對接包纏法在低壓玻璃鋼管線施工中的應(yīng)用

單從云

中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司

玻璃鋼管線本身由于重量輕、便于運(yùn)輸而得以廣泛應(yīng)用[1]。中東地區(qū)的油氣站場土壤礦化度高，玻璃鋼管線優(yōu)異的耐氯離子腐蝕特性以及相比超級雙相不銹鋼的低成本優(yōu)勢使其成為首選管材，可埋地敷設(shè)，在大幅度減少占地面積的同時(shí)，避免了長時(shí)間紫外線照射，延長了其使用壽命[2-3]。以API 15LR《低壓玻璃纖維管線和管件》作為常用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，管徑范圍適用于DN15～DN600，通過改變不同纏繞角度的制造工藝，可制造出沿不同力學(xué)方向性能的產(chǎn)品，以滿足不同場合的需求。

相比其優(yōu)勢，玻璃鋼管線的弊端依舊存在，其接頭通常以螺紋或承插連接作為連接方式，由于接頭施工的工藝問題，在打壓試漏時(shí)常出現(xiàn)泄漏，尤其是分區(qū)打壓試漏合格后，回填夯實(shí)管線，再次聯(lián)動打壓試漏經(jīng)常發(fā)生整體管線系統(tǒng)掉壓，只能重新挖開，補(bǔ)漏修復(fù)后，再次打壓，嚴(yán)重影響后續(xù)地上管線施工，導(dǎo)致工期延后。由于長期受地基沉降的影響以及螺紋接頭固有的特點(diǎn)，埋地管線易受介質(zhì)縫隙腐蝕與疲勞的雙重影響，且埋地管線接頭不易觀測，在一定程度上存在安全隱患。由此可見，連接接頭的可靠性以及耐久性成為了玻璃鋼管線施工的關(guān)鍵因素[4-6]。因此，研究新型的玻璃鋼管線接頭施工工藝十分必要。

1 對接包纏法施工工藝

常用的玻璃鋼管線接頭連接工藝有螺紋連接和承插連接。對于玻璃鋼管線連接接頭施工，無論采用螺紋連接或者承插連接方式，都會遇到接頭修復(fù)與固定口（通常為最后一道接口）連接兩種情況，由于受到接頭長度與作業(yè)空間的限制，固定短節(jié)、常規(guī)造錐口或與現(xiàn)場螺紋結(jié)合的方式無法進(jìn)行。此時(shí)，會采用手糊工藝來完成。即用砂輪機(jī)打磨兩端口，對中后通過刷粘接劑、纏繞玻璃布的方式反復(fù)進(jìn)行，最終完成接頭連接。整個(gè)過程在供貨商技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行，由于各供貨商技術(shù)水平不同，沒有形成成熟固定的操作規(guī)程，多數(shù)情況下仍憑借經(jīng)驗(yàn)完成，且此類接頭在施工階段數(shù)量很少，手糊工藝通常作為一種輔助手段。隨著供貨商對粘接劑和玻璃鋼材料本身不斷認(rèn)知與研制，一種采用對接后逐層纏繞的方法逐步在各項(xiàng)目中得到應(yīng)用，類似于金屬管道的多層焊接，該方法完全摒棄了傳統(tǒng)的螺紋和承插連接方式，首先體現(xiàn)在意識轉(zhuǎn)變，即對接包纏法可作為接頭施工的主要手段應(yīng)用于所有接頭；其次是產(chǎn)品供貨完全采用類似鋼管的帶坡口形式管段，而非傳統(tǒng)的“Taper-Spigot”形式；最后，操作規(guī)程更加標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、定量化。

2 施工準(zhǔn)備階段

以中東地區(qū)某氣體處理廠的玻璃鋼消防管線為例，共計(jì)500 根管線采用埋地敷設(shè)，連接接頭數(shù)15 881道，且完全采用對接包纏法施工工藝，管線具體參數(shù)見表1。管線設(shè)計(jì)壓力符合API 15LR 標(biāo)準(zhǔn)，屬于低壓管線。

表1 管線參數(shù)Tab.1 Pipeline parameters

2.1 人員及材料

玻璃鋼管線供貨商通常會派技術(shù)人員到現(xiàn)場指導(dǎo)，對于作業(yè)人員，必須要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，在取得相關(guān)資格證書后，業(yè)主和總承包方要對其進(jìn)行現(xiàn)場測試，發(fā)放資格證，保證每個(gè)作業(yè)人員持證上崗。此外，專職技術(shù)人員還會再次熟悉圖紙與工藝流程，對作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底和安全交底，牢記施工工序。

