油氣管道3PE 外防腐層產(chǎn)生裂紋原因分析及控制措施

周石燕， 王 旭， 褚元林， 劉海平， 孫悌民

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)物資采購(gòu)中心， 北京 100029； 2. 中國(guó)石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457； 3. 中國(guó)石油集團(tuán)工程和物裝管理部， 北京 100007）

0 前 言

三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層(3PE) 具有良好的抗腐蝕性、 抗水氣滲透性、 力學(xué)性能及施工性能等， 是當(dāng)今全球油氣長(zhǎng)輸管道工程中應(yīng)用最多的外防腐工藝， 在陜京線、 西氣東輸及中俄東線等管線中得到了廣泛應(yīng)用， 并取得了良好的應(yīng)用效果[1-3]。 3PE 的底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)， 與鋼管外表面粘結(jié)， 耐化學(xué)腐蝕和抗陰極剝離性很強(qiáng)； 中間層為膠粘劑， 將底層FBE 與外層聚乙烯(PE) 粘結(jié)； 外層為PE， 主要起外防腐和機(jī)械保護(hù)作用[4-5]。

隨著第三代大輸量天然氣管道技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用， 中俄東線北段采用的X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm鋼管的單根質(zhì)量達(dá)到了10 t 左右， 管徑和質(zhì)量的增加使鋼管以及防腐層在制造、 運(yùn)輸、 施工過(guò)程中損傷的幾率也顯著增加。 同時(shí)， 在高寒地區(qū)冬季施工過(guò)程中， 低溫時(shí)段修補(bǔ)的3PE 損傷層也會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題， 給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)一定影響。本研究通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目冬季寒冷施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的防腐層修補(bǔ)問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)分析， 給出相應(yīng)修補(bǔ)工藝和預(yù)防措施， 為油氣管道在冬季寒冷地區(qū)的防腐、 施工提供參考。

1 管道3PE 防腐層外表面裂紋概況

在對(duì)某項(xiàng)目使用的X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm 油氣輸送管道3PE 防腐層檢查過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)修補(bǔ)的PE 外防腐層陸續(xù)出現(xiàn)了表面龜裂現(xiàn)象，修補(bǔ)過(guò)的防腐層表面光滑， 裂紋寬度較窄， 長(zhǎng)度較長(zhǎng)， 其表面裂紋照片如圖1 所示。 同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)很多表面修補(bǔ)不光滑、不平整的防腐層并未出現(xiàn)任何裂紋， 防腐層情況如圖2 所示。

圖1 修補(bǔ)過(guò)的PE 外防腐層表面裂紋照片

圖2 表面修補(bǔ)不光滑處防腐層照片

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量， 正常PE 層一般厚度約5 mm，去除原有裂紋的修補(bǔ)厚度， 發(fā)現(xiàn)底部仍有正常PE層， 再進(jìn)行25 kV 的電火花檢測(cè)也均合格。 裂紋最深達(dá)到2.8 mm， 也就是修補(bǔ)后的PE 層仍保留2.2 mm 完好未裂， 裂紋并未延伸到FBE 層。 3PE管道最外層PE 層發(fā)生破損， 土壤中的水或電解質(zhì)就離FBE 層更近， 后期通過(guò)擴(kuò)散可到達(dá)涂層/金屬界面， 發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)， 產(chǎn)生的堿性環(huán)境和腐蝕產(chǎn)物的積聚會(huì)破壞涂層與金屬之間的結(jié)合鍵， 為管道涂層剝離埋下隱患[6]。

2 PE 層裂紋原因分析

3PE 鋼管的防腐層對(duì)于管道的壽命來(lái)說(shuō)至關(guān)重要， 在役3PE 鋼管的腐蝕穿孔事故多發(fā)生在補(bǔ)口、 補(bǔ)傷等部位[7-8]。 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的個(gè)別防腐層修補(bǔ)處出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題， 對(duì)防腐層損傷情況、 修補(bǔ)工藝及施工環(huán)境等因素進(jìn)行了調(diào)研和分析。

