長輸管道防腐層優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用技術(shù)探討

張 一 劉少東 王子文 陶樹新

（1. 中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101；2. 中國石油天然氣銷售廣西分公司，廣西 南寧 530000；3. 廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000；4. 中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院地面工程設(shè)計所，新疆 哈密 839009）

0 引言

腐蝕是引發(fā)管道安全事故的主要原因。長輸管道基本采用防腐層與陰極保護聯(lián)合的防護方式。防腐設(shè)計是長輸管道建設(shè)重要組成部分，防腐層作用是將管體與腐蝕環(huán)境隔離，防腐層完整性可以降低并維持管道陰極保護所需的電流。管道運輸、裝卸和施工過程中可能對防腐層造成損傷；管道運行期間土壤環(huán)境、第三方破壞導(dǎo)致防腐層缺陷發(fā)展。由于防腐層缺陷，管體局部金屬表面裸露，造成加速腐蝕問題[1]。深入分析不同類型防腐層的優(yōu)缺點，系統(tǒng)總結(jié)防腐層施工、運行期間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和注意事項，對于提高管道安全管理水平、保障管道可靠運行具有重要意義。

1 防腐層類型

防腐層類型分為瀝青類、環(huán)氧類和聚烯烴類。20世紀80年代以前管道應(yīng)用石油瀝青與玻璃布增強涂層。20世紀末東北管網(wǎng)大修采用聚乙烯冷纏膠帶涂層。21世紀新建長輸管道主要采用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層FBE、三層聚乙烯復(fù)合涂層3LPE。

1.1 熔結(jié)環(huán)氧粉末

21世紀初FBE是國外新建管道的首選涂層。FBE優(yōu)點是對管材強粘接性、良好耐陰極剝離和耐磨損性能，適用溫度范圍廣（-30℃～100℃）。FBE缺點是耐沖擊能力有限、吸水率較高、耐濕熱性能較差，不適用石方段和地下水位高的管段。FBE涂層厚度普通級300～400μm，加強級400～500μm。為提高單層FBE在運輸、施工中抗機械損傷性能和抗巖石劃傷性能研發(fā)了雙層FBE，底層是普通FBE提供腐蝕防護（250～375μm），外層是增塑FBE提供機械保護（375～625μm）。塑化FBE層耐水性和抗沖擊性能顯著改善且不會屏蔽陰極保護電流。雙層FBE除適用管道干線，適用于石方段和定向鉆穿越段。雙層FBE成功應(yīng)用于西氣東輸、忠武線以及錢塘江穿越、甬滬寧管道穿越工程。

1.2 液態(tài)環(huán)氧涂層

液態(tài)環(huán)氧涂層分為溶劑型和無溶劑型兩種類型，具備極強的鋼管附著力、良好的耐磨性和電絕緣性能。無溶劑液態(tài)環(huán)氧涂層應(yīng)用于在役管道防腐層大修修復(fù)，施工過程避免由于溶劑揮發(fā)造成環(huán)境污染和對人員健康損害。溶劑型液態(tài)環(huán)氧涂層用于天然氣管道內(nèi)涂層減阻。

1.3 聚烯烴防腐層

聚烯烴防腐層具有絕緣性能好、吸水性及透濕性低、施工工藝簡單、無污染等優(yōu)點，適合長輸管道防腐層大修修復(fù)以及異形管件防腐層現(xiàn)場涂裝。聚烯烴防腐層缺點是如施工質(zhì)量差、防腐層粘接失效，容易產(chǎn)生陰極保護屏蔽，導(dǎo)致防腐層下腐蝕。

1.4 三層聚乙烯涂層

德國20世紀80年代研發(fā)三層聚乙烯涂層，主要用于施工及敷設(shè)環(huán)境惡劣地區(qū)。三層聚乙烯涂層由環(huán)氧粉末底漆（80～120μm）、粘接劑中間層（250μm）和聚烯烴外護層組成，兼具FBE優(yōu)異的防腐性能、良好的粘接性與抗陰極剝離性能，以及聚烯烴優(yōu)良的機械性能、絕緣性能及強抗?jié)B透性。三層聚乙烯涂層涂裝工藝較復(fù)雜，價格較高。三層聚乙烯涂層現(xiàn)場補口應(yīng)加強施工質(zhì)量控制，如存在缺陷或破損，易導(dǎo)致電流屏蔽，產(chǎn)生加速腐蝕。

