直焊縫鋼管3LPE防腐涂層厚度分析及控制

閆林森 焦振峰 胡建飛 楊志剛 張 宏

（1. 中海油能源發(fā)展清潔能源管道技術(shù)分公司，天津 300452；2. 海油發(fā)展珠海管道工程有限公司，廣東 珠海 519050）

0 引言

三層結(jié)構(gòu)聚乙烯（3LPE）涂層是上世紀(jì)80年代中期開發(fā)成功的一種具有多層結(jié)構(gòu)的高性能防腐涂層系統(tǒng)，主要由熔結(jié)環(huán)氧粉末底層（FBE）、高密度聚乙烯外保護(hù)層（HDPE）以及起粘接作用的共聚物膠粘劑中間層（AD）共同組成，可為油氣管道提供長效、可靠的腐蝕防護(hù)。

直縫焊管3LPE防腐已成為管道工程中常見的組合類型。管體與焊縫間外涂層厚度差異對聚乙烯材料的消耗有較大影響[1]，焊縫處防腐層厚度的控制是聚乙烯材料消耗和涂層質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素。

本文主要介紹直焊縫鋼管3LPE防腐涂層厚度要求、防腐前焊縫控制和聚乙烯材料性能、防腐工藝條件對焊縫處涂層厚度的影響及控制方向，并提出焊縫補(bǔ)償思路，探討擠出纏繞、多層噴涂和包覆工藝對焊縫處涂層厚度的影響。

1 焊縫處涂層厚度、外焊縫高度的要求

隨著3LPE防腐工藝的成熟和技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)防腐行業(yè)正在逐步提高焊縫處防腐層最小厚度要求，不再對SAWL鋼管焊縫高度明確要求。按照GB/T 23257 2017埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層要求，焊縫部位的防腐層厚度不應(yīng)小于防腐層厚度的80%[2]。此標(biāo)準(zhǔn)在2009年版本時，焊縫部位的防腐層厚度不應(yīng)小于規(guī)定值的70%。而ISO 21809 2018國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許焊縫部位的防腐層厚度不應(yīng)小于涂層規(guī)定值的90%[3]。

根據(jù)API SPEC 5L 2018版標(biāo)準(zhǔn)，對于SAWL鋼管外焊縫高度要求為3.5mm（壁厚≤13mm）和4.5mm（壁厚＞13mm）。而根據(jù)GB/T23257 2009標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管焊縫的余高不應(yīng)超過2.5mm，且焊縫應(yīng)平滑過渡。GB/T 23257 2017已經(jīng)取消焊縫余高不超過2.5mm要求，內(nèi)容修改為鋼管焊縫應(yīng)符合現(xiàn)行有關(guān)鋼管標(biāo)準(zhǔn)或訂貨技術(shù)條件的規(guī)定。對于防腐公司，為更好的控制焊縫處防腐層厚度，減少聚乙烯材料消耗，通常在鋼管生產(chǎn)前，與鋼管公司協(xié)商焊縫高度和形狀。

2 直縫鋼管外焊縫的成型和前期打磨控制

在直縫鋼管外焊縫抽檢時發(fā)現(xiàn)，鋼管的管體外焊縫的高度普遍在1～3mm之間，不同鋼管廠家，由于焊接工藝和設(shè)備的不同，外焊縫成型的效果也不同，需要在制管時，提前考慮外焊縫高度和形狀最終效果，以減少對焊縫處3LPE防腐厚度的影響。如果鋼管公司在制管時，提前考慮外焊縫的高度和形狀對3LPE防腐層減薄的影響，在焊接工藝和生產(chǎn)時加強(qiáng)焊縫余高及形狀的控制，管體的焊縫高度基本可控制在1.5mm以下，形狀為平滑過渡，極個別焊縫高度偏高，但應(yīng)低于2mm，上述焊縫參數(shù)有利于后續(xù)的3LPE防腐厚度控制。

鋼管外焊縫余高超過1.5mm，且有起脊形狀時，對焊縫的打磨處理是節(jié)省聚乙烯材料的有效措施。國內(nèi)外部分3LPE防腐業(yè)務(wù)的公司，在鋼管拋丸除銹前，設(shè)置外焊縫自動打磨裝置，將焊縫余高和形狀控制在理想范圍內(nèi)。如果未打磨處理就直接進(jìn)行3LPE外防腐，焊縫處涂層厚度減薄后，厚度很難滿足要求。單純加大聚乙烯擠出量雖然能提高焊縫處涂層厚度，但隨著焊縫余高增大和余高的起脊形狀的影響，聚乙烯涂層被膠輥和外焊縫擠壓，高溫下熔融聚乙烯的流動將迫使涂層厚度增加陷入瓶頸。極端情況下，鋼管焊縫與膠輥碾壓處的涂層，在惡劣環(huán)境或長期服役后，焊縫處防腐層有撕裂的風(fēng)險。

