西氣東輸一線埋地管道補(bǔ)口材料失效分析

李玲杰，韓文禮，徐忠蘋(píng)

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451；

2. CNPC石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室 天津300451)

西氣東輸一線埋地管道補(bǔ)口材料失效分析

李玲杰1,2，韓文禮1,2，徐忠蘋(píng)1,2

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451；

2. CNPC石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室 天津300451)

西氣東輸一線管道補(bǔ)口一般采用“環(huán)氧底漆＋熱熔膠＋輻射交聯(lián)聚乙烯”的 3層結(jié)構(gòu)熱收縮帶補(bǔ)口方法。通過(guò)對(duì)西氣東輸一線管道已服役 10年以上補(bǔ)口進(jìn)行開(kāi)挖檢測(cè)，評(píng)價(jià)了管道補(bǔ)口的失效形式，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)口失效的原因主要是由于熱收縮帶補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的失效和施工質(zhì)量較差導(dǎo)致的。通過(guò)多種補(bǔ)口修復(fù)方式對(duì)比，建議將施工便利、性能穩(wěn)定的“粘彈體膠帶＋外護(hù)帶”復(fù)合結(jié)構(gòu)作為在役埋地管道補(bǔ)口防腐層修復(fù)的首選結(jié)構(gòu)。

管道 防腐補(bǔ)口 熱收縮帶

0 引 言

西氣東輸管道是國(guó)內(nèi)第 1條長(zhǎng)距離大口徑天然氣管道，全線采用 3層聚乙烯外防腐層，補(bǔ)口材料為輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶，該管線至今已投產(chǎn)運(yùn)行10年以上。西氣東輸公司分別于 2010年和 2011年對(duì)西一線輪南壓氣站-孔雀河壓氣站之間183.5,km干線管道和四道班-紅柳段之間 652,km 干線管道進(jìn)行了漏磁檢測(cè)。漏磁檢測(cè)結(jié)果顯示，輪南-孔雀河段累計(jì)發(fā)現(xiàn)約 5,200道補(bǔ)口已失效，四道班-紅柳段累計(jì)發(fā)現(xiàn)約2,200道補(bǔ)口已失效，且部分補(bǔ)口已發(fā)生嚴(yán)重的金屬腐蝕，腐蝕最深達(dá) 38%，嚴(yán)重威脅管道安全運(yùn)行。為保證西氣東輸一線管道的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，西氣東輸公司對(duì)輪南-孔雀河段和四道班-紅柳段的失效補(bǔ)口進(jìn)行了修復(fù)。

補(bǔ)口防腐層修復(fù)時(shí)，在不同土壤地段抽取有代表性的 50道口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖直接檢測(cè)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，重點(diǎn)對(duì)防腐層失效形式以及管體腐蝕狀況等進(jìn)行檢測(cè)，以掌握原有熱收縮帶(套)補(bǔ)口(服役10年以上)的長(zhǎng)期使用性能。同時(shí)，對(duì)熱收縮帶(套)的失效原因進(jìn)行了探討，針對(duì)西一線管道熱收縮帶補(bǔ)口的失效形式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和新型補(bǔ)口結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了分析，目的是提高管道補(bǔ)口的工程質(zhì)量，為提高管道補(bǔ)口壽命提供指導(dǎo)。

1 補(bǔ)口防腐層現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)內(nèi)容

在西氣東輸公司漏磁檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)檢測(cè)失效補(bǔ)口通過(guò)人工定點(diǎn)直接開(kāi)挖方式來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的主要內(nèi)容包括：土壤腐蝕性檢測(cè)；補(bǔ)口防腐層檢測(cè)；管體腐蝕狀況檢測(cè)。補(bǔ)口現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)內(nèi)容如表1所示。

表1 熱收縮帶(套)補(bǔ)口檢測(cè)內(nèi)容Tab.1 Detection contents of heat shrinkable tapes(sleeves)

2 補(bǔ)口防腐層現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口開(kāi)挖檢測(cè)分別在輪南-孔雀河段、四道班-庫(kù)米什段、鄯善-哈密段進(jìn)行，共計(jì)開(kāi)挖檢測(cè)熱收縮帶補(bǔ)口 50道，土壤狀況主要為鹽漬土、砂石土和礫石土。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，對(duì)開(kāi)挖點(diǎn)熱收縮帶補(bǔ)口的性能狀況做出評(píng)價(jià)。其開(kāi)挖點(diǎn)分布及土壤狀況見(jiàn)表 2。所開(kāi)挖檢測(cè)的 50道熱收縮帶(套)補(bǔ)口中，包括四川成都西普CEP-1熱縮套40道、CANUSAGTS-80熱收縮帶 4道、四川雙流 RSYB熱縮套6道。