計(jì)量器具主要有全站儀、水準(zhǔn)儀、臺秤、測溫槍和硬度測試儀，由第三方檢驗(yàn)合格后方可使用。主要工機(jī)具及用途見表2。

表2 工機(jī)具及其用途Tab.2 Machines and tools and their applications

玻璃鋼管道纏帶施工用的樹脂和固化劑要在保質(zhì)期期間使用，樹脂、固化劑、玻璃紗布均在原包裝中保存，需要準(zhǔn)備專門的化學(xué)品倉庫，并安排專人建立完整的使用記錄。玻璃鋼管道端面應(yīng)保持清潔干燥，在使用前應(yīng)用潔凈的蘸有丙酮溶液的布擦拭。管道下料前應(yīng)使用記號筆做好標(biāo)記，管道切割后端面垂直度應(yīng)滿足表3要求。

表3 管道內(nèi)徑與端面垂直度Tab.3 Pipe inner diameter and cut end perpendicularity

2.2 工法

環(huán)氧樹脂和固化劑受溫度影響很大，一般保存在相對濕度75%、干燥且低于35 ℃的環(huán)境中，避免陽光直射。磨削后的管道接頭處需做防潮處理，可以準(zhǔn)備便攜式的遮蓋物，遮住管道將要包纏的區(qū)域，等到施工時(shí)方可以撤掉遮蓋物。在潮濕的環(huán)境下，還可以準(zhǔn)備便攜式加熱毯，加熱接頭處，此時(shí)需要溫度計(jì)持續(xù)監(jiān)測。由于中東地區(qū)常保持高溫天氣，為延長粘接劑有效時(shí)間，需要搭投臨時(shí)性遮蔭棚并用鼓風(fēng)機(jī)保持足夠的通風(fēng)，包纏操作溫度控制在15～40 ℃，且高于露點(diǎn)溫度3 ℃。

對接包纏法所用環(huán)氧樹脂與固化劑配方通常為供貨商專利，針對不同管徑與壁厚的連接接頭，配有獨(dú)立的工作包，包括環(huán)氧樹脂與固化劑混合比例、玻璃紗布種類與層數(shù)、固化溫度與時(shí)間為各個(gè)連接接頭“量身訂做”，施工作業(yè)人員要嚴(yán)格按照工作包中所述操作規(guī)程施工，這也是對接包纏法區(qū)別于傳統(tǒng)螺紋連接與承插連接的最大特點(diǎn)，排除了固有經(jīng)驗(yàn)的影響，嚴(yán)格按照操作規(guī)程，確保接頭的質(zhì)量與可靠性。通常將工作包中的固化劑倒入樹脂中，視溶劑量大小采用人工攪拌或者機(jī)具攪拌3 min，混合溫度控制在20～35 ℃，直到均相形成。此時(shí)粘接劑需要在有效時(shí)間內(nèi)完成連接接頭施工，避免粘接劑膠狀化失去作用（表4）。

表4 使用溫度與粘接劑有效時(shí)間對應(yīng)表Tab.4 Corresponding table between usage temperature and effective time of adhesive

管道接頭在連接前需要完成坡口處理以及包纏長度工作面確認(rèn)，通常用砂輪進(jìn)行磨削，去除外保護(hù)層，磨削角度在10°以內(nèi)，端面壁厚在1～3 mm（圖1），不難得出最小磨削長度與最小包纏長度的定量關(guān)系：

圖1 最小磨削長度與最小包纏長度的定量關(guān)系Fig.1 Quantitative relationship between minimum grinding length and minimum wrapping length

式中：SL為最小磨削長度，mm；LV為最小包纏長度，mm，AL為余量，通常取100 mm。SL與外徑、壁厚有關(guān)，而在工作包中通常給出每種規(guī)格管道的包纏長度，包纏長度與最小包纏長度關(guān)系為：

式中：Y為包纏長度，mm；X為經(jīng)驗(yàn)值，通常取25 mm。表5給出了不同規(guī)格管線包纏長度的數(shù)值。

表5 不同規(guī)格管線包纏長度對照Tab.5 Comparison of wrapping lengths for pipelines of different specifications

通過表5 中的包纏長度數(shù)值以及公式（1）、（2）即可算出最小磨削長度，經(jīng)過磨削后的管端需要戴好護(hù)套，以備下一道工序。若后期發(fā)現(xiàn)磨削部分表面區(qū)域受到污染，需要用蘸有丙酮溶液的潔凈布擦拭，若清潔效果不明顯則需要切掉該部分，重新打磨。