3 聚乙烯材料熔體流動速率對涂層厚度的影響分析及控制

聚乙烯材料在擠出機(jī)中通過加熱、加壓使聚乙烯以流動狀態(tài)，連續(xù)通過擠出?？?，以片狀成型纏繞包覆在鋼管上，形成防腐層。在防腐生產(chǎn)時，聚乙烯模頭擠出溫度在200～230℃，纏繞到鋼管的PE層受到膠輥壓力的作用，熔融聚乙烯因受力而向焊縫凸起的兩側(cè)流動，從而導(dǎo)致焊縫處涂層厚度減薄。聚乙烯熔體流動速率（MFR）是影響焊縫處涂層厚度減薄的關(guān)鍵指標(biāo)，MFR指標(biāo)影響在擠出機(jī)中加熱、加壓效果。

聚乙烯的MFR均隨溫度的升高而增大，溫度越高，熔融聚乙烯的流動性越強(qiáng)。應(yīng)根據(jù)聚乙烯熔體流動速率的特性，確定合適的壓輥壓力和熔融溫度，使熔融聚乙烯專用料在纏繞包覆后，焊縫附近的流動變化為最小。聚乙烯熔體流動速率越大，焊縫處3LPE涂層的厚度越小，MFR確實對焊縫處涂層厚度減薄有明顯的影響[1]。

按照GB/T23257標(biāo)準(zhǔn)要求，聚乙烯熔體流動速率（190℃，2.16kg）性能指標(biāo)應(yīng)≥0.15g/10min，一般防腐公司在訂貨時，限定性能指標(biāo)為0.15～0.8g/10min，不同批次原材料偏差20%。上述設(shè)定范圍相對較寬，如果每批材料熔體流動速率偏差較大，會對現(xiàn)場工藝條件控制較大影響。根據(jù)經(jīng)驗，建議對于焊縫突出的UOE、螺旋焊縫管，聚乙烯MFR在0.2～0.25g/10min，上述聚乙烯材料性能將有易于焊縫鋼管外表面涂層保持均勻，焊縫處涂層減薄影響相對更小。

4 工藝參數(shù)對涂層厚度的影響分析及控制

4.1 防腐主要工藝參數(shù)的分析和控制方法

鋼管的傳動速度、螺距長度、聚乙烯的擠出量、防腐的纏繞層數(shù)、膠輥硬度和壓力均對防腐層厚度有影響，尤其影響直縫鋼管外焊縫處涂層厚度。通常，在其它參數(shù)恒定，某一個單一參數(shù)改變時，一般規(guī)律如下：在模頭相對固定時，擠出量越多，防腐層的厚度越大；當(dāng)模頭距離鋼管表面越遠(yuǎn)，幅寬越小，搭接縮小，單層厚度變大，適當(dāng)調(diào)整后可保證總厚度不變；當(dāng)聚乙烯纏繞層數(shù)越多時，螺距較小，防腐層厚度增加。當(dāng)傳動輪的角度越大，鋼管的傳動速度越大，鋼管的防腐層厚度越小[4]。生產(chǎn)線傳送輪和聚乙烯壓膠輥彈性對鋼管焊縫處涂層厚度影響較大，建議膠輥的硬度10度左右（邵A），壓力調(diào)整至0.1～0.2MPa，降低膠輥對焊縫處涂層擠壓的影響。

主要工藝參數(shù)在3LPE生產(chǎn)時是動態(tài)變化、相鋪相成的，因此，可根據(jù)鋼管規(guī)格、環(huán)氧粉末固化效果、擠出機(jī)流量、冷卻效果，優(yōu)先科學(xué)計算鋼管傳送速度范圍，并對其它參數(shù)進(jìn)行合理匹配，才能保證焊縫處防腐層厚度的合適控制。

4.2 聚乙烯擠出工藝參數(shù)對涂層厚度的影響分析及控制

聚乙烯擠出纏繞前，鋼管傳送速度、鋼管傳送螺距已調(diào)試設(shè)定，擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、各段溫度、機(jī)頭出料寬度等參數(shù)，是根據(jù)出料量需求而調(diào)整，擠出量理論計算公式為[5]：

