管道3LPE防腐蝕層補(bǔ)口失效原因及建議

孫海明,劉立群,張海雷

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，東營 257026)

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管道3LPE防腐蝕層補(bǔ)口失效原因及建議

孫海明,劉立群,張海雷

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，東營 257026)

根據(jù)調(diào)研，管道3LPE補(bǔ)口失效主要以密封失效和底漆失效為主，分析了其失效的主要原因；針對失效的原因，提出了五種熱收縮帶補(bǔ)口技術(shù)的改進(jìn)措施。同時(shí)，面對熱收縮帶不可避免的失效問題，通過調(diào)研多個(gè)現(xiàn)場開挖驗(yàn)證實(shí)例，分析并對比了多種新型3LPE補(bǔ)口技術(shù)的應(yīng)用及檢測結(jié)果。有助于全面認(rèn)識熱收縮帶補(bǔ)口技術(shù)，并為后續(xù)管道工程中3LPE防腐蝕層補(bǔ)口方法的選擇和改進(jìn)提供多種思路。

密封失效；底漆失效；干膜安裝；新型3LPE補(bǔ)口技術(shù)

三層聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)(3LPE)防腐蝕管現(xiàn)場焊接接頭目前普遍采用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶(以下簡稱熱收縮帶)補(bǔ)口。熱收縮帶補(bǔ)口結(jié)構(gòu)為底漆-熱熔膠-聚乙烯三層結(jié)構(gòu)，與三層PE防腐蝕層結(jié)構(gòu)相近、相容性好，在管道工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。但在近幾年，部分重點(diǎn)管道的開挖檢測中發(fā)現(xiàn)大量熱收縮帶發(fā)生密封失效、底漆剝離、管線銹蝕的現(xiàn)象，熱收縮帶補(bǔ)口已經(jīng)成為管道建設(shè)質(zhì)量控制最薄弱的環(huán)節(jié)，給管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行留下了安全隱患[1]。

1　熱收縮帶補(bǔ)口失效形式

2014年，國內(nèi)某運(yùn)營單位進(jìn)行了在役3LPE管道熱收縮帶補(bǔ)口應(yīng)用現(xiàn)狀的調(diào)研工作，該管道內(nèi)介質(zhì)為天然氣，管徑φ1 016 mm，通過采用現(xiàn)場開挖驗(yàn)證的方法，共開挖3個(gè)補(bǔ)口，發(fā)現(xiàn)全部失效，失效形式均為密封失效、底漆失效，而且這兩種失效形式一般同時(shí)發(fā)生，對管道防腐蝕的影響較大，大部分失效點(diǎn)金屬管體均存在不同程度的腐蝕。

1.1密封失效

密封失效主要表現(xiàn)為熱熔膠與主體管道PE防腐蝕層及管體粘結(jié)不良兩種情況。當(dāng)密封失效時(shí)，外界腐蝕介質(zhì)進(jìn)入管道補(bǔ)口處，同時(shí)聚乙烯層具有很高的絕緣電阻，陰極保護(hù)電流難以穿過聚乙烯層對補(bǔ)口處金屬進(jìn)行保護(hù)，造成管道補(bǔ)口處的金屬產(chǎn)生腐蝕，見圖1。

1.2底漆失效

補(bǔ)口帶環(huán)氧底漆失效主要表現(xiàn)為補(bǔ)口處鋼管金屬表面涂刷的環(huán)氧底漆漆膜不完整、底漆從金屬表面脫落，沒有發(fā)揮有效的防腐蝕作用,見圖2。

2　熱收縮帶補(bǔ)口失效原因及應(yīng)對措施

通過對開挖檢測的熱收縮帶的幾種失效形式進(jìn)行分析，可以看出該工程熱收縮帶失效主要由不合適的安裝技術(shù)、不可控的施工工藝、模糊的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等多方原因造成的。

2.1“濕膜”安裝技術(shù)