2.1 防腐層修補(bǔ)前損傷情況

X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm 鋼管在中俄東線屬首次大批量應(yīng)用， 鋼管3PE 涂覆過(guò)程中， 鋼管尺寸接近設(shè)備極限， 單根鋼管質(zhì)量甚至超過(guò)10 t， 造成部分制管企業(yè)防腐傳輸線的剛性不足。 在傳輸?shù)倪^(guò)程中， 靠近鋼管端面的外防腐層易被輸送輥道碰傷， 同時(shí)在搬運(yùn)、 堆垛儲(chǔ)存等移運(yùn)過(guò)程中易被吊具碰傷、 設(shè)備劃傷， 如圖3 所示。 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)， 不同鋼管企業(yè)造成外防腐層破損的概率不同， 一般為1%～8%。

圖3 不同情況下鋼管外防腐層損傷形貌

2.2 修補(bǔ)方法對(duì)PE 防腐層裂紋影響因素分析

防腐層損傷修補(bǔ)是管道防腐施工過(guò)程的常規(guī)操作， 損傷的PE 層大多采用修補(bǔ)棒， 對(duì)破損區(qū)進(jìn)行修復(fù)。 現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的外防腐層裂紋就集中出現(xiàn)在這些修補(bǔ)區(qū)域， 沒(méi)有經(jīng)過(guò)修補(bǔ)的PE 層未出現(xiàn)裂紋， 表明防腐層損傷修補(bǔ)是造成3PE 防腐層外表面出現(xiàn)裂紋的主要因素。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PE 外防腐層修補(bǔ)工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查， 發(fā)現(xiàn)原補(bǔ)傷過(guò)程中對(duì)PE 材料的加熱溫度、 加熱時(shí)間以及抹平方法等工藝參數(shù)規(guī)定不明確， 不同修補(bǔ)人員對(duì)工藝的理解和操作不同。 特別是有些修補(bǔ)層表面不光滑的防腐層未出現(xiàn)裂紋， 而有些修補(bǔ)層表面很光滑平整， 卻出現(xiàn)了裂紋的情況。調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 原修補(bǔ)人員在用鏟刀修補(bǔ)損傷表面時(shí)，反復(fù)用火焰加熱修補(bǔ)區(qū)域， 長(zhǎng)時(shí)間加熱造成PE 修補(bǔ)材料產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象， 修補(bǔ)層機(jī)械強(qiáng)度、 內(nèi)聚強(qiáng)度及抗老化性能發(fā)生改變[9]， 受熱時(shí)間增加， 致使修補(bǔ)層性能有不同程度的下降， 對(duì)3PE 防腐層的整體效果產(chǎn)生影響。 因此， 現(xiàn)場(chǎng)防腐層損傷修補(bǔ)工藝參數(shù)不明確， 反復(fù)用火焰加熱修補(bǔ)區(qū)域是造成3PE 外防腐層出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素之一。

2.2 施工環(huán)境對(duì)PE 防腐層裂紋影響因素分析

鋼管在中轉(zhuǎn)站時(shí)未發(fā)現(xiàn)外防腐層裂紋， 出現(xiàn)裂紋的均是在2017 年11 月—2018 年3 月施工的鋼管中， 當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度-8～-35 ℃， 是施工現(xiàn)場(chǎng)氣溫最低的時(shí)間段， 其它時(shí)間的鋼管3PE 外防腐層完好無(wú)損。 PE 材料是對(duì)環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂極為敏感的材料， 其失效大多數(shù)是由于在某種環(huán)境下承受長(zhǎng)期內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋[10]。 冬季寒冷天氣鋼管防腐修補(bǔ)層在低溫下產(chǎn)生裂紋的幾率大大增加， 該原因是鋼管外防腐層出現(xiàn)裂紋的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)3PE 防腐層修補(bǔ)處出現(xiàn)裂紋原因， 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了PE 材料熱特性分析、 3PE防腐層低溫冷凍試驗(yàn)及修補(bǔ)層的耐候循環(huán)試驗(yàn)。

