朱煒 代炳濤 黃秀娟 高龍 盤勝輝

1艾圖科（上海）防腐技術(shù)有限公司

2廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司

隨著我國科技的快速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在生產(chǎn)和生活中得到普遍應(yīng)用。數(shù)字化管道技術(shù)是當(dāng)今長輸油氣管道工程領(lǐng)域中的前沿技術(shù)，通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以使數(shù)字化管道在勘察、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營的過程中更具高效性和專業(yè)性，從而使數(shù)字化管道的管理更加方便[1-4]。長輸油氣管道的數(shù)字化管理，特別是防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理，因其特殊性和復(fù)雜性，仍處于探索階段，未能真正應(yīng)用到現(xiàn)場防腐補(bǔ)口施工中。針對防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的現(xiàn)狀，提出防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理模式。

1 技術(shù)思路

1.1 防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量控制存在的問題

在整個(gè)管道外防腐施工中，補(bǔ)口防腐是保證管道防腐完整性的重要工藝，也是整條管道防腐涂層質(zhì)量最薄弱的環(huán)節(jié)。目前我國的長輸油氣管道防腐補(bǔ)口涂層多采用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶（套）和配套環(huán)氧底漆的方式[5]。該防腐涂層大多數(shù)是由底層無溶劑環(huán)氧漆、中間層膠黏劑、外層收縮帶聚乙烯基材三種不同材料構(gòu)成的。施工人員在施工現(xiàn)場通過加熱手段（火焰烘烤和/或中頻感應(yīng)加熱設(shè)備）對鋼管表面進(jìn)行包覆，在補(bǔ)口防腐施工完成后24 h進(jìn)行補(bǔ)口質(zhì)量的檢驗(yàn)，包括外觀、漏點(diǎn)和剝離強(qiáng)度等內(nèi)容[6]。因此，防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量受人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素的影響尤為突出。

圖1 防腐補(bǔ)口涂層施工工藝過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction process of anticorrosive joint coating

表1 防腐補(bǔ)口施工工藝要求Tab.1 Construction process requirement of anticorrosive joint coating

圖1是防腐補(bǔ)口施工工藝過程示意圖。在整個(gè)施工過程中，每一環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制是由監(jiān)理單位根據(jù)防腐補(bǔ)口技術(shù)規(guī)范和工藝規(guī)程進(jìn)行現(xiàn)場管控的。表1 是現(xiàn)行國內(nèi)補(bǔ)口施工中所使用的Q/SY 1700—2014《熱熔膠型熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口施工技術(shù)規(guī)范》對施工工藝各環(huán)節(jié)的要求[7]。由表1 可知，無論是按照產(chǎn)品說明書還是按照工藝規(guī)程，給出的參數(shù)值范圍都比較大。比如，某項(xiàng)目的工藝規(guī)程上規(guī)定“加熱回火溫度為175～190 ℃，加熱5～8 min”，這些大范圍的參數(shù)值必然給施工單位和監(jiān)理單位帶來極大的困擾；而參數(shù)的記錄是零散的、按一定頻率進(jìn)行的，特別是加熱時(shí)間和加熱溫度等重要參數(shù)，不能得到及時(shí)的歸整處理；對技術(shù)參數(shù)的判斷結(jié)果很大程度上依賴于現(xiàn)場人員的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平，帶有主觀性判斷；而且補(bǔ)口質(zhì)量的檢驗(yàn)主要從外觀、漏涂點(diǎn)和剝離強(qiáng)度等方面進(jìn)行，并不能真正有效地控制施工質(zhì)量。此外，國內(nèi)現(xiàn)行有效的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，并未考慮到防腐涂層中三種材料各自的特性，未對材料與加熱設(shè)備的匹配性作出相關(guān)規(guī)定。對加熱設(shè)備只作簡單要求，比如中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的溫度場分布應(yīng)滿足熱收縮帶補(bǔ)口施工的要求，未能提供具體的、可控的執(zhí)行要求，因此對防腐補(bǔ)口施工缺乏指導(dǎo)意義。這就造成補(bǔ)口材料在施工時(shí)，合格的材料頻繁出現(xiàn)單層甚至是多層的失效。在施工過程中由于不恰當(dāng)?shù)丶訜幔瑢?dǎo)致熱收縮帶基材過度老化，熱熔膠開裂；鋼管表面預(yù)熱溫度過高，環(huán)氧底漆出現(xiàn)快速流淌和固化，導(dǎo)致涂層表面鼓泡、厚度不均等異常情況（圖2）。