目前，熱收縮帶補(bǔ)口施工根據(jù)底漆干燥要求有兩種安裝技術(shù)：濕膜法與干膜法。濕膜法施工即在底漆涂刷完成后立即進(jìn)行熱收縮補(bǔ)口帶的施工，干膜法施工即在底漆涂刷完成并實(shí)干檢測后再進(jìn)行熱收縮補(bǔ)口帶的施工。

兩種安裝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：干膜法的優(yōu)點(diǎn)是底漆實(shí)干,可進(jìn)行外觀、電火花、厚度、附著力檢測涂層厚度不受熱收縮帶施工影響,缺點(diǎn)是補(bǔ)口時(shí)間長，施工速度慢;濕膜法的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)口時(shí)間短，施工速度快,缺點(diǎn)是底漆是否固化無法得知,涂層質(zhì)量無法檢測,涂層厚度無法保證，甚至不能形成完整漆膜。

由于濕膜法具有施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，目前已建大部分工程熱收縮補(bǔ)口帶普通采用濕膜法施工。濕膜法工藝的依托條件為熱熔膠和管體PE層具有足夠的粘結(jié)力且底漆自動均勻的覆蓋熱熔膠與鋼管之間的空隙[2]。但在役3LPE管道的開挖檢測證實(shí)，濕膜法施工的補(bǔ)口很難保證形成完整的漆膜，在底漆覆蓋不完整的情況下補(bǔ)口處往往會出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕。

干膜法施工的補(bǔ)口處實(shí)干的涂層不受熱收縮帶施工的影響，為補(bǔ)口體系提供了最后一道防線，減少了對熱收縮帶密封性的依賴，即使熱收縮帶出現(xiàn)失效，完整的底漆仍能提供防腐蝕保護(hù)。

目前干膜法施工的理念正被越來越多的設(shè)計(jì)人員接受，在近幾年的一些大型工程中，干膜法施工工藝也被設(shè)計(jì)方及建設(shè)方采用。

2.2施工工藝

與主管線3LPE在工廠生產(chǎn)線機(jī)械涂敷不同，目前熱收縮帶補(bǔ)口施工幾乎全部由手工操作完成，工程質(zhì)量受現(xiàn)場施工環(huán)境、施工人員的經(jīng)驗(yàn)技能影響較大，任何一個(gè)環(huán)節(jié)未按要求完成都將影響補(bǔ)口的最終質(zhì)量，特別是烘烤溫度。目前普遍使用的手工烘烤方式不但施工困難，而且很容易出現(xiàn)管體加熱不均勻、烘烤不到位的情況[3]，尤其在管底位置，由于難以操作,加熱不到位的現(xiàn)象更為普遍。

某在役管道的開挖檢測也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，該管道管徑φ1 016 mm，現(xiàn)場補(bǔ)口施工時(shí)需3～4人進(jìn)行操作；在2014年進(jìn)行的破壞性檢測中發(fā)現(xiàn)，管道6點(diǎn)鐘位置熱收縮帶完全失效，腐蝕程度較管道其他位置更加嚴(yán)重,見圖3。

針對熱收縮帶安裝過程中受施工人員影響較大的問題，國內(nèi)研制了管道補(bǔ)口自動噴砂設(shè)備及中頻加熱補(bǔ)口技術(shù)，對施工中的重要環(huán)節(jié)全部采用自動控制設(shè)備完成，最大限度地減少了人工操作的影響，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)口的流水化作業(yè)，提高了補(bǔ)口的質(zhì)量穩(wěn)定性，該技術(shù)已經(jīng)在西氣東輸三線工程中得到應(yīng)用[4]。

2.3底漆厚度

底漆是整個(gè)熱收縮帶補(bǔ)口體系的重要組成部分，是防止補(bǔ)口部位腐蝕的最后一道防線，但GB/T 23257-2009[5]中對底漆的要求僅僅是濕膜厚度達(dá)到120 μm，這個(gè)厚度很難保證補(bǔ)口底漆的防腐蝕層質(zhì)量[6]，現(xiàn)場的開完檢測也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在2014年某在役管線3個(gè)補(bǔ)口的開挖檢測中，底漆厚度明顯較薄，某些部位已經(jīng)沒有底漆，無法起到應(yīng)有的防腐蝕效果。

