油氣管道3PE 外防腐層產生裂紋原因分析及控制措施

周石燕， 王 旭， 褚元林， 劉海平， 孫悌民

（1. 中國石油集團物資采購中心， 北京 100029； 2. 中國石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457； 3. 中國石油集團工程和物裝管理部， 北京 100007）

0 前 言

三層結構聚乙烯防腐層(3PE) 具有良好的抗腐蝕性、 抗水氣滲透性、 力學性能及施工性能等， 是當今全球油氣長輸管道工程中應用最多的外防腐工藝， 在陜京線、 西氣東輸及中俄東線等管線中得到了廣泛應用， 并取得了良好的應用效果[1-3]。 3PE 的底層為熔結環氧粉末(FBE)， 與鋼管外表面粘結， 耐化學腐蝕和抗陰極剝離性很強； 中間層為膠粘劑， 將底層FBE 與外層聚乙烯(PE) 粘結； 外層為PE， 主要起外防腐和機械保護作用[4-5]。

隨著第三代大輸量天然氣管道技術的發展與應用， 中俄東線北段采用的X80 鋼級Φ1 422 mm鋼管的單根質量達到了10 t 左右， 管徑和質量的增加使鋼管以及防腐層在制造、 運輸、 施工過程中損傷的幾率也顯著增加。 同時， 在高寒地區冬季施工過程中， 低溫時段修補的3PE 損傷層也會出現質量問題， 給現場施工帶來一定影響。本研究通過對某項目冬季寒冷施工現場發現的防腐層修補問題進行了試驗分析， 給出相應修補工藝和預防措施， 為油氣管道在冬季寒冷地區的防腐、 施工提供參考。

1 管道3PE 防腐層外表面裂紋概況

在對某項目使用的X80 鋼級Φ1 422 mm 油氣輸送管道3PE 防腐層檢查過程中， 發現經過修補的PE 外防腐層陸續出現了表面龜裂現象，修補過的防腐層表面光滑， 裂紋寬度較窄， 長度較長， 其表面裂紋照片如圖1 所示。 同時，在現場排查過程中， 發現很多表面修補不光滑、不平整的防腐層并未出現任何裂紋， 防腐層情況如圖2 所示。

圖1 修補過的PE 外防腐層表面裂紋照片

圖2 表面修補不光滑處防腐層照片

經現場測量， 正常PE 層一般厚度約5 mm，去除原有裂紋的修補厚度， 發現底部仍有正常PE層， 再進行25 kV 的電火花檢測也均合格。 裂紋最深達到2.8 mm， 也就是修補后的PE 層仍保留2.2 mm 完好未裂， 裂紋并未延伸到FBE 層。 3PE管道最外層PE 層發生破損， 土壤中的水或電解質就離FBE 層更近， 后期通過擴散可到達涂層/金屬界面， 發生電化學反應， 產生的堿性環境和腐蝕產物的積聚會破壞涂層與金屬之間的結合鍵， 為管道涂層剝離埋下隱患[6]。

2 PE 層裂紋原因分析

3PE 鋼管的防腐層對于管道的壽命來說至關重要， 在役3PE 鋼管的腐蝕穿孔事故多發生在補口、 補傷等部位[7-8]。 針對現場出現的個別防腐層修補處出現裂紋的問題， 對防腐層損傷情況、 修補工藝及施工環境等因素進行了調研和分析。

2.1 防腐層修補前損傷情況

X80 鋼級Φ1 422 mm 鋼管在中俄東線屬首次大批量應用， 鋼管3PE 涂覆過程中， 鋼管尺寸接近設備極限， 單根鋼管質量甚至超過10 t， 造成部分制管企業防腐傳輸線的剛性不足。 在傳輸的過程中， 靠近鋼管端面的外防腐層易被輸送輥道碰傷， 同時在搬運、 堆垛儲存等移運過程中易被吊具碰傷、 設備劃傷， 如圖3 所示。 據現場統計， 不同鋼管企業造成外防腐層破損的概率不同， 一般為1%～8%。

圖3 不同情況下鋼管外防腐層損傷形貌

2.2 修補方法對PE 防腐層裂紋影響因素分析

防腐層損傷修補是管道防腐施工過程的常規操作， 損傷的PE 層大多采用修補棒， 對破損區進行修復。 現場出現的外防腐層裂紋就集中出現在這些修補區域， 沒有經過修補的PE 層未出現裂紋， 表明防腐層損傷修補是造成3PE 防腐層外表面出現裂紋的主要因素。

通過對現場PE 外防腐層修補工藝進行現場排查， 發現原補傷過程中對PE 材料的加熱溫度、 加熱時間以及抹平方法等工藝參數規定不明確， 不同修補人員對工藝的理解和操作不同。 特別是有些修補層表面不光滑的防腐層未出現裂紋， 而有些修補層表面很光滑平整， 卻出現了裂紋的情況。調研發現， 原修補人員在用鏟刀修補損傷表面時，反復用火焰加熱修補區域， 長時間加熱造成PE 修補材料產生過燒現象， 修補層機械強度、 內聚強度及抗老化性能發生改變[9]， 受熱時間增加， 致使修補層性能有不同程度的下降， 對3PE 防腐層的整體效果產生影響。 因此， 現場防腐層損傷修補工藝參數不明確， 反復用火焰加熱修補區域是造成3PE 外防腐層出現裂紋的關鍵因素之一。

