管道外防腐補口技術發展和趨勢

那驥宇，赫連建峰，李愛貴，劉金霞，徐翠竹，孔憲剛

中國石油集團工程技術研究院，天津300451

管道外防腐補口技術發展和趨勢

那驥宇，赫連建峰，李愛貴，劉金霞，徐翠竹，孔憲剛

中國石油集團工程技術研究院，天津300451

補口是管道腐蝕控制系統的關鍵節點和薄弱環節，補口技術的發展一直伴隨著管體防腐技術的進步，同時還需滿足現場涂裝施工的應用要求。回顧了在不同歷史時期管道外防腐補口技術的代表類型及發展歷程，介紹了當前補口技術的現狀特點及應用情況，展望了未來補口技術的創新趨勢及改進需求，建議在選擇補口材料和技術方式時應進行詳盡的管道腐蝕環境調查，充分考慮補口的施工條件和應用環境，以及補口防腐層與管體防腐層的相容性；在材料的研發、結構的設計、性能的檢驗、質量的控制等方面均應對相關補口形式的現場施工性能予以關注并明確要求，從而為補口質量的全面提升提供保障。

補口；熱收縮材料；液體聚氨酯；液體環氧；黏彈體

補口是指對管道連接區域進行涂裝，從而實現該區域腐蝕防護的技術操作。管道補口一般是在現場完成，受作業環境和施工條件制約，相對于在現代化預制工廠中生產的管體防腐層，補口防腐層的質量受不確定因素影響較大，使補口成為管道腐蝕控制系統的薄弱環節[1]。補口防腐層的選用一般遵循與管體防腐層“一致性”的原則，即應選擇與管體防腐層相同或相近，具有良好相容性的防腐材料及產品[2]。

1 管道外防腐補口技術的發展

補口作為管道防腐系統工程的關鍵環節，大致可細分為以下幾個階段：

1.1 瀝青基材料補口

20世紀70年代以前，管道補口主要采用瀝青基防腐材料，補口形式包括：現場熱澆涂石油瀝青（或煤焦油瓷漆）加纏玻璃布，薄涂多層的瀝青熱澆涂補口（國內應用較廣，國外很早被淘汰）；現場進行加熱操作，同時纏繞浸涂過石油瀝青（或煤焦油瓷漆）的玻璃纖維氈纏帶的熱澆瀝青纏帶補口（國外有一定應用，國內無規模化應用）；現場直接涂裝環氧煤瀝青漆，加纏玻璃布，薄涂多層的冷涂環氧煤瀝青補口等。此類材料由于在生產及使用過程中對環境缺乏友好性，近年來已基本退出了管道補口領域[3]。

1.2 熔結環氧粉末補口

20世紀70年代，美國阿拉斯加管道的建設，使熔結環氧粉末（FBE）成為這一階段最成功的防腐層，FBE補口技術也隨之發展。FBE補口的涂裝與其管體防腐層的廠內預制基本相同，即現場對待補口區域進行噴砂除銹，再靜電加熱噴涂環氧粉末；因地形等原因不能進行熱噴涂的場合，可使用液態環氧涂料進行現場涂刷補口，但此方法得到的補口防腐層比熱噴涂環氧粉末得到的FBE性能降低很多。為了彌補FBE在使用溫度和抗機械損傷方面的不足，雙層熔結環氧粉末（DFBE）防腐層得到快速發展，與之相匹配的DFBE補口技術也得到廣泛應用。目前，在北美地區的管道建設中，FBE防腐層及其補口技術仍占主導地位[4]。

1.3 熱塑性防腐材料補口

20世紀90年代起，依托塑料工業的發展并結合FBE的應用優勢，三層聚乙烯（3PE）結構在歐洲地區成為了管道防腐層的主要形式，防腐進入熱塑性材料時代。我國從陜京線開始引進3PE防腐層并取得良好效果，在2002年以后的新建大型及重要管道工程中，幾乎均首選3PE防腐層，這些管道工程的補口大多采用“環氧底漆+熱收縮帶”三層復合結構[5]。此類補口操作是在現場先將待補口區域鋼管表面處理至規定等級，并將搭接處的管體PE層進行毛化處理，預熱補口區域后涂刷配套環氧底漆，底漆涂刷完成后采用烘烤的方式將熱收縮帶固定在補口區域完成安裝。

