埋地鋼質管道外防腐蝕層補口工藝評定的發展和應用

武 晶,李 猛,何金昆,趙丹丹,房金庫,郭曉疆,李建忠

(中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，廊坊 065000)

目前，石油和天然氣依然是人類需求的主要能源。據統計，世界85%的原油和100%的天然氣運輸方式都是管線輸送[1]。長輸管線運輸主要采用大口徑埋地鋼質管道，如起自黑龍江省黑河市中俄邊境，途經東北、華北、華東地區的中俄東線天然氣管線采用的是直徑1 016～1 422 mm的大管徑埋地鋼質管道[2]。近年來，管道的運行環境日益惡劣，管道外腐蝕的情況也越來越嚴重[3]，成品管在出廠前就已經進行了防腐蝕處理，所以大多數管道腐蝕發生在補口防腐蝕層。為了保證施工質量和管道運行壽命，提高油氣輸送的安全性，減少經濟損失，緩解日趨加劇的環境問題，防腐蝕層補口工藝評定試驗(PQT)逐步在國內項目中推行。如今，防腐蝕層補口工藝評定已成為管道防腐蝕設計和質量控制中必不可少的一部分，對于保障管道安全運輸、新工藝的推進和改善起到積極作用。

1 防腐蝕層補口工藝評定的發展

常見的長輸油氣管道防腐蝕層補口有以下幾種類型：熱收縮材料補口、液體聚氨酯補口、無溶劑液體環氧補口、黏彈體膠帶+外護帶補口等。熱收縮材料補口以適用范圍廣、施工可操作性強、綜合性能優異等特點成為目前最常見的防腐蝕層補口，其缺點是對溫度敏感，與底漆和管體防腐蝕層搭接處容易產生氣孔導致剝離強度顯著降低，且對環境及施工人員要求高。液體聚氨酯補口可用于較低溫度的環境中，其耐環境應力強、化學穩定性高、黏結性能好，但價格高、對設備依賴性強。無溶劑液體環氧涂料補口的施工方式之一是采用氣體對鋼管表面及管體防腐蝕層進行極化處理，然后涂覆無溶劑涂料。無溶劑液體環氧補口的極化效果好，涂裝、修補簡單，但補口耐環境應力效果差，且極化氣體有毒，對人體的傷害不可逆，在施工過程中工人需要穿防護服并回收氣體以免產生環境污染。目前，黏彈體+外護帶補口廣泛應用于盾構等特殊標段，其優點是對環境及施工人員要求低、施工質量容易控制且防腐效果好，缺點是價格高、不能應用于較高溫度。與黏彈體膠帶配套使用的外護帶有熱收縮帶、聚丙烯冷纏帶、壓敏帶等[4-6]。

材料的使用壽命與材料自身特性、使用環境、操作工藝等多種因素相關[5-6]。熱收縮材料補口的失效原因有施工過程不規范、熱收縮帶在使用環境中的防腐性能下降等，如圖1(a)所示。液體聚氨酯補口在失效過程中會發生鼓泡現象，如圖1(b)所示，產生的原因可能是空氣濕度大或施工不規范。現場開挖液體環氧涂料補口的拉拔附著力試驗結果多為界面剝離，如圖1(c)所示，其原因同樣與施工操作因素密不可分。因此，為了規范施工工藝、延長補口材料的使用壽命，各大項目開始對防腐蝕層補口工藝進行評定。