表2 熱收縮帶(套)補(bǔ)口開(kāi)挖檢測(cè)點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Excavation testing points of heat shrinkable tapes(sleeves)

熱收縮帶補(bǔ)口防腐層的保護(hù)作用可分為 3種情況：①環(huán)氧底漆＋熱收縮帶整體粘結(jié)密封使補(bǔ)口達(dá)到完全保護(hù)，說(shuō)明補(bǔ)口防腐層整體保護(hù)有效；②熱收縮帶熱熔膠與 PE搭接部位間存在密封缺陷，但環(huán)氧底漆完整，管體無(wú)腐蝕，說(shuō)明環(huán)氧底漆保護(hù)有效；③管體存在明顯銹蝕，說(shuō)明補(bǔ)口防腐層保護(hù)失效。開(kāi)挖結(jié)果表明，在開(kāi)挖檢測(cè)的 50道口中，除 1道口表現(xiàn)為第1種情況，即補(bǔ)口防腐層整體保護(hù)有效，其他49道口均表現(xiàn)為第 3種情況，即補(bǔ)口防腐層保護(hù)失效。補(bǔ)口防腐層保護(hù)失效表現(xiàn)為全面失效和部分失效兩種形式。全面失效指管體在補(bǔ)口3、6、9、12點(diǎn)位置全部腐蝕(如圖 1)；部分失效是指在管體在補(bǔ)口 3、6、9、12點(diǎn)位置至少有1個(gè)位置未腐蝕(如圖2)。

圖1 補(bǔ)口完全失效情況(30400#補(bǔ)口3、6、9、12點(diǎn)位置全部腐蝕)Fig.1 Complete failure cases of field joint coatings(The 3，6，9 and 12 o’clock positions of 30400# joint completely corroded)

圖2 補(bǔ)口部分失效情況(28560#補(bǔ)口12點(diǎn)位置完好，3、6、9點(diǎn)位置腐蝕)Fig.2 Partial failure cases of field joint coatings(Except for 12 o’clock，the 3，6，9 o’clock positions of 28560# joint corroded)

對(duì) 50道補(bǔ)口進(jìn)行檢測(cè)分析，補(bǔ)口失效詳細(xì)情況見(jiàn)表3。

輪南-孔雀河段檢測(cè) 36個(gè)點(diǎn)，其中：①補(bǔ)口防腐層完全失效 14道，即管體補(bǔ)口 3、6、9、12點(diǎn)位置全部腐蝕，占該段開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù) 39%。②補(bǔ)口防腐層部分失效 22道，占開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)的 61%。其中，只在管體補(bǔ)口6點(diǎn)位置腐蝕的口7道；12點(diǎn)位置完好，3點(diǎn)或9點(diǎn)位置腐蝕、6點(diǎn)位置腐蝕的口6道；3、6、9點(diǎn)位置腐蝕，12點(diǎn)位置完好的口9道。③所有防腐層失效的口均在管體補(bǔ)口 6點(diǎn)位置出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，占此段開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)的100%(見(jiàn)圖3、圖4)。

表3 補(bǔ)口失效情況統(tǒng)計(jì)Tab.3 Failure results of the field joint coating

圖3 輪南-孔雀河段補(bǔ)口失效情況Fig.3 Failure cases of field joint coatings in the area of Lun’nan-Kongquehe

圖4 輪南-孔雀河段部分失效補(bǔ)口情況Fig.4 Partial failure cases of field joint coatingsin the area of Lun’nan-Kongquehe

四道班-紅柳段檢測(cè) 14個(gè)點(diǎn)，其中：①管體補(bǔ)口部位未見(jiàn)腐蝕的補(bǔ)口1道，占此段開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)的 7%。②補(bǔ)口防腐層完全失效 2道，即管體補(bǔ)口 3、6、9、12點(diǎn)位置全部腐蝕，占該段開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)14%。③補(bǔ)口防腐層部分失效11道，占開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù) 79%。其中，只在管體補(bǔ)口 6點(diǎn)位置腐蝕的口9道；12點(diǎn)位置完好，3點(diǎn)或9點(diǎn)位置腐蝕、6點(diǎn)位置腐蝕的口2道；3、6、9點(diǎn)位置腐蝕，12點(diǎn)位置完好的口0道。④所有失效的口均在6點(diǎn)位置出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，占此段開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)的100%(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 四道班-紅柳段補(bǔ)口失效情況Fig.5 Failure cases of field joint coatings in the area of Sidaoban-Hongliu

圖6 四道班-紅柳段部分失效補(bǔ)口情況Fig.6 Partial failure cases of field joint coatingsin the area of Sidaoban-Hongliu

