、湖泊，從西伯利亞草原到非洲沙漠，從美洲大陸到中東海灣，都有熔結(jié)環(huán)氧粉末的應(yīng)用實(shí)例。熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層能夠在各種極端的氣候條件和苛刻的機(jī)械應(yīng)力作用、化學(xué)介質(zhì)侵蝕的環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用，足以證明熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層是一種可靠的保護(hù)涂層，經(jīng)得起實(shí)踐和時(shí)間的考驗(yàn)。

我國(guó)FBE 技術(shù)起步較晚，上世紀(jì)80 年代才開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的環(huán)氧粉末及工藝、設(shè)備。天津瑞遠(yuǎn)粉末涂料有限公司在國(guó)內(nèi)率先推出了重防腐系列環(huán)氧粉末涂料，打破國(guó)外產(chǎn)品的壟斷，在國(guó)家許多重點(diǎn)工程上得到應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，特別是在一些國(guó)家重點(diǎn)工程中，瑞遠(yuǎn)公司占據(jù)了重要地位，產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)良好，不僅保證了工程順利進(jìn)行，而且為國(guó)家節(jié)約了大量工程投資。

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，管道熔結(jié)環(huán)氧(FBE)涂層噴涂工藝已比較成熟，不乏成功應(yīng)用的例子。但是，目前此種噴涂工藝施工的管徑范圍還不能包含DN60 以下管道。應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題是涂層厚度薄厚不均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、生產(chǎn)速度低下不能滿足工業(yè)管道建設(shè)需求等。所以，小口徑管道通常會(huì)選用其他的防腐設(shè)計(jì)，例如聚乙烯或聚丙烯膠粘帶、溶劑型或無(wú)溶劑型涂料防腐等，而這些防腐結(jié)構(gòu)的防腐性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜色于熔結(jié)環(huán)氧(FBE)涂層，造成埋地管道使用壽命縮短，浪費(fèi)能源。這樣，小口徑管道防腐問(wèn)題一直是防腐設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。2009 年5 月，我們承攬到土庫(kù)曼斯坦工程直徑22 mm 鋼質(zhì)管道FBE 涂層防腐施工任務(wù)，此工程是薩曼杰佩井口設(shè)施及單井管線的緩釋劑注入管線，管線全長(zhǎng)114 公里，與主管線同溝敷設(shè)。我們經(jīng)過(guò)多方面的努力，實(shí)現(xiàn)了直徑22 mm 鋼質(zhì)管道FBE 涂層防腐施工，并做到了與其同溝敷設(shè)的大口徑FBE 涂層管道同等質(zhì)量，同等速度施工。

本文以土庫(kù)曼斯坦工程直徑22 mm 鋼質(zhì)管道FBE 涂層施工為例，詳細(xì)介紹了小口徑管道FBE 涂層涂敷工藝及技術(shù)控制要點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)多次試驗(yàn)，最后確定了選用的FBE 涂料型號(hào)、改進(jìn)了涂裝設(shè)備、優(yōu)化了噴涂工藝等，還對(duì)防腐管道的產(chǎn)品包裝、吊裝拉運(yùn)情況作了簡(jiǎn)單的介紹，最終，使此工藝技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

2. 小口徑管道FBE 涂層涂敷技術(shù)研究

2.1. 環(huán)氧粉末(FBE)涂料

環(huán)氧粉末(FBE)涂料由環(huán)氧樹脂基料、固化劑、添加劑和顏填料組成，其主要成份是環(huán)氧樹脂。涂層的性能指標(biāo)及外觀質(zhì)量，可通過(guò)選用不同的環(huán)氧樹脂種類及添加劑來(lái)改變，因此，環(huán)氧粉末涂料是小口徑管道涂層涂敷質(zhì)量的關(guān)鍵。由于小口徑鋼管的鋼管壁較薄，通常在4 mm 以下，這樣造成預(yù)熱后的鋼管熱量散失較快，沒(méi)有足夠的溫度保證噴涂粉末充分的熔結(jié)、流平和固化過(guò)程，還有可能形成涂層嚴(yán)重流掛、不均勻、不完整；漏涂、針孔等質(zhì)量問(wèn)題。并且，涂敷溫度低也影響涂層的粘結(jié)力此項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。為解決這個(gè)問(wèn)題，在工程生產(chǎn)試驗(yàn)階段，我們選用了6 種粉末進(jìn)行噴涂試驗(yàn)：3 種低溫固化環(huán)氧粉末，噴涂溫度確定為185℃～195℃；3 種高溫固化環(huán)氧粉末，噴涂溫度確定為215℃～225℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