3.1 PE 修補(bǔ)材料熱特性

由于PE 材料長(zhǎng)期在空氣中會(huì)受氧氣作用緩慢降解， 隨著熱作用會(huì)加速老化， 因此熱和氧的作用會(huì)破壞PE 的結(jié)構(gòu)， 導(dǎo)致PE 力學(xué)性能變差。 因此， 選擇合適的補(bǔ)口材料和補(bǔ)口工藝非常重要。采用工程選用的PE 修補(bǔ)棒材料進(jìn)行選材合理性驗(yàn)證試驗(yàn)。 通過(guò)差示掃描量熱儀（DSC） 測(cè)試PE 材料的熱特性， 如圖4 所示。 由圖4 可見(jiàn)， PE 修補(bǔ)材料的熔點(diǎn)為137.03 ℃， 所以修補(bǔ)加熱時(shí)一定要控制加熱溫度范圍。 圖5 為PE 材料氧化誘導(dǎo)時(shí)間（OIT） 測(cè)定曲線， 可看出， PE 修補(bǔ)材料在220 ℃下通氧34.54 min 以后， DSC 曲線才向上延伸發(fā)生氧化反應(yīng)， 即試樣的氧化誘導(dǎo)期是34.54 min， PE修補(bǔ)材料的氧化誘導(dǎo)時(shí)間符合GB/T 23257 標(biāo)準(zhǔn)的要求（≥30 min）。 通過(guò)對(duì)PE 修補(bǔ)材料熱特性熔點(diǎn)和OIT 測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)PE 修補(bǔ)材料不宜高溫加熱，但耐氧化分解， 修補(bǔ)材料質(zhì)量合格。

圖4 PE 修補(bǔ)材料熱特性

圖5 PE 修補(bǔ)材料氧化誘導(dǎo)時(shí)間

3.2 冷凍試驗(yàn)

從原始3PE 防腐鋼管上截取一段未修補(bǔ)、無(wú)缺陷、 帶3PE 管片的試件， 從0 ℃連續(xù)冷卻到-40 ℃， 在-40 ℃下經(jīng)過(guò)15 天低溫冷凍后，觀察3PE 試件外防腐層表面沒(méi)有任何裂紋， 表明完好的防腐層在-40 ℃有較強(qiáng)的耐低溫性能， 不會(huì)出現(xiàn) “凍裂” 的情況。

3.3 耐候循環(huán)試驗(yàn)

采用工程選用的不同修補(bǔ)棒和修補(bǔ)工藝， 在實(shí)驗(yàn)室制作鋼管PE 層損傷修補(bǔ)試樣。 第一種方式是對(duì)外PE 損傷采用不同修補(bǔ)棒只進(jìn)行一次加熱修補(bǔ)， 第二種方式是對(duì)外PE 損傷采用反復(fù)加熱抹平的方式修補(bǔ)。 修補(bǔ)完后， 對(duì)制作的試樣進(jìn)行耐候試驗(yàn)。 白天將所有試樣在陽(yáng)光下直曬， 晚上將所有試樣放在-44 ℃的冷凍箱內(nèi)冷凍， 如此進(jìn)行多天反復(fù)冷熱交替耐候循環(huán)試驗(yàn)后， 取出所有試樣進(jìn)行觀察。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 第一種方式采用不同的修補(bǔ)棒， 只進(jìn)行一次外PE 損傷加熱修補(bǔ)， 雖然修補(bǔ)表面不平整， 但均未產(chǎn)生任何裂紋； 第二種方式的部分試樣在反復(fù)冷熱交替耐候循環(huán)試驗(yàn)后出現(xiàn)了開(kāi)裂。 耐候循環(huán)試驗(yàn)后試樣宏觀形貌如圖6 所示。 經(jīng)過(guò)耐候?qū)Ρ仍囼?yàn)驗(yàn)證， 外PE 損傷修補(bǔ)層開(kāi)裂的主要原因是修補(bǔ)材料反復(fù)加熱過(guò)燒， 在低溫環(huán)境下修補(bǔ)層性能下降。