此外，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備作為最重要的加熱手段，與傳統(tǒng)手工烘烤相比，具有高效、加熱均勻、環(huán)境適用性廣、可靠性高等特點(diǎn)，特別適用于大管徑管道補(bǔ)口施工。但是，由于補(bǔ)口加熱區(qū)域含有鋼表面和帶主干線涂層的搭接區(qū)域，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備對這兩個(gè)區(qū)域的加熱情況是不一樣的。比如溫降速度和溫度保持時(shí)間，即使同一臺設(shè)備對補(bǔ)口區(qū)域進(jìn)行加熱，也會(huì)有不同的有效加熱寬度和內(nèi)外壁溫差等情況發(fā)生。施工單位在施工時(shí)并未考慮這些差異性，更不用說設(shè)備是否能滿足三種補(bǔ)口材料的施工要求了，這就使得加熱不均勻，局部區(qū)域溫度偏低，出現(xiàn)粘接失效，如圖2（d）所示。

圖2 施工不當(dāng)導(dǎo)致防腐補(bǔ)口涂層出現(xiàn)異常情況Fig.2 Abnormal cases of anticorrosive joint coating caused by improper construction

防腐補(bǔ)口涂層失效是由于缺乏具有可操作性的工藝參數(shù)指標(biāo)造成的，目前國內(nèi)工程建設(shè)對控制防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的管理模式仍處于粗放式管理，主要表現(xiàn)在：各施工工藝程序的質(zhì)量控制主要依賴施工單位、監(jiān)理單位的現(xiàn)場把控，缺乏準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)及有效的數(shù)據(jù)管理手段；依賴于人員的經(jīng)驗(yàn)，存在很多主觀判斷，導(dǎo)致對過程控制不到位；各施工單位、監(jiān)理單位各自為戰(zhàn)，從業(yè)主角度無法做到統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理；各標(biāo)段的過程數(shù)據(jù)主要靠Excel 軟件各自管理，每隔一段時(shí)間才進(jìn)行歸檔，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)更新、專業(yè)處理；熱收縮帶的安裝工藝缺乏有效的管理手段，導(dǎo)致加熱過程中膠黏劑粘接失效、材料老化、補(bǔ)口密封性較差；中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱特性不清晰，與各種防腐材料的匹配性欠佳，設(shè)備參數(shù)任意變更，以上諸多因素最終導(dǎo)致補(bǔ)口防腐層的質(zhì)量事故頻繁發(fā)生。

1.2 數(shù)字化管理體系的提出

針對上述存在的問題，工作人員應(yīng)該積極改變目前的狀況，提升防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的管理水平，將補(bǔ)口施工的質(zhì)量控制從經(jīng)驗(yàn)和人為判斷轉(zhuǎn)向數(shù)字化，推行補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理體制。圖3是根據(jù)目前防腐補(bǔ)口施工工藝的現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)字化管理技術(shù)，提出的防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理體系。在補(bǔ)口施工開工前，按施工工藝規(guī)程進(jìn)行工藝評定試驗(yàn)（PQT）驗(yàn)證，確認(rèn)施工人員、加熱設(shè)備、補(bǔ)口材料滿足實(shí)際工程的要求；補(bǔ)口施工時(shí)，各個(gè)施工標(biāo)段的現(xiàn)場施工記錄、監(jiān)測記錄（包括工況條件、環(huán)境）及時(shí)傳輸至防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；補(bǔ)口施工完成后，進(jìn)行補(bǔ)口質(zhì)量檢驗(yàn)，同時(shí)將記錄上傳；數(shù)據(jù)經(jīng)快速處理和分析后，及時(shí)反饋給管理區(qū)和施工現(xiàn)場?？梢姡栏a(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理體系綜合考慮了人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等因素，為補(bǔ)口施工提供詳細(xì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并經(jīng)過大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接將分析結(jié)果傳輸給施工現(xiàn)場和管理層，使數(shù)據(jù)信息處理更全面、更專業(yè)、更高效。

圖3 防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理體系Fig.3 Digital management system for construction quality of anticorrosive joint coating

