直焊縫鋼管3LPE防腐涂層厚度分析及控制

閆林森 焦振峰 胡建飛 楊志剛 張 宏

（1. 中海油能源發展清潔能源管道技術分公司，天津 300452；2. 海油發展珠海管道工程有限公司，廣東 珠海 519050）

0 引言

三層結構聚乙烯（3LPE）涂層是上世紀80年代中期開發成功的一種具有多層結構的高性能防腐涂層系統，主要由熔結環氧粉末底層（FBE）、高密度聚乙烯外保護層（HDPE）以及起粘接作用的共聚物膠粘劑中間層（AD）共同組成，可為油氣管道提供長效、可靠的腐蝕防護。

直縫焊管3LPE防腐已成為管道工程中常見的組合類型。管體與焊縫間外涂層厚度差異對聚乙烯材料的消耗有較大影響[1]，焊縫處防腐層厚度的控制是聚乙烯材料消耗和涂層質量控制的關鍵因素。

本文主要介紹直焊縫鋼管3LPE防腐涂層厚度要求、防腐前焊縫控制和聚乙烯材料性能、防腐工藝條件對焊縫處涂層厚度的影響及控制方向，并提出焊縫補償思路，探討擠出纏繞、多層噴涂和包覆工藝對焊縫處涂層厚度的影響。

1 焊縫處涂層厚度、外焊縫高度的要求

隨著3LPE防腐工藝的成熟和技術的不斷進步，國內防腐行業正在逐步提高焊縫處防腐層最小厚度要求，不再對SAWL鋼管焊縫高度明確要求。按照GB/T 23257 2017埋地鋼質管道聚乙烯防腐層要求，焊縫部位的防腐層厚度不應小于防腐層厚度的80%[2]。此標準在2009年版本時，焊縫部位的防腐層厚度不應小于規定值的70%。而ISO 21809 2018國際標準規定，允許焊縫部位的防腐層厚度不應小于涂層規定值的90%[3]。

根據API SPEC 5L 2018版標準，對于SAWL鋼管外焊縫高度要求為3.5mm（壁厚≤13mm）和4.5mm（壁厚＞13mm）。而根據GB/T23257 2009標準要求，鋼管焊縫的余高不應超過2.5mm，且焊縫應平滑過渡。GB/T 23257 2017已經取消焊縫余高不超過2.5mm要求，內容修改為鋼管焊縫應符合現行有關鋼管標準或訂貨技術條件的規定。對于防腐公司，為更好的控制焊縫處防腐層厚度，減少聚乙烯材料消耗，通常在鋼管生產前，與鋼管公司協商焊縫高度和形狀。

2 直縫鋼管外焊縫的成型和前期打磨控制

在直縫鋼管外焊縫抽檢時發現，鋼管的管體外焊縫的高度普遍在1～3mm之間，不同鋼管廠家，由于焊接工藝和設備的不同，外焊縫成型的效果也不同，需要在制管時，提前考慮外焊縫高度和形狀最終效果，以減少對焊縫處3LPE防腐厚度的影響。如果鋼管公司在制管時，提前考慮外焊縫的高度和形狀對3LPE防腐層減薄的影響，在焊接工藝和生產時加強焊縫余高及形狀的控制，管體的焊縫高度基本可控制在1.5mm以下，形狀為平滑過渡，極個別焊縫高度偏高，但應低于2mm，上述焊縫參數有利于后續的3LPE防腐厚度控制。

鋼管外焊縫余高超過1.5mm，且有起脊形狀時，對焊縫的打磨處理是節省聚乙烯材料的有效措施。國內外部分3LPE防腐業務的公司，在鋼管拋丸除銹前，設置外焊縫自動打磨裝置，將焊縫余高和形狀控制在理想范圍內。如果未打磨處理就直接進行3LPE外防腐，焊縫處涂層厚度減薄后，厚度很難滿足要求。單純加大聚乙烯擠出量雖然能提高焊縫處涂層厚度，但隨著焊縫余高增大和余高的起脊形狀的影響，聚乙烯涂層被膠輥和外焊縫擠壓，高溫下熔融聚乙烯的流動將迫使涂層厚度增加陷入瓶頸。極端情況下，鋼管焊縫與膠輥碾壓處的涂層，在惡劣環境或長期服役后，焊縫處防腐層有撕裂的風險。

3 聚乙烯材料熔體流動速率對涂層厚度的影響分析及控制

聚乙烯材料在擠出機中通過加熱、加壓使聚乙烯以流動狀態，連續通過擠出模口，以片狀成型纏繞包覆在鋼管上，形成防腐層。在防腐生產時，聚乙烯模頭擠出溫度在200～230℃，纏繞到鋼管的PE層受到膠輥壓力的作用，熔融聚乙烯因受力而向焊縫凸起的兩側流動，從而導致焊縫處涂層厚度減薄。聚乙烯熔體流動速率（MFR）是影響焊縫處涂層厚度減薄的關鍵指標，MFR指標影響在擠出機中加熱、加壓效果。

聚乙烯的MFR均隨溫度的升高而增大，溫度越高，熔融聚乙烯的流動性越強。應根據聚乙烯熔體流動速率的特性，確定合適的壓輥壓力和熔融溫度，使熔融聚乙烯專用料在纏繞包覆后，焊縫附近的流動變化為最小。聚乙烯熔體流動速率越大，焊縫處3LPE涂層的厚度越小，MFR確實對焊縫處涂層厚度減薄有明顯的影響[1]。