圖6 耐候循環(huán)試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌

4 控制措施及建議

3PE 鋼管防腐施工的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)就是防腐層現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口與破損3PE 防腐層的補(bǔ)傷。 修補(bǔ)部位是出現(xiàn)破壞和缺陷的高發(fā)區(qū)， 修補(bǔ)不到位的管道防腐層將關(guān)系到整條在役長(zhǎng)輸管線防腐工程的質(zhì)量和壽命[6-7]。 生產(chǎn)Φ1 422 mm 鋼管， 對(duì)于多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)線尤其是早期建設(shè)的防腐生產(chǎn)線都已經(jīng)達(dá)到極限規(guī)格， 生產(chǎn)和施工過(guò)程中又不可避免地要進(jìn)行多次倒運(yùn)。 所以， 只有加強(qiáng)3PE 防腐鋼管制造全過(guò)程控制， 減少對(duì)防腐層的第三方損傷， 優(yōu)化防腐層的修補(bǔ)工藝， 才可避免此類3PE 外防腐層裂紋的產(chǎn)生。

4.1 生產(chǎn)過(guò)程控制

精確控制鋼管幾何尺寸， 從板材均勻性、 制管成型、 擴(kuò)徑工藝進(jìn)行改進(jìn)， 提高鋼板原料板型，將4.5%的鋼管不直度在15～20 mm 之間 （標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤0.2%L， 12 m 長(zhǎng)度內(nèi)不超過(guò)24 mm）， 提高到15 mm 以內(nèi)， 要求鋼管出廠橢圓度≤5 mm （標(biāo)準(zhǔn)要求≤8.5 mm）， 為后續(xù)防腐施工創(chuàng)造良好條件。此外針對(duì)Φ1 422 mm×21.4 mm/25.7 mm/30.8 mm 不同規(guī)格的鋼管， 設(shè)計(jì)不同的專用連管器， 使連管器與鋼管內(nèi)壁貼合更緊密， 不再產(chǎn)生躥動(dòng)， 從而有效降低管端防腐層氣泡、 褶皺等缺陷。 針對(duì)3PE 防腐管在生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的跑線及輥道對(duì)防腐層的蹭傷， 對(duì)生產(chǎn)線部分輸送輥道和鎖緊裝置進(jìn)行改造， 提高防腐生產(chǎn)線道平直度和輥道剛性， 從而有效避免管道防腐層蹭傷。

4.2 第三方損傷控制

不管采用哪種修補(bǔ)材料和修補(bǔ)程序， 修補(bǔ)處的性能始終低于管體防腐層本身[11]， 所以要從源頭上防止對(duì)3PE 防腐鋼管的第三方損傷。 將吊運(yùn)過(guò)程中可能與鋼管產(chǎn)生磕碰的起重、 運(yùn)輸、 轉(zhuǎn)移車輛及吊具、 器具及墊枕等部位進(jìn)行軟保護(hù)， 從而消除倒運(yùn)、 裝車等過(guò)程中產(chǎn)生的磕碰傷， 從源頭減少3PE 防腐鋼管第三方損傷缺陷或缺欠的發(fā)生。

4.3 修補(bǔ)工藝優(yōu)化

PE 是一種對(duì)環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂極為敏感的材料，較高的溫度、 鋼管內(nèi)壓、 環(huán)境應(yīng)力及外界腐蝕介質(zhì)侵蝕， 均會(huì)促使PE 材料開(kāi)裂， 常溫下PE 的分子運(yùn)動(dòng)就已十分明顯， 當(dāng)溫度改變時(shí)， 環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)會(huì)上升。 所以， 3PE 防腐層修補(bǔ)工藝要減少修補(bǔ)時(shí)間和高溫對(duì)材料性能的影響， 從而減輕修補(bǔ)層受熱老化的程度[12-13]。