Table 1. Test results表1. 試驗(yàn)結(jié)果

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3 種低溫固化粉末中，1＃、2＃低溫固化粉噴涂厚度達(dá)到450 um 后，出現(xiàn)了不同程度的流掛現(xiàn)象，不能在工程中應(yīng)用；3＃低溫固化粉的附著力指標(biāo)不合格。選用的3 種高溫固化粉末中，只有4＃粉末達(dá)到要求防腐厚度后出現(xiàn)了輕微流掛，而調(diào)整了固化時(shí)間的5＃、6＃高溫固化粉末的性能指標(biāo)均滿足SY/T0315-2005 規(guī)定的環(huán)氧粉末涂層性能指標(biāo)要求。從上述分析出可以看出，選用的5＃、6＃粉末可以滿足小口徑管道FBE 涂層涂敷要求。

2.2. 涂裝設(shè)備

熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)涂層涂敷施工的主要設(shè)備有拋丸除銹機(jī)、中頻加熱裝置、粉末靜電噴涂系統(tǒng)、傳動(dòng)線等。小口徑管道FBE 涂層涂敷生產(chǎn)在現(xiàn)有的作業(yè)線上即可完成，根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)一些設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。

根據(jù)規(guī)范要求，涂裝前應(yīng)對(duì)焊縫表面進(jìn)行處理，在噴砂機(jī)無(wú)法觸及位置允許使用鋼絲刷打磨。噴砂除銹后，鋼材表面應(yīng)達(dá)到近白色金屬表面，即Sa 2.5 級(jí)，表面粗糙度在38 um 至100 um 之間[2]。

2.2.1. 除銹設(shè)備

一般涂敷廠家希望除銹設(shè)備作業(yè)管徑能包含較寬范圍，這樣，最好選用拋頭在底部的除銹設(shè)備。除銹作業(yè)線的中心線是由下向上移動(dòng)的，如果拋頭安裝在底部，小口徑管道靠近拋頭部位，可保證小口徑鋼管的除銹效果。

2.2.2. 中頻加熱設(shè)備

采用中頻加熱裝置對(duì)小口徑鋼管進(jìn)行加熱時(shí)，若中頻線圈選擇不當(dāng)，則使管體表面溫度不能瞬間達(dá)到要求溫度，尤其是對(duì)于小口徑管道來(lái)講，這種現(xiàn)象更為突出。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可用中頻加熱的原理來(lái)解釋：鋼管處在交變磁場(chǎng)中形成渦流能使導(dǎo)體產(chǎn)生熱量，鋼管表面的溫度與中頻線圈的尺寸、長(zhǎng)度、疏密，以及鋼管壁厚都有一定關(guān)系。選用的中頻加熱線圈的直徑應(yīng)與其施工的管徑相匹配，直徑過(guò)大會(huì)造成能源浪費(fèi)。線圈的長(zhǎng)度應(yīng)為1.5 m 左右(大口徑管道的中頻線圈長(zhǎng)度一般為0.5 m～0.7 m)，因鋼管加熱有個(gè)熱反應(yīng)過(guò)程，線圈過(guò)短的結(jié)果是：鋼管瞬間通過(guò)中頻圈后，到達(dá)粉末噴涂位置時(shí)，鋼管表面的溫度還不能達(dá)到設(shè)定溫度。因此試驗(yàn)中，采取了延長(zhǎng)中頻線圈長(zhǎng)度的措施，這樣就解決了鋼管檢測(cè)溫度達(dá)不到涂敷要求溫度的問(wèn)題。鋼管溫度檢測(cè)見(jiàn)圖1、圖2。

Figure 1. Temperature inspection before spraying圖1. 噴涂前溫度檢測(cè)

Figure 2. Temperature inspection after spraying圖2. 噴涂后溫度檢測(cè)

2.2.3. 噴涂設(shè)備

噴涂設(shè)備是決定涂層均勻與否的關(guān)鍵設(shè)備，它的關(guān)鍵考核指標(biāo)是放電特性和出粉是否均勻。國(guó)內(nèi)有些靜電噴涂設(shè)備廠家的設(shè)備標(biāo)稱工作電壓比較高，可實(shí)際輸出電壓無(wú)法達(dá)到充分的電暈放電狀態(tài)，粉末的靜電沉積率不能保證。另外，噴涂設(shè)備的噴嘴形狀設(shè)計(jì)也很重要，應(yīng)保證粉末噴涂均勻，扇形完整。因小口徑管道FBE 涂層涂敷厚度不易保證，所以，更應(yīng)該選用一些信譽(yù)良好的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的設(shè)備。噴涂設(shè)備見(jiàn)圖3。