按照GB/T23257標準要求，聚乙烯熔體流動速率（190℃，2.16kg）性能指標應≥0.15g/10min，一般防腐公司在訂貨時，限定性能指標為0.15～0.8g/10min，不同批次原材料偏差20%。上述設定范圍相對較寬，如果每批材料熔體流動速率偏差較大，會對現場工藝條件控制較大影響。根據經驗，建議對于焊縫突出的UOE、螺旋焊縫管，聚乙烯MFR在0.2～0.25g/10min，上述聚乙烯材料性能將有易于焊縫鋼管外表面涂層保持均勻，焊縫處涂層減薄影響相對更小。

4 工藝參數對涂層厚度的影響分析及控制

4.1 防腐主要工藝參數的分析和控制方法

鋼管的傳動速度、螺距長度、聚乙烯的擠出量、防腐的纏繞層數、膠輥硬度和壓力均對防腐層厚度有影響，尤其影響直縫鋼管外焊縫處涂層厚度。通常，在其它參數恒定，某一個單一參數改變時，一般規律如下：在模頭相對固定時，擠出量越多，防腐層的厚度越大；當模頭距離鋼管表面越遠，幅寬越小，搭接縮小，單層厚度變大，適當調整后可保證總厚度不變；當聚乙烯纏繞層數越多時，螺距較小，防腐層厚度增加。當傳動輪的角度越大，鋼管的傳動速度越大，鋼管的防腐層厚度越小[4]。生產線傳送輪和聚乙烯壓膠輥彈性對鋼管焊縫處涂層厚度影響較大，建議膠輥的硬度10度左右（邵A），壓力調整至0.1～0.2MPa，降低膠輥對焊縫處涂層擠壓的影響。

主要工藝參數在3LPE生產時是動態變化、相鋪相成的，因此，可根據鋼管規格、環氧粉末固化效果、擠出機流量、冷卻效果，優先科學計算鋼管傳送速度范圍，并對其它參數進行合理匹配，才能保證焊縫處防腐層厚度的合適控制。

4.2 聚乙烯擠出工藝參數對涂層厚度的影響分析及控制

聚乙烯擠出纏繞前，鋼管傳送速度、鋼管傳送螺距已調試設定，擠出機螺桿轉速、各段溫度、機頭出料寬度等參數，是根據出料量需求而調整，擠出量理論計算公式為[5]：

Q為擠出量/（cm3/s）；

α為正流系數/cm3；

n為螺桿轉速/（r/s）；

Δρ為熔體輸送壓力降/MPa；

β為反流系數/cm3；

η為材料的粘度/Pa·s。

由于α、β僅與螺桿參數有關，η是聚乙烯材料在螺桿時粘度，與MFR性能直接相關。因此，擠出量與壓力降和螺桿轉速直接相關，連續穩定生產時，擠出量需保持穩定，因此，壓力升高，螺桿轉速被迫調低；壓力下降，螺桿轉速被迫調高。為減小壓力變化對擠出量的影響，必須避免或減小反流，有效措施是形成梯級壓力降。

擠出機設備參數基本確定后，通過降低機筒一、二區溫度，合理設置各區梯級溫度，較大的溫度差傳導為穩定的壓力降，穩定反流系數β值，以保證擠出量的穩定。

5 直焊縫鋼管涂層厚度補償設想

焊縫處防腐涂層厚度普遍低于管體涂層厚度，國內、外一些防腐公司均在探索焊縫處涂層補償的方法。使用激光傳感器自動識別焊縫位置，設定算法捕捉系統時間和鋼管傳送速度，通過涂層厚度補償系統對焊縫處涂層進行額外補償[6]。補償的方式有三種設想。通過擠出膜片相對運動，焊縫處涂層環向張力瞬間、間歇改變，實時補償焊縫處涂層厚度；通過膠輥的壓力調節，焊縫處壓力減小，實時改善焊縫處涂層厚度；通過擠出機壓力調節，焊縫處涂層擠出量瞬間增加，實時補償焊縫處涂層厚度。這三種方式理論上均可提高焊縫處涂層厚度，具體需要更加深入的研究和實踐。

6 噴涂和包覆式3LPE防腐對焊縫處涂層厚度影響與展望

不同于3LPE擠出纏繞防腐工藝，多層噴涂防腐和包覆式3LPE防腐技術均對焊縫處涂層厚度無減薄影響。但二種工藝均受制于特定適用環境。

多層噴涂3LPE防腐涂層厚度偏小，外層聚乙烯涂層一般為中密度聚乙烯，噴涂方式不會造成焊縫處涂層厚度的減薄，但涂層的拉伸屈服強度、斷裂伸長率、機械性能指標與高密度聚乙烯擠出纏繞工藝相比，性能指標偏低。

包覆式3LPE防腐采用環向擠出成型，不同于片材擠出，膠粘劑和聚乙烯包覆模具尺寸有限，一般適用于小管徑鋼管，而小管徑管材無突起焊縫，凸起焊縫的大管徑管材包覆設備裝置配套較難，成本高。在運行、配套成本未顯著下降，涂層性能指標沒有明顯提高的情況下，3LPE防腐生產及設備研發廠家沒有針對焊縫管工藝、設備深入研發和推廣的動力。

7 結語

通過對直焊縫鋼管焊縫結構、涂層厚度、聚乙烯材料性能、擠出纏繞工藝參數等的分析，結合焊縫處涂層補償和多層噴涂、包覆工藝技術開發和應用，結論如下：

（1）雖然焊縫對鋼管3LPE防腐厚度有非常大的影響，但對焊縫處涂層厚度的要求越來越高；

（2）焊縫預處理和焊縫處涂層厚度補償均可提高焊縫處防腐層厚度；

（3）聚乙烯材料的性能和擠出工藝參數精準控制，可以減少焊縫對涂層厚度的影響。