2 研究方法與應(yīng)用效果

大數(shù)據(jù)的處理需要依靠完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為支撐，即需要有效施工工藝參數(shù)的確立。在油氣管道補(bǔ)口施工前，通過實(shí)驗(yàn)研究獲得補(bǔ)口材料（膠黏劑、無溶劑環(huán)氧漆和基材）的施工特性，即它們的極限可加熱溫度和膠黏劑有效粘接溫度，然后根據(jù)補(bǔ)口材料的施工特性，選擇加熱設(shè)備，在模擬補(bǔ)口的管段上確認(rèn)該加熱設(shè)備的加熱溫度、加熱時(shí)間和熱分布曲線等相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)；再進(jìn)行PQT，使用經(jīng)過確認(rèn)的人、機(jī)、料在施工管道上進(jìn)行熱收縮帶的模擬安裝，然后將安裝后的補(bǔ)口送往第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)性能的檢測和評估；符合技術(shù)要求后，將這些工藝參數(shù)數(shù)據(jù)運(yùn)用到現(xiàn)場施工質(zhì)量管控中。在施工現(xiàn)場，施工記錄、監(jiān)測記錄、圖像和曲線等實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫，根據(jù)已確立的施工工藝參數(shù)，經(jīng)過大數(shù)據(jù)處理，及時(shí)反饋到施工現(xiàn)場，有效地實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)口施工質(zhì)量的控制。

2.1 確立有效施工工藝參數(shù)的方法

目前有效施工工藝參數(shù)的確立還沒有相關(guān)資料提出具體的實(shí)施方案。結(jié)合現(xiàn)場防腐補(bǔ)口的施工情況和課題研究成果，提出確立施工工藝參數(shù)的方法。

2.1.1 補(bǔ)口材料的施工特性

由于防腐補(bǔ)口使用的補(bǔ)口材料（膠黏劑、無溶劑環(huán)氧漆和基材）均為有機(jī)高分子材料，而有機(jī)高分子材料因其分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系容易受熱不穩(wěn)定，尤其是不恰當(dāng)?shù)丶訜釙?huì)導(dǎo)致高分子材料出現(xiàn)熱（氧）老化、熱降解等，導(dǎo)致材料的分子結(jié)構(gòu)和使用性能發(fā)生改變。因此，在進(jìn)行補(bǔ)口施工之前，工作人員必須知道所施工的補(bǔ)口材料的極限可加熱溫度，以防止因過度加熱而導(dǎo)致材料過早出現(xiàn)老化、性能衰減。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11358—1的檢測方法，對補(bǔ)口材料的極限可加熱溫度進(jìn)行檢測[8]。環(huán)氧涂層、膠黏劑和基材分別在氮?dú)庵屑霸谥付ǖ臏囟葪l件下，一般以50 ℃為起始檢測溫度，每間隔10 ℃作為1 個(gè)溫度點(diǎn)，測出材料在30 min 內(nèi)總的熱失重量，以此建立溫度與熱失重量的關(guān)系曲線，該曲線的雙切線交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度點(diǎn)作為該材料的極限可加熱溫度Tc（圖4）。以圖4 中的補(bǔ)口涂層材料為例，由交點(diǎn)可知，環(huán)氧涂層、膠黏劑和基材的極限可加熱溫度分別為185、145 和190 ℃，則最小極限可加熱溫度為145℃。因此在補(bǔ)口施工時(shí)，加熱溫度不能超過環(huán)氧涂層、膠黏劑和基材這三者的極限可加熱溫度的最小值，否則，材料將過早出現(xiàn)老化衰減。

圖4 環(huán)氧涂層、膠黏劑和基材的溫度與熱失重的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of temperature of epoxy coatings，adhesives and backings and thermal weight loss

對補(bǔ)口材料進(jìn)行加熱，主要目的是促使膠黏劑能夠熔融粘接，即讓熱收縮帶膠黏劑與底層環(huán)氧涂層（底漆層）和主干線聚乙烯層（PE 層）搭接處形成粘接。膠黏劑與這兩種底材形成有效粘接時(shí)的最低溫度稱為膠黏劑的有效粘接溫度Tθ。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 828 的檢測方法，對該溫度進(jìn)行檢測[9]。以不同的鋼管預(yù)熱溫度與膠黏劑的烘烤溫度來模擬現(xiàn)場安裝條件，控制20 min作為保溫時(shí)間，測試膠黏劑分別在PE 層表面和底漆層表面的接觸角；根據(jù)接觸角判斷膠黏劑對不同表面的潤濕特性，然后通過控溫模擬安裝得到補(bǔ)口涂層系統(tǒng)，并經(jīng)剝離實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)膠黏劑的粘接有效性。當(dāng)控溫模擬得到補(bǔ)口涂層系統(tǒng)的剝離破壞形式呈現(xiàn)膠黏劑內(nèi)聚破壞時(shí)，該系統(tǒng)所使用的鋼管預(yù)熱溫度和膠黏劑的烘烤溫度則為膠黏劑的有效粘接溫度Tθ。

