長輸管道防腐層技術現狀和發展趨勢

王康鳳 陳 旭 蔡 亮 劉少東

（1. 合肥市燃氣管理處，安徽 合肥 230000；2. 中國石油管道局工程有限公司設備租賃分公司，河北 廊坊 065000；3. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；4. 中國石油天然氣銷售廣西分公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

長輸管道是輸送油氣最為安全經濟的方法，腐蝕直接影響管道系統可靠性及使用壽命[1]。外防腐層是保障管道系統完整性的重要屏障，防腐層破損、剝離和老化易導致管道腐蝕泄漏失效。我國長輸管道正處于新的快速發展階段，促進了管道防腐層技術發展。闡述了國內外新型防腐層及補口施工技術研究現狀，并對管道防腐層技術發展趨勢進行展望，旨在提高我國管道建設施工水平和系統可靠性，延長管道使用壽命。

1 主流防腐層產品及性能水平

20世紀50年代長輸管道采用石油瀝青（AE）和煤焦油瓷漆（CTE）防腐層。60年代研制冷纏帶防腐材料。70年代研制出聚烯烴、環氧粉末/樹脂等防腐材料。80年代德國研制3PE防腐層，結構是底層PBE、中間層共聚物膠、外層聚乙烯，兼具FBE高粘結構、抗氧化、耐化學腐蝕、抗陰極剝離性能，以及聚乙烯電絕緣和良好的機械性能，使用壽命預計40年以上。90年代在大型長輸管道工程廣泛應用，例如陜京線、庫鄯線和西氣東輸管道。21世紀單層/雙層熔結環氧粉末（FBE）、三層聚乙烯涂層（3LPE）和三層聚丙烯涂層（3LPP）防腐涂層成為主流產品。3LPE占據涂層市場絕對優勢，而FBE市場份額略有減少。

3LPE和FBE防腐層保護效果良好，仍存在不足。FBE抗沖擊載荷性能較差。3LPE應用有最小壁厚限制，價格較為昂貴；不適用彎頭等異形管件和管道補口，補口處防腐層性能遠低于管體防腐層；焊縫處防腐層厚度較小，或與管體之間存在縫隙，嚴重降低保護效果；PE層粘接失效易造成陰極保護電流屏蔽。

2 新型防腐層產品

隨著在高寒、極地、山區等惡劣環境敷設長輸管道，對防腐層材料、工藝和施工技術提出更高要求，防腐層應具備良好的介電性能、穩定的物理化學性能和較寬的溫度適應性能，兼具防腐、絕緣、保溫、增加強度等多項功能。管道防腐層應用過程的主要問題是聚乙烯層與環氧粉末底層的粘接失效，導致陰極保護電流屏蔽。制造商在3LPE和FBE基礎上改進研發新型涂層，已取得一定成效。

2.1 陶氏化學新型3LPE防腐層

陶氏化學公司新制出一種新型3LPE防腐層，外層設計特殊的高密度聚乙烯層結構，具備較強的抗環境應力開裂和抗紫外線輻射能力，新型粘接劑應用功能型聚合樹脂，熱穩定性強。該產品性能參數：在80℃條件下防腐層剝離強度大于216N/cm；110℃條件下粘接劑失效周期約1年，預測在70℃條件下（長輸管道運行溫度極值）使用壽命約50年，有效解決目前3LPE防腐層粘接失效的問題。

2.2 復合涂層系統

加拿大Bredero Shaw公司研制新型復合防腐層系統（HPCC），HPCC仍采用環氧粉末底層、粘接層和聚乙烯層三層結構型式，施工采用靜電粉末噴涂技術。粘接層是粘接劑與特定濃度FBE的混合物，增加粘接層與環氧粉末底層和聚乙烯層的兼容性，實現緊密粘接、無分界層。