4.3.1 修補(bǔ)層裂紋修補(bǔ)工藝

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)， 65%的裂紋去除修補(bǔ)層后的PE 層剩余厚度＞3.3 mm； 35%的裂紋去除修補(bǔ)層后PE 層的剩余厚度為2.08～3.2 mm。 結(jié)合中俄東線CDP-S-OGP-AC-018-2014-2 《油氣管道工程鋼制管道三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐技術(shù)規(guī)格書(shū)》 和GB/T 23257 《埋地鋼制管道聚乙烯防腐層》 的相關(guān)要求， 制定了原修補(bǔ)層裂紋修補(bǔ)工藝： ①清除有裂紋的原修補(bǔ)層， 露出無(wú)裂紋的原PE 層， 采用測(cè)厚儀測(cè)量剩余厚度， 采用檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)； ②檢測(cè)無(wú)漏點(diǎn)， 剩余厚度大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50%及以上時(shí)，采用熱熔修補(bǔ)棒進(jìn)行修補(bǔ)； ③檢測(cè)無(wú)漏點(diǎn)， 剩余厚度小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50%時(shí)， 采用熱熔修補(bǔ)棒進(jìn)行修補(bǔ)， 并在修補(bǔ)處包敷一條熱收縮套， 包敷寬度應(yīng)至少比修復(fù)寬度各大50 mm； ④如檢測(cè)有漏點(diǎn)， 先用輻射交聯(lián)聚乙烯補(bǔ)傷片進(jìn)行修補(bǔ)， 并在修補(bǔ)處包敷一條熱收縮套， 包敷寬度比補(bǔ)傷片的兩邊至少各大50 mm； ⑤采用輻射交聯(lián)聚乙烯補(bǔ)傷片修補(bǔ)時(shí)， 先清理?yè)p傷部位， 并將修補(bǔ)處的聚乙烯層打毛， 并且將聚乙烯層修切圓滑， 邊緣形成鈍角并在孔內(nèi)填滿與補(bǔ)傷片配套的膠粘劑， 貼上補(bǔ)傷片。 補(bǔ)傷片大小應(yīng)保證其邊緣距聚乙烯層孔洞邊緣不小于100 mm， 貼補(bǔ)時(shí)邊加熱邊輥壓或戴耐熱手套擠壓， 排出空氣， 直至補(bǔ)傷片四周膠粘劑均勻溢出。

4.3.2 外防腐層損傷修補(bǔ)工藝

美國(guó)防腐工程協(xié)會(huì)指出， 正確涂覆的防腐涂層可為油氣管道提供99%的管道外保護(hù)需求， 剩余的1%由陰極保護(hù)提供， 說(shuō)明油氣長(zhǎng)輸管道的外防腐層是確保管道安全的重要屏障[14-15]。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和材料特性試驗(yàn)結(jié)果， 制定了寒冷地區(qū)3PE防腐鋼管外PE 損傷后的修補(bǔ)工藝： ①用刮刀或鏟刀將破損區(qū)域的防腐層清除干凈； ②將防腐層預(yù)熱到60 ℃； ③加熱熱熔修補(bǔ)棒的一端， 直至出現(xiàn)光滑的表面； ④將熔化的修補(bǔ)棒涂在防腐層損傷處， 直至填滿修補(bǔ)面； ⑤當(dāng)修補(bǔ)處變硬以后， 用電動(dòng)拋光機(jī)將修補(bǔ)的區(qū)域拋平； ⑥禁止對(duì)修補(bǔ)處進(jìn)行二次加熱， 以免破壞修補(bǔ)材料性能。

5 結(jié) 論

（1） 管道3PE 防腐層的第一道外PE 層性能直接決定著油氣長(zhǎng)輸管道在高寒冷地區(qū)安全服役的根本問(wèn)題。 原防腐層修補(bǔ)區(qū)域由于反復(fù)用火焰加熱修補(bǔ)造成修補(bǔ)材料過(guò)燒， 加上冬季低溫環(huán)境影響， 從而導(dǎo)致修復(fù)層開(kāi)裂， 兩者是造成部分鋼管外PE 防腐層出現(xiàn)裂紋的主要原因。

（2） 在3PE 鋼管制造過(guò)程中， 通過(guò)優(yōu)化鋼管幾何尺寸、 增加管端連管器、 增加托輥剛性等措施， 在吊運(yùn)過(guò)程中減少對(duì)3PE 外防腐層的第三方損傷， 可大大減少防腐層的損傷率。

（3） 通過(guò)優(yōu)化防腐層出現(xiàn)裂紋后的修補(bǔ)工藝和鋼管防腐層損傷后的修補(bǔ)工藝， 可以避免在高寒冷地區(qū)3PE 外防腐修補(bǔ)層再次出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題。