以補(bǔ)口總數(shù)來(lái)看：①管體補(bǔ)口部位未見(jiàn)腐蝕的口1道，占開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)的 2%。②補(bǔ)口完全失效16道，即管體補(bǔ)口 3、6、9、12點(diǎn)位置全部腐蝕，占開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù) 32%。③補(bǔ)口部分失效 33道，占開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)66%。其中，只在管體補(bǔ)口 6點(diǎn)位置腐蝕的口 16道；12點(diǎn)位置完好，3點(diǎn)或 9點(diǎn)位置腐蝕、6點(diǎn)位置腐蝕的口 8道；3、6、9點(diǎn)位置腐蝕，12點(diǎn)位置完好的口9道。④所有失效的口均在6點(diǎn)位置出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，占開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口總數(shù)的 98%(見(jiàn)圖7、圖 8)。

圖7 補(bǔ)口失效情況Fig.7 Failure cases of all field joint coatings

圖8 部分失效補(bǔ)口情況Fig.8 Partial failure cases of field joint coatings

3 西一線管道補(bǔ)口失效原因分析

3.1 施工原因?qū)е碌难a(bǔ)口失效

施工問(wèn)題主要是烘烤溫度不足或不均勻、局部熱熔膠未烤熔化，特別是 PE搭接區(qū)域的熱熔膠未充分熔融，使得熱熔膠未達(dá)到完全密封，即補(bǔ)口防腐層存在密封缺陷，地下水進(jìn)入補(bǔ)口熱收縮帶內(nèi)導(dǎo)致管體腐蝕(見(jiàn)圖 9-a)。在開(kāi)挖檢測(cè)補(bǔ)口中，甚至出現(xiàn)熱縮帶內(nèi)原包裝紙未拆除的情況，施工質(zhì)量存在嚴(yán)重問(wèn)題(見(jiàn)圖 9-b)。

圖9 施工原因?qū)е碌难a(bǔ)口失效Fig.9 Failure cases due to poor construction quality

3.2 熱收縮帶補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的失效

圖10 42820#補(bǔ)口熱收縮帶翹邊及管體腐蝕情況Fig.10 Pipe corrosion situation and warped edge of 42820# heat shrinkable tape

圖11 110010#補(bǔ)口熱收縮帶失效而環(huán)氧底漆起到保護(hù)效果Fig.11 110010# heat shrinkable tape failed but epoxy primer effectively functioned

熱收縮帶補(bǔ)口防腐層的基本組成為環(huán)氧底漆＋熱收縮帶復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩者通過(guò)熱熔膠粘結(jié)成為一體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管體補(bǔ)口部位的絕緣保護(hù)，因此熱熔膠的性能是決定熱收縮帶補(bǔ)口有效性的關(guān)鍵。熱收縮帶補(bǔ)口防腐層在管線埋入地下投入運(yùn)營(yíng)后，受到多種因素的綜合作用，主要有土壤及地下水介質(zhì)對(duì)熱熔膠的侵蝕作用、土壤應(yīng)力對(duì)熱收縮帶的剪切作用、管線運(yùn)行壓力所產(chǎn)生的微振動(dòng)對(duì)熱收縮帶固有收縮應(yīng)力的松弛作用等。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，熱收縮帶補(bǔ)口防腐層存在的問(wèn)題主要是熱熔膠、無(wú)溶劑環(huán)氧底漆的粘結(jié)失效問(wèn)題(見(jiàn)圖10、圖 11)。

4 管道埋地管道補(bǔ)口修復(fù)方式選擇

4.1 補(bǔ)口修復(fù)材料綜合評(píng)價(jià)

4.1.1 無(wú)溶劑聚氨酯補(bǔ)口綜合評(píng)價(jià)

無(wú)溶劑聚氨酯涂層在干燥的土壤環(huán)境中的粘結(jié)強(qiáng)度基本穩(wěn)定，在潮濕、干濕交替及地下水全浸土壤環(huán)境中，涂層大面積起泡、剝離；無(wú)溶劑聚氨酯涂料對(duì)表面處理要求較高(Sa2.5級(jí))，需要大型施工裝備；補(bǔ)口防腐層一次合格率低，存在不可接受的漏點(diǎn)、縮孔、流掛等缺陷，返修率高；現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大，開(kāi)挖土方量大；液體涂料固化需要一定的時(shí)間，防腐層現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需待涂層固化后進(jìn)行，工效低；修復(fù)時(shí)施工裝備遷移量大；故無(wú)溶劑聚氨酯全自動(dòng)或手動(dòng)機(jī)械噴涂防腐層不適合作為補(bǔ)口修復(fù)防腐層。

4.1.2 無(wú)溶劑環(huán)氧補(bǔ)口綜合評(píng)價(jià)