針對規(guī)范中底漆厚度要求較低的問題，目前多數(shù)設(shè)計(jì)單位在工程應(yīng)用中提高了底漆的厚度要求，一般要求干膜厚度達(dá)到300 μm，在一些重要工程中甚至要求干膜厚度達(dá)到500 μm。

2.4質(zhì)量檢測

目前GB/T 23257-2009[5]對熱收縮帶補(bǔ)口的檢測要求有三項(xiàng)，即：外觀、漏點(diǎn)及黏結(jié)力。其中定量的檢測只有漏點(diǎn)與黏結(jié)力，但漏點(diǎn)檢測只能反映補(bǔ)口的完整性，不能反映補(bǔ)口的密封性，且黏結(jié)力檢測為破壞性檢測，檢測頻率較低，抽檢率僅為1%，難以反映整條管線的補(bǔ)口質(zhì)量[7]。在某管線的開挖檢測中發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)檢測合格，而黏結(jié)力檢測不合格。

應(yīng)用無損檢測儀器對熱收縮帶進(jìn)行100%的密封性檢測是解決熱收縮帶質(zhì)量檢測不全面問題的辦法，但在目前應(yīng)用于熱收縮帶的無損檢測設(shè)備尚不成熟的條件下，在施工中加強(qiáng)質(zhì)量控制，借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 21809-3中要求的防腐蝕層現(xiàn)場補(bǔ)口施工全過程的質(zhì)量管理[8]，是提高熱收縮帶質(zhì)量的一個(gè)方法。

3　新型3LPE補(bǔ)口技術(shù)的應(yīng)用

針對3LPE補(bǔ)口中出現(xiàn)的問題，除了多方面對熱收縮帶補(bǔ)口方式進(jìn)行改進(jìn)外，還出現(xiàn)了多種材料和新的補(bǔ)口結(jié)構(gòu)，這些新的結(jié)構(gòu)材料已在多個(gè)管道工程中進(jìn)行了應(yīng)用并經(jīng)過了開挖驗(yàn)證，為補(bǔ)口方式的選擇提供了依據(jù)。

3.1無溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口技術(shù)

無溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口是指采用刷涂或無氣噴涂，將無溶劑液體環(huán)氧涂料涂敷在補(bǔ)口部位，形成補(bǔ)口防腐蝕層，環(huán)氧涂料一般與PE搭接50 mm，厚度一般為1.2～1.6 mm。

其施工工序如下：首先進(jìn)行表面處理，表面粗糙度達(dá)到Sa2.5；然后用塑料膜和膠帶將表面處理后的補(bǔ)口區(qū)域密封，密封時(shí)須確保密封區(qū)域內(nèi)有一定的空間并確保無漏氣處；使用處理劑處理PE表面，用輸氣針頭在密封膜上開一小孔，注入氣體處理劑；待10 min后可將密封膜去掉；最后涂裝涂料。

該補(bǔ)口技術(shù)的關(guān)鍵在氣體處理，通過對PE層的極化處理，解決了涂層與PE層黏結(jié)力差的問題，目前中石化已制定該技術(shù)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已在中石化榆濟(jì)管線和廣西LNG管線大范圍應(yīng)用。

中石化榆濟(jì)管線在2008年施工，施工后針對無溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口每隔2 a開挖檢測1次，2012年與2014分別進(jìn)行了開挖檢測，該管道管徑φ711 mm，每次共開挖3個(gè)補(bǔ)口，檢測結(jié)果表明涂層與鋼管基材附著力達(dá)到10 MPa以上，涂層與PE附著力達(dá)到5 MPa以上，滿足原設(shè)計(jì)要求，防腐蝕層補(bǔ)口處未出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象。

3.2無溶劑聚氨酯涂料補(bǔ)口技術(shù)