3 施工實(shí)施階段

3.1 富脂層施工

拆下管端護(hù)套，檢查管端無污物后，在管道下墊好3 mm 厚橡膠墊并利用管道支撐固定，調(diào)整兩管端間隙在3 mm 以內(nèi)，避免移動。用毛刷蘸取粘接劑潤濕填充間隙，把兩層提前浸潤在高固化劑比例的粘接劑的短切氈直接貼在接縫上，加速膠狀化，作為打底層，用鐵筒滾子延外圈均勻用力，趕走氣泡，之后繼續(xù)依次包纏短切氈和玻璃紗布，纏繞方向由上至下，均勻用力，每層都要用粘接劑均勻浸潤，不得過量，防止膠狀化過程中放熱過多導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生裂紋，然后均勻滾壓，趕走氣泡和過多的粘接劑，直至接頭處外徑與管子外徑相等，寬度符合操作規(guī)程要求，整個(gè)過程連續(xù)進(jìn)行不中斷。包纏操作溫度控制在15～40 ℃，且高于露點(diǎn)溫度3 ℃，可通過搭設(shè)臨時(shí)性遮蔭棚并用鼓風(fēng)機(jī)保持足夠的通風(fēng)方式保持溫度。

為加速膠狀化過程，可封閉管端防止空氣流動冷卻，用熱風(fēng)槍加熱接頭處待溫度逐步上升至60 ℃，膠狀化完成。之后，用電加熱毯進(jìn)行接頭固化，外殼做好保溫措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度，在30 min內(nèi)緩慢加熱至125 ℃，達(dá)到固化溫度，然后保持15 min的固化。具體時(shí)間與溫度要根據(jù)接頭厚度和管徑，嚴(yán)格按照工作包的操作規(guī)程進(jìn)行。固化結(jié)束后，拆下外保溫殼，待接頭處溫度緩慢冷卻至環(huán)境溫度。

3.2 增強(qiáng)層施工

用手持砂輪打磨富脂層固化外層直到包纏長度的工作面產(chǎn)生，用毛刷蘸取粘接劑均勻涂抹在最小包纏長度的接頭上，然后依次用玻璃砂布搭接50%纏繞，每層都要用粘接劑均勻浸潤，直到滿足規(guī)格書上規(guī)定的最小厚度。增強(qiáng)層施工要嚴(yán)格按照工作包對樹脂與固化劑比例以及玻璃紗布類型進(jìn)行。

膠狀化過程不同于富脂層，不允許加速進(jìn)行，通常采取封閉管端防止氣流冷卻，在環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)膠狀化，直到外表面無粘連。

固化在125 ℃下完成，維持60 min，用電加熱毯逐步升溫，外殼做好保溫措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度。從富脂層到增強(qiáng)層所增加厚度與最短加熱時(shí)間關(guān)系如表6所示。

表6 厚度差與最短加熱時(shí)間Tab.6 Thickness difference and minimum heating time

最短加熱時(shí)間取決于壁厚、富脂層厚度以及增強(qiáng)層厚度與環(huán)境溫度。要嚴(yán)格按照操作規(guī)程要求進(jìn)行，注意嚴(yán)格控制溫度不能超過140 ℃，否則容易引發(fā)接頭變色。

3.3 外保護(hù)層施工

用手持砂輪打磨掉管道外表面多余的粘接劑后，用表面氈依次搭接纏繞兩圈，達(dá)到0.5 mm 厚度，長度達(dá)到余量AL長度，作為最終蓋面。纏繞方向由上至下，不可過度用力，防止纏帶局部變形，最終形成的接頭如圖2所示。

圖2 接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of joint structure

4 玻璃鋼管線接頭施工工藝

4.1 工藝簡介

常用玻璃鋼接頭施工工藝有螺紋連接與承插連接。目前在國內(nèi)螺紋連接方式的玻璃鋼管道應(yīng)用口徑最大到DN350，螺紋形式包括API5B 標(biāo)準(zhǔn)螺紋、非標(biāo)梯形螺紋和4 牙特種螺紋。該連接方式在工廠預(yù)制成型，到施工現(xiàn)場后僅需將螺紋進(jìn)行對口連接，安裝簡單，施工快捷，現(xiàn)場調(diào)節(jié)長度時(shí)需配備現(xiàn)場螺紋以及短節(jié)。API 標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接方式利用填充在螺紋內(nèi)的密封脂實(shí)現(xiàn)密封作用，非標(biāo)梯形螺紋和4 牙特種螺紋采用螺紋端部的O 型圈壓縮實(shí)現(xiàn)接頭密封[7]。