1.4 其他類型材料補口

近年來，一些性能優良的補口形式在管道建設中實現了不同規模的應用，例如：能夠有效彌補熱收縮材料在低溫施工方面不足并能與管體防腐層良好匹配的液體聚氨酯補口；施工過程無需加熱、操作方便且與多種管體防腐層兼容的聚乙烯（聚丙烯）冷纏膠黏帶補口；耐水氣密閉性良好且具備較強自愈性的“黏彈體+外護帶”補口；以及噴涂聚脲彈性體材料補口、聚合物網絡涂層補口、無機陶瓷非金屬材料補口等[6-8]。

2 管道外防腐補口技術的現狀

管道補口隨著管體防腐技術的持續進步而發展創新，在性能優良的傳統補口不斷完善的同時，新型多元化的補口也得到了推廣和應用，以下選取具有代表性的幾類分別介紹。

2.1 聚烯烴熱收縮材料補口

上世紀中后期，高分子交聯技術的發展成就了聚烯烴熱收縮材料，目前常見的是聚乙烯類和聚丙烯類。其中，聚乙烯類熱收縮材料根據基材的差異可細分為普通聚乙烯類、高密度聚乙烯類、纖維增強聚乙烯類等；根據膠黏劑的不同可細分為瑪蹄脂膠型、壓敏膠型、熱熔膠型，前兩種類型一般無需底漆配套使用，其余類型一般均會配套底漆。憑借與主流3PE防腐層高度一致的結構特性，“環氧底漆+輻射交聯聚乙烯熱收縮帶”三層復合結構是目前管道建設中應用范圍最廣、補口數量最多的補口形式；聚丙烯類熱收縮材料則憑借其良好的耐熱、耐化學、抗機械損傷等性能，在海洋管道等極端施工條件和運行工況的環境中得到了一定應用[9]。

作為目前最主流的補口形式，熱收縮帶補口具有綜合性能優異、與管體防腐層深度兼容、抗陰極剝離性能強、補口施工操作靈活等優點。但此類補口在應用中亦出現了一些問題，主要表現在：①熱收縮帶與管體搭接防腐層及補口區鋼管表面粘結不良，剝離脫落造成防護失效；②底漆加熱快速固化產生較大內應力造成其與鋼管附著力下降；③防腐層發生損傷或剝離時可能發生陰極電流屏蔽現象，影響陰極保護效率；④人工火焰烘烤安裝方式受現場環境和工人素質影響較大，無法保證質量。針對這些問題，相關從業者從熱收縮材料配套膠黏劑、環氧底漆等材料改進，以及補口專用機具的現場應用方面進行了系列研究，使相關問題得到改善[10-11]。

2.2 液體涂料補口

液體涂料補口主要包括液體聚氨酯補口和液體環氧補口兩種形式。

2.2.1 液體聚氨酯補口

液體聚氨酯補口的材料為由多元醇化合物和異氰酸酯（或其預聚物）組成的雙組份涂料，一般不含揮發性溶劑，根據涂裝操作的不同分為噴涂型和刷涂型，目前采用較多的是無氣噴涂和機械自動噴涂的作業方式，可在較低溫度下施工，可一次成膜至期望厚度。

液體聚氨酯補口防腐層具有良好的抗機械損傷性、持久的化學穩定性、牢固的粘結能力，無陰極屏蔽現象，在使用中能與3PE防腐層良好兼容，被認為是極有應用潛力的補口形式。近年來聚氨酯補口的發展極為迅猛，累計補口數量已經超過了200萬個，主要應用于歐洲、非洲、中東及俄羅斯的管道建設，我國在西二線輪南-吐魯番支干線上進行了實踐，在西三線工程中實現了規模化應用[12]。目前，該補口形式的主要問題是原材料及工程費用偏高，且對專用設備的依賴程度較高。