與3LPE防腐層相比，HPCC具有粘接強度高、無最小厚度限制、噴涂工藝簡單等特點，HPCC在抗沖擊載荷、抗老化、抗陰極剝離等性能參數均優于FBE防腐層。

2.3 液態聚氨酯防腐層（PU）

表1 HPCC與FBE防腐層性能參數對比

液態聚氨酯防腐層是多元醇化物+異氰酸酯溶液，2組分混合后轉化為固體厚膜型涂層，一次成膜厚度不小于1.2mm。低溫快速固化，化學穩定性好，最高適用溫度109℃，壽命可達50年。PU可用于惡劣地質環境。硬度高達HS80-86，具有良好的耐磨、耐劃傷性能，保證管材運輸裝卸中不發生損傷。抗陰極剝離性能強，老化失效后仍能導通電流，避免陰極屏蔽問題。PU施工工藝簡單，防腐層質量好且利于環保，適用于補傷、補口及防腐層破損修復，目前已成為國外管道防腐層修復首選材料。西氣東輸三線作為先進技術引進，主要用于焊口補口防腐處理。

2.4 無機非金屬防腐層

主流防腐層產品以有機材料為主，雖性能不斷改進，但不能從根本解決老化變質、耐熱抗寒問題，使用條件和壽命也有限制。無機防腐層應運而生，不發生老化、耐腐蝕、耐磨損性能優異，已研發的無機涂層有陶瓷涂層、搪瓷涂層和玻璃涂層。無機防腐層需要研究解決的問題是陶瓷涂層的封孔處理方法，搪瓷涂層成本過高，玻璃涂層粘接性和韌性需提高，以及需研發適用的焊后內補修復技術等。無機防腐涂層具有巨大的發展前景。

2.5 納米改性材料涂層

納米技術是材料科學領域的重大創新。防腐層性能由材料微觀結構決定，研究表明納米技術可對有機涂層改性提高綜合性能，包括增加機械強度、硬度、附著力和抗老化特性。例如TiO、SiO、ZnO、FeO等納米粒子對紫外線有散射作用，提高防腐層抗紫外線能力。納米離子還能提高防腐層防水性能。納米技術也能提高無機涂層的塑性和韌性性能。總體看，納米改性涂層技術還處于起步階段，具有極好的發展前景。

3 新型3LPE防腐層施工技術

3LPE防腐層不能應用于補口材料。目前國內外管道采用聚乙烯熱收縮套作為3LPE防腐層的配套補口材料。熱收縮套施工條件和質量要求高，補口質量取決于工人技術水平，防腐層與管體粘接不牢，聚乙烯收縮套屏蔽陰極保護電流，國內外管道均有失效案例。國內外研制一系列新型補口材料。

3.1 粘彈體防腐材料

荷蘭Stopaq公司和加拿大Canusa公司研制成功粘彈體防腐材料，利用高聚物的粘彈性，兼具PE的固體特性和液體特性，液體特性使得其在損壞時具備一定程度的自愈性能，還具備良好的粘接力和抗蠕變性，可作為3LPE管道補口材料。粘彈體防腐材料施工工藝簡單，特別是適用于站場工藝管道防腐。我國青海油田輸氣管道、西氣東輸一線站場管道成功引進粘彈體防腐材料進行管道防腐層修復。

3.2 聚合物網絡涂層

聚合物網絡涂層（PNC）是3M公司針對3層防腐層結構的管道研發的聚烯烴補口材料，含有聚烯烴和環氧樹脂組分，兩種組分的聯合作用相對單一組分補口材料性能更為優良。PNC具有極強化學反應性能，在不使用粘接劑條件下，直接噴涂于FBE和聚烯烴表面，通過化學反應實現強力粘接，有效增加涂層機械強度。

3.3 液態聚氨酯涂層

液態聚氨酯涂層與3LPE防腐層的物理性能接近，可以長期保持在3LPE防腐層的穩定附著狀態，具備較強的抗土體移動剪切能力。液態聚氨酯涂層電導率允許陰極保護電流滲透流動，不會造成陰極保護電流屏蔽問題，可以認為是“本質失效安全型”涂層。

4 結語

隨著管道運行環境復雜惡化，管道防腐層發展趨勢是研發兼具防腐、絕緣、較強綜合機械性能和粘接力強的新型材料。預見未來十幾年內，3LPE仍將是長輸管道應用的主要防腐層，但3LPE施工運行過程中的短板也會促進新型涂層的研究及應用，例如HPCC等新型改進防腐層會成為有效備選。管道運行過程中3LPE防腐層補口失效檢測修復，以及新型3LPE防腐層管道補口技術也是研究的重點領域。