2 三層聚乙烯涂層工程應(yīng)用現(xiàn)狀

3LPE是我國長輸管道的首選防腐層，從1995年引進，先后在陜京線、西氣東輸二線、西部管道、蘭鄭長等應(yīng)用。三層聚乙烯涂層在制管工藝、涂裝工藝、管材缺陷、熱收縮帶補口、內(nèi)涂層失效、彎管防腐和施工質(zhì)量方面還存在問題，具體如下：

（1）制管工藝。鋼管表面預(yù)處理狀況直接影響3LPE涂裝效果，如不滿足規(guī)范要求，例如鋼管噴砂除銹不徹底，鋼管表面灰塵多、油污未除凈，導(dǎo)致防腐層管端翹邊、剝離強度降低。管道開挖過程中發(fā)生防腐層剝離問題，也與鋼管表面預(yù)處理不完善有關(guān)；

（2）涂裝工藝。管材技術(shù)規(guī)格書要求3LPE的環(huán)氧粉末底層厚度大于100μm，粘接劑層厚度不小于170μm，涂層工藝評定階段滿足要求，正式量產(chǎn)難以保證，或者僅能檢測管端特定位置的涂層厚度，粘接劑層厚度檢測難度更大，管道機械剝離強度和陰極剝離強度均降低；

（3）管材缺陷。管材缺陷主要是鋼管彎度超標和焊縫超高。鋼管彎度不大于長度3‰，直縫彎管和小管徑鋼管易超標，導(dǎo)致防腐層厚度不均。鋼管焊縫高度小于2.5mm，焊接工藝未實現(xiàn)焊縫平滑過渡，導(dǎo)致焊縫處防腐層低于管體厚度的70%。制造廠為保證焊縫處防腐層厚度，采用打磨焊縫高度，進而降低了焊縫機械性能；

（4）熱收縮套補口。熱收縮帶老化、浸泡后拉伸強度、剝離強度和抗陰極剝離強度降低。表現(xiàn)為密封失效。熱收縮帶與管道干線3LPE防腐層搭接處脫離。收縮套膠粘劑和5LPE防腐層不能完全形成熱熔粘接；

（5）內(nèi)涂層失效。天然氣管道普遍采用3LPE防腐層，管道內(nèi)涂層減緩內(nèi)壁腐蝕、降低內(nèi)壁粗糙度，減少輸送阻力、提供輸氣效率。管道內(nèi)壁補口處無法進行防腐，補口處形成裸露環(huán)，長時間氣體沖刷破壞內(nèi)涂層完整性；

（6）彎管防腐。彎管還不能采用3LPE防腐層，多采用雙層環(huán)氧和冷纏帶，綜合性能不能比擬3LPE防腐層。雙層環(huán)氧防腐層性能相對較好，但機械強度差，也存在漏點。冷纏帶與3LPE防腐層機械性能差距更大；

（7）施工質(zhì)量。鋼管從制管廠經(jīng)裝卸、搬運、吊裝后普遍存在損傷，甚至金屬表面裸露。補口施工問題是噴砂除銹不徹底、環(huán)氧底漆厚度過薄，加之鋼管表面灰塵較多，環(huán)氧粉末底漆與鋼管附著力降低，也是環(huán)氧底漆失效的根本原因。

3 防腐層選型和優(yōu)化設(shè)計

新建管道防腐層選型和優(yōu)化設(shè)計越來越受到重視，防腐層選型直接影響管道建設(shè)和運行成本，包括材料費、涂裝費、運輸費、維修保養(yǎng)、更換大修費用等。目前管道防腐層設(shè)計還存在一定程度的隨意性，表現(xiàn)在缺少環(huán)境風(fēng)險評價，基于預(yù)期壽命期的經(jīng)濟評價，石方段等特殊地質(zhì)條件下缺乏防腐層、墊層與回填材料的整體性設(shè)計。防腐層選型應(yīng)考慮環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境保護要求和預(yù)期使用壽命。三層聚乙烯防腐層選型關(guān)鍵要素是：厚度，底層的抗陰極剝離能力，膠粘層的密封性和粘接能力，外層的強度、韌性、拉伸強度和斷裂伸長率。