2.2 施工環境對PE 防腐層裂紋影響因素分析

鋼管在中轉站時未發現外防腐層裂紋， 出現裂紋的均是在2017 年11 月—2018 年3 月施工的鋼管中， 當時環境溫度-8～-35 ℃， 是施工現場氣溫最低的時間段， 其它時間的鋼管3PE 外防腐層完好無損。 PE 材料是對環境應力開裂極為敏感的材料， 其失效大多數是由于在某種環境下承受長期內應力而產生裂紋[10]。 冬季寒冷天氣鋼管防腐修補層在低溫下產生裂紋的幾率大大增加， 該原因是鋼管外防腐層出現裂紋的另一個關鍵因素。

3 試驗分析

為驗證現場3PE 防腐層修補處出現裂紋原因， 在實驗室進行了PE 材料熱特性分析、 3PE防腐層低溫冷凍試驗及修補層的耐候循環試驗。

3.1 PE 修補材料熱特性

由于PE 材料長期在空氣中會受氧氣作用緩慢降解， 隨著熱作用會加速老化， 因此熱和氧的作用會破壞PE 的結構， 導致PE 力學性能變差。 因此， 選擇合適的補口材料和補口工藝非常重要。采用工程選用的PE 修補棒材料進行選材合理性驗證試驗。 通過差示掃描量熱儀（DSC） 測試PE 材料的熱特性， 如圖4 所示。 由圖4 可見， PE 修補材料的熔點為137.03 ℃， 所以修補加熱時一定要控制加熱溫度范圍。 圖5 為PE 材料氧化誘導時間（OIT） 測定曲線， 可看出， PE 修補材料在220 ℃下通氧34.54 min 以后， DSC 曲線才向上延伸發生氧化反應， 即試樣的氧化誘導期是34.54 min， PE修補材料的氧化誘導時間符合GB/T 23257 標準的要求（≥30 min）。 通過對PE 修補材料熱特性熔點和OIT 測試， 發現PE 修補材料不宜高溫加熱，但耐氧化分解， 修補材料質量合格。

圖4 PE 修補材料熱特性

圖5 PE 修補材料氧化誘導時間

3.2 冷凍試驗

從原始3PE 防腐鋼管上截取一段未修補、無缺陷、 帶3PE 管片的試件， 從0 ℃連續冷卻到-40 ℃， 在-40 ℃下經過15 天低溫冷凍后，觀察3PE 試件外防腐層表面沒有任何裂紋， 表明完好的防腐層在-40 ℃有較強的耐低溫性能， 不會出現 “凍裂” 的情況。

3.3 耐候循環試驗

采用工程選用的不同修補棒和修補工藝， 在實驗室制作鋼管PE 層損傷修補試樣。 第一種方式是對外PE 損傷采用不同修補棒只進行一次加熱修補， 第二種方式是對外PE 損傷采用反復加熱抹平的方式修補。 修補完后， 對制作的試樣進行耐候試驗。 白天將所有試樣在陽光下直曬， 晚上將所有試樣放在-44 ℃的冷凍箱內冷凍， 如此進行多天反復冷熱交替耐候循環試驗后， 取出所有試樣進行觀察。 試驗結果表明， 第一種方式采用不同的修補棒， 只進行一次外PE 損傷加熱修補， 雖然修補表面不平整， 但均未產生任何裂紋； 第二種方式的部分試樣在反復冷熱交替耐候循環試驗后出現了開裂。 耐候循環試驗后試樣宏觀形貌如圖6 所示。 經過耐候對比試驗驗證， 外PE 損傷修補層開裂的主要原因是修補材料反復加熱過燒， 在低溫環境下修補層性能下降。

圖6 耐候循環試驗后試樣的宏觀形貌

4 控制措施及建議

3PE 鋼管防腐施工的兩個重要環節就是防腐層現場補口與破損3PE 防腐層的補傷。 修補部位是出現破壞和缺陷的高發區， 修補不到位的管道防腐層將關系到整條在役長輸管線防腐工程的質量和壽命[6-7]。 生產Φ1 422 mm 鋼管， 對于多數企業的生產線尤其是早期建設的防腐生產線都已經達到極限規格， 生產和施工過程中又不可避免地要進行多次倒運。 所以， 只有加強3PE 防腐鋼管制造全過程控制， 減少對防腐層的第三方損傷， 優化防腐層的修補工藝， 才可避免此類3PE 外防腐層裂紋的產生。