2.1.2 中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱特性

中頻感應(yīng)加熱設(shè)備是利用電磁原理使鋼管產(chǎn)生熱量，底漆層和PE 層的溫度是從鋼管表面?zhèn)鬟f而來[10]。因此，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)滿足熱收縮帶在不同部位（底漆層和PE 層）的安裝溫度要求，中頻加熱線圈的加熱情況將直接影響熱收縮帶補(bǔ)口的安裝質(zhì)量。影響中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱質(zhì)量工藝參數(shù)，包括加熱功率、加熱時(shí)間、加熱溫度的持續(xù)時(shí)間、線圈的分布情況以及線圈的有效加熱寬度等。在補(bǔ)口施工之前，應(yīng)對中頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，獲取補(bǔ)口部位的溫度分布曲線、溫降曲線等加熱特性曲線（圖5）。在實(shí)際工程的模擬補(bǔ)口管段上測試中頻線圈的加熱情況，獲取補(bǔ)口區(qū)域的溫度分布情況和溫降曲線，使得加熱溫度和溫度持續(xù)時(shí)間滿足補(bǔ)口材料的極限可加熱溫度Tc和有效粘接溫度Tθ，有效加熱寬度與補(bǔ)口寬度匹配。同時(shí)應(yīng)記錄中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的參數(shù)，如電流、功率、線圈的匝數(shù)、距離等。在補(bǔ)口施工過程中，不得更換中頻感應(yīng)加熱設(shè)備；若更換設(shè)備或補(bǔ)口鋼管參數(shù)（如管徑、壁厚）發(fā)生變化，應(yīng)重新獲取其加熱特性曲線，確保中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱特性與補(bǔ)口材料的施工特性相匹配，確保補(bǔ)口施工質(zhì)量得到有效管控。

圖5 中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱線圈和溫度檢測Fig.5 Heating coil and temperature detection of mediamfrequency induction heating equipment

2.2 應(yīng)用效果

2017 年底，北京新機(jī)場項(xiàng)目供油工程津京第二輸油管道項(xiàng)目開始投入建設(shè)。由于該項(xiàng)目是國家的重點(diǎn)工程，管道埋設(shè)地區(qū)環(huán)境特殊，管道防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量將直接關(guān)系到北京新機(jī)場輸油管道的安全，因此采用數(shù)字化管理體系管控防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量。在防腐補(bǔ)口施工前，補(bǔ)口材料的施工特性和中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的加熱特性在實(shí)驗(yàn)室研究和PQT中得到有效驗(yàn)證，并將特征性參數(shù)文件提交給施工單位和監(jiān)理單位，以便指導(dǎo)現(xiàn)場補(bǔ)口施工和質(zhì)量管控。如圖6所示，防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理體系在北京新機(jī)場項(xiàng)目應(yīng)用中成效顯著，它完善了項(xiàng)目關(guān)鍵人員、機(jī)具設(shè)備的信息，實(shí)施了對人員、機(jī)具設(shè)備的信息化管控，有效提高了施工質(zhì)量管理水平，為今后全面實(shí)現(xiàn)油氣管道補(bǔ)口施工質(zhì)量數(shù)字化管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

在防腐補(bǔ)口施工過程中，補(bǔ)口施工質(zhì)量受到人、機(jī)、料、法、環(huán)、測諸多因素的影響，為了確保補(bǔ)口施工質(zhì)量，減少因不合理的施工工藝而導(dǎo)致防腐涂層失效，必須依托現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，建立防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的數(shù)字化管理體系。大數(shù)據(jù)的采集主要依靠施工前通過實(shí)驗(yàn)研究獲得補(bǔ)口材料（膠黏劑、無溶劑環(huán)氧漆和基材）的施工特性，然后根據(jù)所選的加熱設(shè)備在模擬補(bǔ)口的管段上進(jìn)行補(bǔ)口材料的安裝以獲取相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行PQT以確立有效施工工藝參數(shù)。通過大數(shù)據(jù)處理有效地實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)口施工質(zhì)量的控制。數(shù)字化管理體系的初步成功說明其具有可行性和重要性，將其推廣至更多管道建設(shè)項(xiàng)目中，有利于對補(bǔ)口施工質(zhì)量進(jìn)行全方位、科學(xué)、高效地管控，保證管道補(bǔ)口安全運(yùn)行。

圖6 北京新機(jī)場項(xiàng)目防腐補(bǔ)口施工質(zhì)量的管理體系Fig.6 Management system of anti-corrosive joint coating construction quality for the Beijing new airport project