Q為擠出量/（cm3/s）；

α為正流系數(shù)/cm3；

n為螺桿轉(zhuǎn)速/（r/s）；

Δρ為熔體輸送壓力降/MPa；

β為反流系數(shù)/cm3；

η為材料的粘度/Pa·s。

由于α、β僅與螺桿參數(shù)有關(guān)，η是聚乙烯材料在螺桿時粘度，與MFR性能直接相關(guān)。因此，擠出量與壓力降和螺桿轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)時，擠出量需保持穩(wěn)定，因此，壓力升高，螺桿轉(zhuǎn)速被迫調(diào)低；壓力下降，螺桿轉(zhuǎn)速被迫調(diào)高。為減小壓力變化對擠出量的影響，必須避免或減小反流，有效措施是形成梯級壓力降。

擠出機(jī)設(shè)備參數(shù)基本確定后，通過降低機(jī)筒一、二區(qū)溫度，合理設(shè)置各區(qū)梯級溫度，較大的溫度差傳導(dǎo)為穩(wěn)定的壓力降，穩(wěn)定反流系數(shù)β值，以保證擠出量的穩(wěn)定。

5 直焊縫鋼管涂層厚度補(bǔ)償設(shè)想

焊縫處防腐涂層厚度普遍低于管體涂層厚度，國內(nèi)、外一些防腐公司均在探索焊縫處涂層補(bǔ)償?shù)姆椒āＪ褂眉す鈧鞲衅髯詣幼R別焊縫位置，設(shè)定算法捕捉系統(tǒng)時間和鋼管傳送速度，通過涂層厚度補(bǔ)償系統(tǒng)對焊縫處涂層進(jìn)行額外補(bǔ)償[6]。補(bǔ)償?shù)姆绞接腥N設(shè)想。通過擠出膜片相對運(yùn)動，焊縫處涂層環(huán)向張力瞬間、間歇改變，實時補(bǔ)償焊縫處涂層厚度；通過膠輥的壓力調(diào)節(jié)，焊縫處壓力減小，實時改善焊縫處涂層厚度；通過擠出機(jī)壓力調(diào)節(jié)，焊縫處涂層擠出量瞬間增加，實時補(bǔ)償焊縫處涂層厚度。這三種方式理論上均可提高焊縫處涂層厚度，具體需要更加深入的研究和實踐。

6 噴涂和包覆式3LPE防腐對焊縫處涂層厚度影響與展望

不同于3LPE擠出纏繞防腐工藝，多層噴涂防腐和包覆式3LPE防腐技術(shù)均對焊縫處涂層厚度無減薄影響。但二種工藝均受制于特定適用環(huán)境。

多層噴涂3LPE防腐涂層厚度偏小，外層聚乙烯涂層一般為中密度聚乙烯，噴涂方式不會造成焊縫處涂層厚度的減薄，但涂層的拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂伸長率、機(jī)械性能指標(biāo)與高密度聚乙烯擠出纏繞工藝相比，性能指標(biāo)偏低。

包覆式3LPE防腐采用環(huán)向擠出成型，不同于片材擠出，膠粘劑和聚乙烯包覆模具尺寸有限，一般適用于小管徑鋼管，而小管徑管材無突起焊縫，凸起焊縫的大管徑管材包覆設(shè)備裝置配套較難，成本高。在運(yùn)行、配套成本未顯著下降，涂層性能指標(biāo)沒有明顯提高的情況下，3LPE防腐生產(chǎn)及設(shè)備研發(fā)廠家沒有針對焊縫管工藝、設(shè)備深入研發(fā)和推廣的動力。

7 結(jié)語

通過對直焊縫鋼管焊縫結(jié)構(gòu)、涂層厚度、聚乙烯材料性能、擠出纏繞工藝參數(shù)等的分析，結(jié)合焊縫處涂層補(bǔ)償和多層噴涂、包覆工藝技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，結(jié)論如下：

（1）雖然焊縫對鋼管3LPE防腐厚度有非常大的影響，但對焊縫處涂層厚度的要求越來越高；

（2）焊縫預(yù)處理和焊縫處涂層厚度補(bǔ)償均可提高焊縫處防腐層厚度；

（3）聚乙烯材料的性能和擠出工藝參數(shù)精準(zhǔn)控制，可以減少焊縫對涂層厚度的影響。