無溶劑聚氨酯涂料補(bǔ)口技術(shù)在歐洲廣泛應(yīng)用，在國外應(yīng)用已經(jīng)超過了1×104km[9]，國內(nèi)中石油引進(jìn)該技術(shù)并進(jìn)行了涂料、施工機(jī)具等的配套研究，目前中石油已形成機(jī)械化補(bǔ)口作業(yè)機(jī)組，包括噴砂設(shè)備、中頻加熱設(shè)備、自動噴涂設(shè)備、工程車等設(shè)備組成，而且已形成中石油的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在西氣東輸二線及三線工程中應(yīng)用約幾百公里。

其施工工序如下：首先進(jìn)行表面處理，表面粗糙度達(dá)到Sa2.5，PE表面火焰極化；然后利用壓縮空氣除塵；使用自動噴涂設(shè)備噴涂涂料。

2014年某運(yùn)營單位對2011年施工的無溶劑聚氨酯涂料補(bǔ)口進(jìn)行了現(xiàn)場開挖檢測，該管道管徑為φ1 016 mm，共開挖3個(gè)補(bǔ)口,現(xiàn)場施工圖見圖4，檢測結(jié)果見表1。

3.3礦脂帶+聚乙烯防護(hù)層

礦脂帶防腐蝕系統(tǒng)包括底漆、膩?zhàn)印⒌V脂帶及外防護(hù)層等，底漆、膩?zhàn)印⒌V脂帶均為憎水材料，隔絕了水汽的滲透，阻止了腐蝕的發(fā)生，同時(shí)在礦脂帶中加入的緩蝕材料也減緩了腐蝕速率，該系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)為表面處理要求低，手工除銹，達(dá)St2即可，施工速度快，單個(gè)補(bǔ)口現(xiàn)場施工時(shí)間約為30～40 min，特別適合現(xiàn)場修復(fù)、水網(wǎng)地帶的施工。

表1　無溶劑聚氨酯涂料補(bǔ)口檢測結(jié)果

2013年某管道運(yùn)營單位將其應(yīng)用到管線失效的熱收縮帶補(bǔ)口修復(fù)中，該管道管徑φ1 016 mm，在運(yùn)行1 a后開挖檢測，共開挖3個(gè)補(bǔ)口，外觀良好，25 kV電火花檢漏無漏點(diǎn)，剝離后仍能看到管道補(bǔ)口的金屬光澤，密封防腐蝕效果良好,見圖5。

3.4粘彈體+熱烤壓敏帶防腐系統(tǒng)

粘彈體膠帶采用的樹脂具有冷流特性，既具有固體特性也具有液體特性，永不固化，能夠阻斷水份和空氣，具有優(yōu)異的黏結(jié)性和密封性，可以防止腐蝕；在遭受外力破壞后還具有自愈合功能。但其機(jī)械強(qiáng)度不高，在使用時(shí)一般需在其外面包覆一層防護(hù)層，根據(jù)工程需要目前補(bǔ)口結(jié)構(gòu)有：粘彈體+熱收縮帶、粘彈體+聚丙烯冷纏帶、粘彈體+熱烤壓敏帶等結(jié)構(gòu)。

2011年某管道運(yùn)營單位將粘彈體+熱烤壓敏帶應(yīng)用到熱收縮帶補(bǔ)口失效的防腐蝕層修復(fù)中，該管道管徑φ1 016 mm，運(yùn)行3 a后進(jìn)行開挖檢測，共開挖6個(gè)補(bǔ)口，外觀良好，25 kV電火花檢漏無漏點(diǎn)，剝離粘彈體后鋼管基材顯露，無銹蝕，防腐蝕效果顯著,見圖6。

4　各種補(bǔ)口技術(shù)的比較

熱收縮補(bǔ)口帶、無溶劑液體環(huán)氧涂料、無溶劑聚氨酯涂料、礦脂帶+防護(hù)層、粘彈體+防護(hù)層等作為3LPE的補(bǔ)口方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。表2為參加多次長輸管道開挖驗(yàn)證實(shí)踐后總結(jié)的幾種補(bǔ)口方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2　管道3LPE補(bǔ)口方式的優(yōu)缺點(diǎn)