4.1 生產過程控制

精確控制鋼管幾何尺寸， 從板材均勻性、 制管成型、 擴徑工藝進行改進， 提高鋼板原料板型，將4.5%的鋼管不直度在15～20 mm 之間 （標準規定≤0.2%L， 12 m 長度內不超過24 mm）， 提高到15 mm 以內， 要求鋼管出廠橢圓度≤5 mm （標準要求≤8.5 mm）， 為后續防腐施工創造良好條件。此外針對Φ1 422 mm×21.4 mm/25.7 mm/30.8 mm 不同規格的鋼管， 設計不同的專用連管器， 使連管器與鋼管內壁貼合更緊密， 不再產生躥動， 從而有效降低管端防腐層氣泡、 褶皺等缺陷。 針對3PE 防腐管在生產過程中可能出現的跑線及輥道對防腐層的蹭傷， 對生產線部分輸送輥道和鎖緊裝置進行改造， 提高防腐生產線道平直度和輥道剛性， 從而有效避免管道防腐層蹭傷。

4.2 第三方損傷控制

不管采用哪種修補材料和修補程序， 修補處的性能始終低于管體防腐層本身[11]， 所以要從源頭上防止對3PE 防腐鋼管的第三方損傷。 將吊運過程中可能與鋼管產生磕碰的起重、 運輸、 轉移車輛及吊具、 器具及墊枕等部位進行軟保護， 從而消除倒運、 裝車等過程中產生的磕碰傷， 從源頭減少3PE 防腐鋼管第三方損傷缺陷或缺欠的發生。

4.3 修補工藝優化

PE 是一種對環境應力開裂極為敏感的材料，較高的溫度、 鋼管內壓、 環境應力及外界腐蝕介質侵蝕， 均會促使PE 材料開裂， 常溫下PE 的分子運動就已十分明顯， 當溫度改變時， 環境應力開裂風險會上升。 所以， 3PE 防腐層修補工藝要減少修補時間和高溫對材料性能的影響， 從而減輕修補層受熱老化的程度[12-13]。

4.3.1 修補層裂紋修補工藝

經過現場檢測， 65%的裂紋去除修補層后的PE 層剩余厚度＞3.3 mm； 35%的裂紋去除修補層后PE 層的剩余厚度為2.08～3.2 mm。 結合中俄東線CDP-S-OGP-AC-018-2014-2 《油氣管道工程鋼制管道三層結構聚乙烯防腐技術規格書》 和GB/T 23257 《埋地鋼制管道聚乙烯防腐層》 的相關要求， 制定了原修補層裂紋修補工藝： ①清除有裂紋的原修補層， 露出無裂紋的原PE 層， 采用測厚儀測量剩余厚度， 采用檢漏儀進行檢測； ②檢測無漏點， 剩余厚度大于標準規定的50%及以上時，采用熱熔修補棒進行修補； ③檢測無漏點， 剩余厚度小于標準規定的50%時， 采用熱熔修補棒進行修補， 并在修補處包敷一條熱收縮套， 包敷寬度應至少比修復寬度各大50 mm； ④如檢測有漏點， 先用輻射交聯聚乙烯補傷片進行修補， 并在修補處包敷一條熱收縮套， 包敷寬度比補傷片的兩邊至少各大50 mm； ⑤采用輻射交聯聚乙烯補傷片修補時， 先清理損傷部位， 并將修補處的聚乙烯層打毛， 并且將聚乙烯層修切圓滑， 邊緣形成鈍角并在孔內填滿與補傷片配套的膠粘劑， 貼上補傷片。 補傷片大小應保證其邊緣距聚乙烯層孔洞邊緣不小于100 mm， 貼補時邊加熱邊輥壓或戴耐熱手套擠壓， 排出空氣， 直至補傷片四周膠粘劑均勻溢出。

4.3.2 外防腐層損傷修補工藝

美國防腐工程協會指出， 正確涂覆的防腐涂層可為油氣管道提供99%的管道外保護需求， 剩余的1%由陰極保護提供， 說明油氣長輸管道的外防腐層是確保管道安全的重要屏障[14-15]。 根據現場實際和材料特性試驗結果， 制定了寒冷地區3PE防腐鋼管外PE 損傷后的修補工藝： ①用刮刀或鏟刀將破損區域的防腐層清除干凈； ②將防腐層預熱到60 ℃； ③加熱熱熔修補棒的一端， 直至出現光滑的表面； ④將熔化的修補棒涂在防腐層損傷處， 直至填滿修補面； ⑤當修補處變硬以后， 用電動拋光機將修補的區域拋平； ⑥禁止對修補處進行二次加熱， 以免破壞修補材料性能。

5 結 論

（1） 管道3PE 防腐層的第一道外PE 層性能直接決定著油氣長輸管道在高寒冷地區安全服役的根本問題。 原防腐層修補區域由于反復用火焰加熱修補造成修補材料過燒， 加上冬季低溫環境影響， 從而導致修復層開裂， 兩者是造成部分鋼管外PE 防腐層出現裂紋的主要原因。

（2） 在3PE 鋼管制造過程中， 通過優化鋼管幾何尺寸、 增加管端連管器、 增加托輥剛性等措施， 在吊運過程中減少對3PE 外防腐層的第三方損傷， 可大大減少防腐層的損傷率。

（3） 通過優化防腐層出現裂紋后的修補工藝和鋼管防腐層損傷后的修補工藝， 可以避免在高寒冷地區3PE 外防腐修補層再次出現裂紋的問題。