2.2.2 液體環氧補口

液體環氧補口材料是以低分子量改性液態環氧樹脂為主要成膜成分的液態環氧涂料，通過活性稀釋增韌劑的添加實現無溶劑化并提升柔韌性，屬于快速固化雙組份涂料。這類涂料可在常溫下進行手工刷涂或機械噴涂且無需對鋼管進行加熱操作，施工過程環保、安全、經濟，環境適用性強。

液體環氧補口防腐層具有涂裝簡單、修補容易、材料價格低、可流水作業、無陰極屏蔽等優點；缺點在于環氧涂料與塑料類防腐層表面的粘結牢固性無法保證，易出現脫落現象，該性能有待加強。在應用方面，國外的阿塞拜疆和格魯吉亞管道工程是世界上首次大規模使用液體環氧補口的案例，我國在廣東LNG管道工程中亦采用了此類補口形式[13]。

2.3 環氧粉末補口

熔結環氧粉末補口是管道的首選補口形式，此類補口操作就是將FBE的工廠預制作業線搬到了管道建設現場，用相同的工藝對補口區域進行環氧粉末噴涂，根據成膜時噴涂次數的不同可分為單層熔結環氧粉末（FBE）和雙層熔結環氧粉末（DFBE）。這類防腐層的優點是粉末熔結充分，具有較好的粘結力，能夠與管體防腐層良好兼容；缺點是對現場噴涂條件和施工環境要求極為苛刻，對專用機具和工藝控制要求嚴格，施工影響因素較多。該技術在北美地區的管道中應用較多，國內僅在部分河流穿跨越管段有所使用。

隨著近年來國外在FBE現場噴涂技術方面的研究進展，補口FBE與管體防腐層的兼容性和一致性得到加強，提高了FBE補口效率的同時也擴展了其應用領域，陸續出現了“FBE+改性PE”、“FBE+復合PP”、“FBE+噴涂粉末膠黏劑+火焰噴涂PP”等復合結構的補口形式，并在中東水下油氣管道、西歐北海深水天然氣項目等深水管道建設中進行了工程實踐，使得“FBE+改性/復合聚烯烴”結構成為我國深水油氣管道補口的一個重要發展方向[14-15]。

2.4 黏彈體膠黏帶補口

黏彈體是一類具有冷流特性且永不固化的高分子聚合物，其對應力的響應兼具彈性固體和黏性流體的雙重特性，將其復合在聚乙烯等基膜上即制成黏彈體膠黏帶，外加PVC膠帶、熱收縮帶、玻璃鋼等外護層可制成多種類型的黏彈體補口結構。

黏彈體的冷流特性使其能夠在補口區域實現良好的全覆蓋粘結，有效阻斷水汽和空氣的侵入，實現良好的水密性和氣密性；黏彈體具有良好的抗蠕變性能，能充分適應管道的敷設方式，在防腐層受到沖擊、劃傷等破壞時具有優異的自愈性；黏彈體進行補口時，對鋼管表面處理要求不高，手工除銹后即可進行纏繞、保護等操作。此類補口的缺點在于不適用于較高溫度，黏彈體對被粘面的粘結力值很低，且自身的機械強度也較低，必須采用合適的外護提升其整體性能。黏彈體在場站管、彎頭、法蘭等異形管件防腐和在役管道修復中應用較多；新建管道補口方面，唐山LNG、西氣東輸、川氣東送等工程均有大量應用[16]。

3 管道外防腐補口技術的趨勢

根據近年來管道建設運行的經驗和防腐技術的發展，管道外防腐補口技術在未來的發展趨勢主要包括以下幾個方面。

3.1 改進優化現有補口技術

目前國際上管道防腐層的主流發展趨勢是對現有防腐結構（主要是3PE、DFBE）的持續改進，同時對施工工藝進行不斷優化，補口技術的發展亦該順應此趨勢。例如，在材料改進方面，對熱收縮材料熱熔膠進行改性，在保證其粘結能力的前提下，增加其流動性以提升施工性能；對配套底漆進行改性，提升其對鋼管防腐性能的同時強化其與熱收縮材料的粘結性能；對FBE表面進行改性制成粗糙防腐層，有效預防敷設、吊裝、穿越等環節中發生損傷。另一方面，各種補口形式都在推進機械化施工，如移動式中頻加熱機、LPG催化燃燒紅外補口加熱機、環保型自動噴砂除銹設備、高壓無氣聚氨酯自動噴涂機等專用補口機具的研發、推廣和應用將有利于減少人為不確定性對補口質量的影響，保證補口質量的穩定[17-18]。