承插連接由帶有O 形圈的插口和帶有密封平面的承口組成[8-9]。這種連接方式主要應(yīng)用于DN250規(guī)格以上的低壓管道，承插鎖緊連接方式是通過承口端密封平面與插口端O 型圈擠壓彈性密封，在接頭中可通過加入鎖鍵實(shí)現(xiàn)接頭軸向抗拉，避免接頭軸向移動。插口可帶有一個(gè)或兩個(gè)O 形圈，承口可以是單鎖緊也可以是雙鎖緊。該連接方式接頭均在工廠預(yù)制完成，現(xiàn)場僅需安裝O 形圈連接管子即可，組裝簡便，施工快捷。雙O 形圈承插管道接口方式是設(shè)計(jì)國內(nèi)玻璃鋼管道連接的主流方式，雖然以往的工程應(yīng)用已顯示其具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，但一些失效案例也證明承插膠圈存在系統(tǒng)性缺陷。實(shí)踐證明，變向、變徑、徑向位移等工況集中管段是接口滲漏甚至破裂的重災(zāi)區(qū)。玻璃鋼管道的熱固性纏繞結(jié)構(gòu)和承插膠圈的非約束性工作原理決定了徑向載荷變化集中或頻繁部位的接口密封會產(chǎn)生物理性漸進(jìn)性受損，在腐蝕性水土環(huán)境下，這種受損又進(jìn)一步表現(xiàn)為密封膠圈的迅速老化。因此，雙O 形圈承插連接方式的使用環(huán)境是有嚴(yán)格要求的，主要用于長直段大直徑玻璃鋼管連接；若其用于高壓、地形復(fù)雜、布管空間有限的管道工程就會存在一定風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等方面采取相應(yīng)措施予以避免[10]。

4.2 工藝對比

表7列舉了對接包纏法與螺紋連接、承插連接針對不同關(guān)鍵考核項(xiàng)的對比。

表7 不同連接接頭施工方法關(guān)鍵項(xiàng)對比Tab.7 Comparison of critical items for different jointing method

對接包纏法對管徑變化適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)場可根據(jù)實(shí)際情況切割管道，但對于操作者的技能手法要求高，工序質(zhì)量控制嚴(yán)格，且不適合高壓工況下使用。螺紋連接現(xiàn)場基本不需要加工端面，受現(xiàn)場安裝影響較小。對于大口徑管道施工難度大、力矩掌握不當(dāng)時(shí)容易損壞螺紋，對接頭使用壽命造成隱患，且螺紋管道本身自帶螺紋無法現(xiàn)場加工螺紋，只能采用現(xiàn)場螺紋，而現(xiàn)場螺紋因各廠家制造模具不同，且無固定標(biāo)準(zhǔn)，造成質(zhì)量參差不齊。承插連接施工方便，可以現(xiàn)場切割管道，但對錐面精度要求較高，承插連接需要全程監(jiān)控施工細(xì)節(jié)，包擴(kuò)現(xiàn)場造錐是否符合要求、管道粘接面是否清潔干燥、膠粘劑是否在有效期、配比是否合理、施工過程管道是否固定等。

5 結(jié)論與展望

（1）以中東地區(qū)某氣體處理廠玻璃鋼消防管線為例，介紹了對接包纏法的應(yīng)用。項(xiàng)目共計(jì)15 881道埋地接頭，采用對接包纏法，接頭試壓一次合格率100%，極具推廣價(jià)值。

（2）與常用的玻璃鋼接頭連接工藝?yán)缏菁y連接、承插連接相比，對接包纏法具有接頭質(zhì)量高、施工工具與輔料簡單、管徑與壁厚適應(yīng)范圍廣的優(yōu)勢，尤其適用于低壓、大口徑管線施工。針對不同用途，還要綜合考慮工期與成本等因素，選擇最佳方法。

（3）對于高壓注水管線等高壓、厚壁玻璃鋼管線接頭的施工，需要供貨商重新考慮環(huán)氧樹脂與固化劑混合比例、固化時(shí)間、各層玻璃布種類以及接頭處里口的施工方法，從而提高接頭的耐久度與可靠性，滿足注水系統(tǒng)壁厚和壓力的需求。