Figure 3. Spraying equipment圖3. 噴涂設(shè)備

2.2.4. 傳動(dòng)設(shè)備

FBE 涂層噴射式涂敷工藝，對(duì)于DN 60 以上管道效果很好，但涂敷小口徑管道時(shí)，因管道剛度小，易彎曲、抖動(dòng)，很難保證前行的鋼管始終處在噴槍噴射范圍中心；尤其是在涂層涂敷區(qū)段，由于鋼管懸空位置長(zhǎng)，一般在5 米左右，會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲弧度，這樣就造成鋼管涂層涂敷厚度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的偏差范圍。采取的措施是在中頻加熱線圈前面，安裝一組長(zhǎng)度為1.5 m～2.5 m 支撐輪組，這套支撐輪組可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)絲杠調(diào)節(jié)壓輪壓緊高度；傳動(dòng)輪的設(shè)計(jì)形狀應(yīng)根據(jù)鋼管直徑加工，確保支撐輪組有足夠的力量保證鋼管在涂層涂敷區(qū)域處在噴射中心，不產(chǎn)生彎曲弧度。

3. 土庫(kù)曼工程直徑22 mm 鋼質(zhì)管道FBE 涂層涂敷工藝參數(shù)及涂層性能指標(biāo)

完成小口徑管道FBE 涂層涂敷技術(shù)研究后，開(kāi)始進(jìn)行土庫(kù)曼工程直徑22 mm 管道FBE 涂層涂敷施工。FBE 涂層涂敷工藝中，鋼管表面預(yù)處理質(zhì)量、涂敷溫度、固化時(shí)間、行進(jìn)速度等參數(shù)都是確保涂層質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，其中涂敷溫度的控制最為關(guān)鍵。以下是該工程涂層涂敷施工時(shí)，所運(yùn)行的工藝參數(shù)(見(jiàn)表2)以及此工藝參數(shù)下生產(chǎn)管道的涂層性能指標(biāo)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)。

Table 2. Technological parameters表2. 工藝參數(shù)

Table 3. FBE coating performance index表3. FBE 涂層性能指標(biāo)

表3 中數(shù)據(jù)是在三種不同運(yùn)行參數(shù)下取得的涂層管件，送中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司防腐保溫產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)所得結(jié)果，從檢測(cè)結(jié)果可以看出三種工藝參數(shù)下生產(chǎn)的FBE 涂層指標(biāo)均滿足SY/T0315-2005 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)氧粉末涂層性能要求[3]。

4. 小口徑管道FBE 涂層涂敷技術(shù)控制要點(diǎn)

4.1. 表面預(yù)處理

1) 管體清潔。鋼管進(jìn)行除銹作業(yè)線前，應(yīng)徹底清除鋼管表面的油污。這一點(diǎn)很重要，避免不清潔的鋼管污染傳動(dòng)滾輪，造成其他鋼管外表面污染。這里還特別指出，鋼管表面除了油污之外，一些管體外表面的標(biāo)識(shí)也應(yīng)使用相應(yīng)的溶劑擦拭掉。因有些鋼管廠家會(huì)使用一些低溫涂料作為標(biāo)識(shí)涂料，而我們FBE涂層涂敷溫度一般為210℃以上，因此，噴涂在管體表面的涂料會(huì)在涂層涂敷過(guò)程中氣化，在涂層中產(chǎn)生針孔，使涂層質(zhì)量不能保證。

2) 預(yù)熱溫度。鋼管拋丸除銹前，應(yīng)預(yù)熱鋼管，預(yù)熱溫度控制在100℃～120℃。溫度預(yù)熱有兩方面的原因：一是驅(qū)除管體潮氣，利于除銹；二是使清除管體油污過(guò)程中殘留在鋼管表面的溶劑揮發(fā)掉。

3) 清潔度。噴(拋)射除銹后，應(yīng)將鋼管內(nèi)、外表面殘留的鋼丸以及外表面的銹粉微塵清除干凈。若粉末噴涂在表面不潔凈的鋼管表面，其附著力不能保證。保證鋼管表面的清潔度需做好兩方面的工作，一是保證作業(yè)空間的清潔，二是保證除銹機(jī)除塵系統(tǒng)的完好，并做到及時(shí)清理除塵系統(tǒng)。

4) 錨紋深度。它是預(yù)處理質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，控制的范圍宜為50～100 um。錨紋深度通過(guò)調(diào)節(jié)鋼砂、鋼絲段、鋼丸的配比以及鋼丸的粒徑來(lái)調(diào)節(jié)，一般配合比為1:2:3，鋼丸粒徑應(yīng)小于1.2 mm。