(a) 熱收縮帶補口 (b) 液體聚氨酯補口

2017年以前，在管道防腐蝕層補口施工前，沒有強制要求管道方請專業有資質的第三方機構進行防腐蝕層補口工藝評定試驗。2017年，防腐蝕層補口工藝的現場評定試驗首次試用于中俄原油管道漠大二線的施工中，漠大二線是國內第一條全面推行機械化補口，采用環保噴砂除銹的長輸管道，防腐蝕層補口工藝評定在漠大二線取得成功。但由于經驗不足，設計文件中的參考標準范圍太廣，防腐蝕層補口工藝評定內容和試驗方法需要改進。雖然防腐蝕層補口工藝評定已廣泛應用于中俄東線天然氣管道工程、西氣東輸三線閩粵支干線(廣州-潮州段)工程以及地方管網等長輸管線項目，且評定程序相較于最初完善了很多，但各評定單位對防腐蝕層補口工藝評定內容和試驗方法仍存在爭議，其主要原因是國內沒有一個被廣泛認可的專門針對防腐蝕層補口工藝評定的標準。如熱收縮帶補口的工藝評定是否需要進行0,3,6,9四個點位剝離強度試驗，是否需要進行28 d或30 d耐熱水浸泡后再進行剝離強度試驗等問題，一直為各評定單位探討的主要問題。

在國際標準組織制訂的標準ISO：21809-3:2008 Petroleum and natural gas industries-External coatings for buried or submerged pipelines used in pipeline transportation systems.Part 3: Field joint coatings中就包含了有關補口防腐層工藝評定的相關規定。在其最新的2016年版本中，明確規定了管道防腐蝕層補口施工前需進行工藝評定，并在附錄中規定了防腐蝕層補口工藝評定的檢測項目和檢測數量。在中國國家標準GB/T 51241-2017《管道外防腐補口技術規范》中，規定了熱收縮材料、液體涂料、聚合物膠黏帶等幾種防腐蝕層補口施工工藝規程(APS)的制訂和防腐蝕層補口工藝評定的內容及步驟。其中熱收縮材料包括瑪王帝脂型聚乙烯熱收縮材料、熱熔膠型聚乙烯(含底漆)熱收縮材料、聚丙烯(含底漆)熱收縮材料、壓敏膠型聚乙烯熱收縮材料、纖維增強型聚乙烯(底漆)熱收縮材料幾種類型；黏彈體膠帶補口包含黏彈體膠帶+聚丙烯膠黏帶/聚乙烯保護外帶、黏彈體膠黏帶+壓敏膠型熱收縮材料兩種補口結構。在GB/T 23257-2017《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》標準中，規定了三層聚乙烯防腐蝕層(3PE)及熱收縮帶補口工藝評定的程序。中國石油天然氣集團公司企業標準Q/SY 1699-2014《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層補口工藝評定技術規范》中，規定了熱收縮帶和液體聚氨酯補口的工藝評定技術要求。這幾個標準中對防腐蝕層補口工藝評定的具體要求見表1。

表1 各標準中對防腐蝕層補口工藝評定的要求

Q/SY 1699-2014標準是針對埋地鋼質管道聚乙烯防腐蝕層補口工藝評定的標準，工藝評定內容詳細、具體，但補口類型只有熱收縮帶和液體聚氨酯涂料兩類，且液體聚氨酯涂層在大管徑長輸管道施工中已不常見。因此，施工設計中引用Q/SY 1699-2014標準的工程寥寥。雖然GB/T 23257-2017標準只規定了3PE和熱收縮帶(套)工藝評定，工藝評定內容一帶而過，但其他相關標準(如GB/T 51241-2017)中多次引用其試驗方法，因此是防腐蝕層補口工藝評定比較常見的標準之一。ISO 21809-3：2016標準內容龐雜，涵蓋幾乎所有防腐蝕層補口類型，標準中規定的工藝評定內容和幾十種試驗方法羅列于附錄A中，是國內標準制修訂的參考，目前廣泛應用在國外項目中。在國內有關防腐蝕層補口工藝評定內容的標準中，GB/T 51241-2017標準規定的防腐蝕層補口類型最為全面，是國內大多數評定單位執行的主要標準。