5　結(jié)論

(1) 近十幾年來，國內(nèi)大部分長距離輸送管道工程采用了3LPE防腐蝕層，并采用熱收縮帶進(jìn)行補(bǔ)口；雖然在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)熱收縮帶可能仍是3LPE防腐蝕層補(bǔ)口的首選形式，但其失效問題也不容回避。針對熱收縮補(bǔ)口帶暴露的問題，近幾年，對多條管道進(jìn)行了開挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)口失效主要以密封失效和底漆失效為主；為從根本上保證熱收縮補(bǔ)口帶的質(zhì)量，應(yīng)全面從施工工藝、檢驗(yàn)、材料等多方面進(jìn)行改進(jìn)。

(2) 同時(shí)，針對熱收縮補(bǔ)口帶暴露的問題，近幾年，相關(guān)各方加大對補(bǔ)口技術(shù)的研究，在改進(jìn)熱收縮帶補(bǔ)口技術(shù)的同時(shí)，加大對新材料新技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)及推廣；如無溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口、無溶劑液體聚氨酯涂料補(bǔ)口、礦脂帶+防護(hù)層、粘彈體+防護(hù)層，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，補(bǔ)口效果令人滿意。建議盡快制定全面的技術(shù)評判標(biāo)準(zhǔn)，增加長輸管道補(bǔ)口方式的選擇依據(jù)。

(3) 隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及能源的需求，長距離管道工程紛紛實(shí)施，管道經(jīng)過的地質(zhì)環(huán)境差異較大，對補(bǔ)口的要求各不相同，在工程使用中應(yīng)“因地制宜，揚(yáng)長避短”，根據(jù)地質(zhì)情況、施工環(huán)境、施工機(jī)具等因素綜合考慮選擇合適的補(bǔ)口結(jié)構(gòu)。

[1]羅鋒,王國麗,竇鵬,等. 管道熱收縮帶補(bǔ)口失效原因分析及相關(guān)對策研究[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2012,23(1):11-15.

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[3]趙吉詩,侯宇,趙國星,等. 熱收縮帶補(bǔ)口失效分析及建議[J]. 腐蝕與防護(hù),2010,31(10):812-814.

[4]周廣言,郭敏利,劉全利,等. 熱收縮帶中頻補(bǔ)口加熱技術(shù)[J]. 管理技術(shù)與設(shè)備,2014(10):36-37,50.

[5]GB/T 23257-2009埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層[S].

[6]王芷芳. 熱收縮帶補(bǔ)口失效分析及建議[J]. 腐蝕與防護(hù),2013,34(4):342-345.

[7]李愛貴,韓文禮,張其濱. 三層結(jié)構(gòu)熱收縮帶補(bǔ)口存在的主要問題及應(yīng)對措施探討[J]. 全面腐蝕控制,2011,25(8):37-40.

[8]ISO 21809-3:2008(E)Petroleum and natural gas industries-external coatings for buried or submerged pipelines used in pipeline Part 3:field joint coatings[S].

[9]董彬,李會,崔超,等. 一種無溶劑聚氨酯補(bǔ)口涂料[J]. 腐蝕與防護(hù),2013,34(12):1136-1139.

Failure Reason and Suggestion for 3LPE Pipeline Field Joint Coating

SUN Hai-ming, LIU Li-qun, ZHANG Hai-lei

(Sinopec Petroleum Engineering Corporation, Dongying 257026, China)

Two main failure modes of heat shrinkable sleeves for 3LPE pipeline, seal failure and primer failure, were presented in the basis of survey, and the main tailure reasons were analyzed. Five kinds of improvements of heat shrinkable sleeve technology were proposed. Moreover, a variety of new 3LPE pipiline field joint coatings′ application and test results were given in this paper.

seal failure; primer failure; dry film installation; new 3LPE pipiline field joint coating

10.11973/fsyfh-201601014

2014-12-21

孫海明(1981-)，工程師，學(xué)士，從事油氣田腐蝕腐蝕與防護(hù)設(shè)計(jì)工作，13561030835，13561030835@163.com

TE88

A

1005-748X(2016)01-0060-04