4.2. 涂層涂敷溫度

與大口徑管道相比，小口徑管道涂層涂敷溫度的控制顯得更為重要。因小口徑管道的壁厚較薄，加熱后其散熱速度也較快，而粉末涂料需要在較高溫度下流平、固化，這樣才能均勻、牢固的附著在鋼管表面，形成良好的防腐層。若管體涂敷溫度低于要求溫度，將造成涂層附著力不能滿足要求等嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題。所以，小口徑管道涂敷時(shí)，中頻加熱溫度一定要控制在215℃～230℃之間。

4.3. 噴槍排布

粉末噴槍合理排布，可以有效的保證涂層厚度均勻。涂敷時(shí)，將12 把噴槍分成兩組，每組6 把：一組噴槍噴涂，另一組備用。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，噴槍經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)出粉不均勻，而影響涂層厚度的現(xiàn)象。每組噴槍中，每3 把噴槍平均分布在同一圓周平面內(nèi)，并形成一個(gè)噴涂截面，該截面與待噴涂的鋼管呈正切位置；另3 把噴槍與前一組噴槍相距50 mm～100 mm，再形成一個(gè)截面，該截面同樣與鋼管呈正切位置；而且，從與截面垂直的位置看，這兩組噴槍正好把360 度圓周分成了6 等分。這樣排布噴槍，即可以保證涂層均勻，偏差范圍達(dá)到±50 um，又可以保證噴涂到450 um 厚度，而不產(chǎn)生流掛。

4.4. 涂層冷卻

若采取通常采用的冷卻工藝，在FBE 涂層涂敷完畢，3～4 m 處(一般為噴粉室后第一個(gè)拖輪處)就開(kāi)始水冷降溫的冷卻方式，不利于涂層涂敷生產(chǎn)。因這么近的距離就開(kāi)始冷卻，勢(shì)必會(huì)帶走管體的大量熱量，會(huì)加快小口徑管道熱量散失速度，不能保證粉末涂層充分的流平、固化。解決的辦法是傳動(dòng)拖輪上纏上耐高溫硅膠帶，采取自然冷卻降溫方式冷卻15 分鐘后，再用水冷降溫，這樣，可以長(zhǎng)時(shí)間的保持管體溫度，保證涂層質(zhì)量。冷卻工藝見(jiàn)圖4。

Figure 4. Cooling process圖4. 冷卻工藝

4.5. 產(chǎn)品包裝、吊裝運(yùn)輸

和涂敷一樣，產(chǎn)品的包裝和運(yùn)輸也非常重要。因多數(shù)防腐鋼管會(huì)經(jīng)過(guò)多次倒運(yùn)才能到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)。為保證鋼管的涂層不被破損，我們采用了合理有效的包裝方式：就是單根防護(hù)、整體吊裝運(yùn)輸。土庫(kù)曼工程就采取了如下包裝方案，每根8 米長(zhǎng)的鋼管套上4 個(gè)膠圈，防止運(yùn)輸時(shí)鋼管間涂層摩擦損傷；每捆鋼管再打上四圈鋼帶牢固固定，每捆鋼管的重量一般控制在2.5 噸左右。與涂層接觸的鋼帶部位再墊上多層苫布加以防護(hù)，鋼帶外面則捆綁草繩，避免堆放時(shí)損傷其它涂層；然后再在整捆防腐管外面套上防曬布，以防止運(yùn)輸過(guò)程中，涂層受到雨水和紫外線的侵蝕；最后在鋼管中間部位安裝兩根吊帶，吊帶的間距為1 m，每次吊裝時(shí)直接吊裝即可。實(shí)踐證明這個(gè)方案是非常有效的：歷經(jīng)兩個(gè)月運(yùn)抵土庫(kù)曼斯坦施工現(xiàn)場(chǎng)的防腐管，涂層質(zhì)量完好。成品見(jiàn)圖5；施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。

Figure 5. Finished product圖5. 成品

Figure 6. Construction site圖6. 施工現(xiàn)場(chǎng)

5. 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)研究，我們開(kāi)發(fā)出了采用作業(yè)線連續(xù)噴涂方式，涂敷小口徑管道FBE 涂層的工藝技術(shù)，順利完成了土庫(kù)曼斯坦工程直徑22 mm 鋼質(zhì)管道FBE 涂層施工，產(chǎn)品質(zhì)量完全達(dá)到SY/T0315-2005 標(biāo)準(zhǔn)要求。