2 防腐蝕層補口工藝評定的應用

目前，在國內油氣長輸管道工程設計時已普遍要求進行防腐蝕層補口工藝評定。工藝評定的流程如圖2所示。

圖2 防腐蝕層補口工藝評定流程圖

評定前需按照工程設計文件和相關標準編制工藝評定預規程，當設計文件與標準有沖突時，應先與設計人員溝通，修改設計文件或執行的標準，工藝評定預規程不可違背工程設計。根據已編制并批準的工藝評定預規程進行工藝評定，工藝評定需委托第三方有資質的機構進行。防腐蝕層補口工藝評定分為補口安裝過程檢驗、現場防腐蝕層質量檢驗、實驗室破壞性試驗。

2.1 補口安裝過程檢驗

工藝評定前現場準備至少3道評定口，評定口管徑、壁厚、管體預制防腐蝕層類型、補口施工條件等應與現場實際情況一致。在工藝條件及參數基本一致前提下，防腐蝕層補口工藝評定需評定方監督至少3道補口的安裝過程，安裝過程的質量檢驗包含但不限于：預處理前表面條件、清潔后表面檢查、噴砂后表面粗糙度、噴砂清潔后表面可溶性鹽含量、灰塵度、安裝溫度檢測、涂層厚度、漏點檢測等。

防腐蝕層補口安裝過程檢驗應按照工藝評定預規程進行，并根據環境條件做適當調整。

2.2 現場防腐蝕層質量檢驗

防腐蝕層補口安裝完畢，并按標準規定養護一定時間后，方可進行現場防腐蝕層質量檢驗。

根據工藝不同，現場防腐蝕層的檢驗也有所不同，通常情況下，檢驗3道補口的外觀、漏點、剝離強度(或附著力、黏結力)等。防腐蝕層檢驗均符合相關要求，則完成一個現場評定工作；如現場防腐蝕層檢驗不合格，應重新調整工藝參數重復以上補口檢驗工作直至連續3道口合格為止。現場試驗合格后進行實驗室破壞性試驗。

2.3 實驗室破壞性試驗

實驗室破壞性試驗根據不同工藝而異。對于最常見的熱收縮帶補口，目前普遍認可的是GB/T 51241-2017標準中規定的抗沖擊、陰極剝離試驗及對鋼管和搭接區防腐蝕層的剝離強度試驗。GB/T 51241-2017標準并未強制規定對鋼管和搭接區防腐蝕層熱水浸泡(材料最高設計溫度，28 d)后再進行剝離強度試驗。一些評定單位不建議進行此項試驗,因為28 d熱水浸泡試驗使工藝評定更加嚴格，增加了試驗指標意味著降低評定合格率。熱水浸泡試驗結果顯示，國內多數防腐蝕層補口材料經熱水浸泡試驗后的剝離強度和保持率符合標準要求，如圖3(a)所示。但是少部分防腐蝕層補口材料出現完全剝離的情況，防腐蝕層在剝離時強度幾乎為零，防腐蝕層輕輕一剝便脫落，如圖3(b)所示。這些材料在實際應用中的壽命普遍偏低，因此也有評定單位將熱水浸泡后的剝離強度和保持率試驗納入防腐蝕層補口工藝評定中。

(a) 合格件

無論是否進行附加項目試驗，防腐蝕層補口工藝評定的結果對施工材料、器具和工藝的選擇等有指導作用。施工方與評定機構根據工藝評定結果調整工藝參數，修改補口施工工藝規程，最終形成工藝評定報告和施工工藝規程。

3 結束語

防腐蝕層補口工藝評定被納入工程質量管控，正式作為工程驗收成果必不可少的一部分只有短短幾年的時間。隨著國家管網成立，我國長輸油氣管道行業迎來新一輪的發展高峰期，管道防腐蝕要求日益嚴格。為了保障油氣管道安全運行，防腐蝕補口工藝評定必將成為未來管道項目不可或缺的一部分。工藝評定的實施過程仍存在著很多問題，如：國內標準并沒有明確規定防腐蝕工藝評定的日期和期限，沒有明確規定工藝評定的具體內容，導致工藝評定的質量參差不齊。因此，研究防腐蝕層補口工藝評定內容與管道剩余壽命的關系、完善工藝評定過程和質量管理體系勢在必行。