無(wú)溶劑環(huán)氧粘結(jié)強(qiáng)度高，耐陰極剝離、耐熱水浸泡性能優(yōu)異；防腐層長(zhǎng)期粘結(jié)性能穩(wěn)定；但無(wú)溶劑環(huán)氧涂料補(bǔ)口施工工藝較為繁瑣，對(duì)表面處理要求較高(Sa 2.5級(jí))，對(duì) PE搭接區(qū)需要采取特殊的氣體極化工藝，防腐層采取底、面漆多道涂刷工藝，工序間時(shí)間間隔較長(zhǎng)，存在著工序間和面漆干燥過(guò)程中沙塵、昆蟲(chóng)等對(duì)涂層表面的污染問(wèn)題，并需采取防雨等遮蓋措施，且防腐層現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需待涂層固化后進(jìn)行，工效低，不適合補(bǔ)口修復(fù)的單點(diǎn)作業(yè)。

4.1.3 壓敏膠型熱收縮帶補(bǔ)口綜合評(píng)價(jià)

壓敏膠型熱收縮帶耐熱水浸泡、耐老化、耐陰極剝離性能優(yōu)異，與3,PE防腐層匹配性良好，防腐層性能穩(wěn)定，長(zhǎng)期粘結(jié)密封性能良好；施工工藝簡(jiǎn)單、便捷，壓敏膠具有自粘性，在施工過(guò)程中無(wú)需熔化，烘烤要求相對(duì)較低，工序間銜接緊密，工效高，安裝完畢即可回填。

4.1.4 粘彈體＋外護(hù)帶補(bǔ)口結(jié)構(gòu)

STOPAQ粘彈體膠帶+外護(hù)帶結(jié)構(gòu)包括 STOPAQ粘彈體膠帶＋環(huán)氧玻璃鋼補(bǔ)口結(jié)構(gòu)、STOPAQ粘彈體＋壓敏膠型熱收縮帶補(bǔ)口結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)耐熱水浸泡、耐老化、耐陰極剝離性能優(yōu)異，防腐層性能穩(wěn)定，長(zhǎng)期粘結(jié)密封性能良好(見(jiàn)圖12)。

圖12 粘彈體＋外護(hù)帶補(bǔ)口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the composite structureof“vis-coelastic body anticorrosive tape＋hot shrinkage pressure sensitive tape”

4.2 在役管道補(bǔ)口修復(fù)防腐層推薦方案

通過(guò)埋地管道不同修復(fù)方式對(duì)比，推薦粘彈體膠帶＋壓敏膠型熱收縮帶復(fù)合結(jié)構(gòu)作為在役管道補(bǔ)口修復(fù)防腐層，若遇山區(qū)、戈壁及土壤應(yīng)力大且回填細(xì)土較困難的地段，外護(hù)帶可換成環(huán)氧玻璃鋼結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)西氣東輸一線管道已服役10年以上補(bǔ)口進(jìn)行開(kāi)挖檢測(cè)，評(píng)價(jià)了管道補(bǔ)口的失效形式，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)口失效的原因主要是由于熱收縮帶補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的失效和施工質(zhì)量較差導(dǎo)致的。通過(guò)多種補(bǔ)口修復(fù)方式對(duì)比，表明“粘彈體膠帶＋外護(hù)帶”復(fù)合結(jié)構(gòu)用作埋地管道補(bǔ)口時(shí)施工便利、性能穩(wěn)定、使用的施工裝備少，可作為在役埋地管道補(bǔ)口防腐層修復(fù)的首選結(jié)構(gòu)。

［1］周武德. 3,PE管道補(bǔ)口的極化處理技術(shù)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(3)：213-215.

［2］韓文禮. 新型熱收縮帶補(bǔ)口專用配套底漆研究[J]. 全面腐蝕控制，2010，24(12)：8-13.

［3］張自力，韓鐘琴. 我國(guó)長(zhǎng)輸管道熱收縮帶補(bǔ)口應(yīng)用現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2010，13(6)：64-66.

Failure Analysis on Field Joint Coatings of the West-East Gas Pipeline

LI Lingjie1,2，HAN Wenli1,2，XU Zhongping1,2
(1. CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China；2. Key Laboratory of Tubular Goods Engineering，CNPC-Research Division of Anti-Corrosion Coating and Thermal Insulation Structure，Tianjin 300451，China)

The West-East pipeline in China was constructed earlier this century and its field joint coatings adoptedthe typical 3-layer structure，“epoxy primer＋heat-melting adhesive＋radiation cross-linked polyethylene heat shrinkable sleeve”. Based on excavation tests on field joints of the pipelines that served above 10 years，the failure mode was discussed and main reasons of field joint coating failure were found，which include poor construction quality and adhesive degradation in long term service. Through compassion of various field joint repairing materials and structures，the study recommended a “visco-elastic tape＋outer layer” composite structure as the first choice of field joint rehabilitation for buried pipelines.

pipeline；field joint coating；heat-shrinkable tape

TE53

A

1006-8945(2014)10-0079-05

2014-09-09