3.2 研發新型補口材料

在倡導綠色發展的當下，相關材料的研發要綜合考慮環保、技術、經濟等各方面因素。例如：液體聚氨酯和液體環氧在補口領域的應用趨勢促進著液體補口材料的發展，相關研發和應用從環境、性能、施工等方面均須符合要求；陶瓷涂層、搪瓷涂層、玻璃涂層等憑借其耐熱、抗寒、抗老化、年限久等優點使無機防腐涂層得到了業內的關注[19]，也促進了防腐層選材從有機高分子向無機化合物領域的擴展；針對低溫施工的需求，采用氨基化合物與異氰酸酯，以高壓噴涂的方式形成彈性聚脲涂層，具有良好理化性能，如能提升堿性環境下的抗陰極剝離性，該涂層將有良好應用前景；聚合物互穿網絡涂層（PNC）中的聚烯烴和環氧樹脂協同作用使其不需要膠黏劑就能實現對粘結表面的優異附著，使現場補口與預制管體防腐層形成完整密閉。

3.3 補口質量控制統一規范化

目前我國尚沒有綜合性的補口國家標準或行業標準，補口的質量檢驗依據主要是來源于相應管體防腐層標準中的相關要求，部分補口形式甚至缺乏相應的檢驗指標、要求和方法，這種情況導致相關項目在進行補口形式選擇時設計方案極為有限，缺乏靈活性且難以實現有效的質量控制[20]；國外雖然也有關于管道補口的技術規范[21-23]，但由于標準體系的不同，大多比較注重補口整體性能而對材料關注不足，存在系統性評價缺乏、源頭質控困難、適用范圍較窄等問題，難以有效對我國的工程實踐進行指導。因此，借鑒國際綜合性補口標準的最新成果和先進經驗，結合國內管道建設的現狀和特點，我國正在進行綜合性管道補口標準的編制，從補口材料類型和結構、補口選用依據、涂覆工藝評定、質量檢驗等方面做出明確規定，實現對補口的系統化質量控制。

4 結束語

隨著科技和工業的進步，管道外防腐補口技術不斷發展和創新，各類補口材料和結構都同時兼具明顯優缺點，并限定了適用范圍。因此，在選擇補口材料和技術方式時應進行詳盡的管道腐蝕環境調查，充分考慮補口的施工條件和應用環境，以及其與管體防腐層的相容性；同時，因為補口防腐層要滿足現場涂裝施工的應用要求，故在材料的研發、結構的設計、性能的檢驗、質量的控制等方面均應對相關補口形式的現場施工性能予以關注并明確要求，從而為補口質量的全面提升提供保障。

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Discussion on development offield joint coatings for pipelines

NAJiyu，HELIAN Jianfeng，LIAigui，LIU Jinxia，XU Cuizhu，KONG Xiangang
CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

As a key node but also as a weakness for corrosion control systems of pipelines，the technology of field joint coatings is developed along with the progress of pipeline anticorrosion technology.In the meantime，the requirements of field constructions are satisfied.In this paper，the past history，the present situation and future trends of the technology of field joint coatings are introduced separately.Some useful proposals for material and technique selection are given，which involve detailed pipeline corrosion environment investigation，sufficient consideration on construction conditions，application environment and compatibility between field joint coating layer and anticorrosion layer of pipeline；paying close attention to field construction performance of related joint coating form with respect to material research and development，structuraldesign，performance inspection and quality control，and giving corresponding definite requirements.

field joint coating；heat-shrinkable material；liquid polyurethane；liquid epoxy；viscoelastic material

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.001

那驥宇（1986-），男，云南大理人，工程師，2012年畢業于天津理工大學應用化學專業，碩士，現從事防腐保溫產品的檢測研究和質量控制工作。Em ail：najiyu@cnpc.com.cn

2016-12-10；

2017-01-04