長輸管道熱收縮帶補口失效分析及優(yōu)化改進技術

王玉石，白天陽，劉詩茵，蔡亮，劉海龍，呂林林

（1. 中石油天然氣銷售河南分公司，河南 鄭州，450000）

（2. 中油國際管道有限公司，北京，100029）

（3. 中航油京津冀物流有限公司，天津，300300）

（4. 國家管網(wǎng)集團北方管道有限責任公司秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

（5. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

1 前言

防腐補口是管道腐蝕防護系統(tǒng)的關鍵程序和薄弱環(huán)節(jié)，直接影響管道運行安全和使用壽命。相對管道干線防腐層在工廠預制，管道補口在現(xiàn)場完成，受制于施工環(huán)境條件等影響因素，補口防腐層質量不能完全保證。提高管道防腐補口質量，可以延長在役管道使用壽命。分析了熱收縮帶補口施工難點和失效原因。針對提高管道防腐補口質量，提出合理化建議和技術措施，并對未來新型補口材料需求及技術創(chuàng)新進行了展望。

2 熱收縮帶（套）材料補口

從20世紀90年代三層聚乙烯（3PE）成為歐洲管道防腐層主流形式。3PE防腐層具有良好機械性能、耐滲透性能和易加工性等優(yōu)點，從2002年陜京線采用3PE防腐層，我國新建大型油氣管道廣泛采用3PE防腐層，配套補口型式為“環(huán)氧底漆+熱熔膠粘劑+交聯(lián)輻射聚乙烯熱收縮帶”三層復合結構。施工工藝為補口區(qū)域鋼管表面處理至規(guī)定等級，搭接處管體PE層進行毛化處理，預熱補口區(qū)域后涂刷環(huán)氧底漆，采用烘烤方式將熱收縮帶固定在補口區(qū)域。

3 熱收縮帶補口失效形式及原因分析

調研國內管道熱收縮帶補口應用出現(xiàn)失效問題，主要失效形式是界面密封性能失效；其次防腐層發(fā)生損傷或剝離，可能產(chǎn)生陰極保護電流屏蔽問題，影響陰極保護效果。熱收縮帶失效主要是兩方面原因，熱收縮帶及配套產(chǎn)品性能不滿足防腐補口工藝要求；現(xiàn)場環(huán)境條件限制以及施工過程質量控制不嚴格，例如由于人工火焰烘烤安裝方式受施工現(xiàn)場環(huán)境和工人技術素質影響，不能完全保證質量。

3.1 底漆從鋼管表面脫落

3PE管道補口底漆是雙組份液態(tài)環(huán)氧樹脂，涂刷底漆前，鋼管表面進行處理。底漆從鋼管表面脫落，可能是以下原因：

（1）表面處理不佳。未對鋼管表面進行有效噴砂除銹；噴砂過程混入雜質，降低環(huán)氧樹脂和鋼管的粘結效果；噴砂形成的表明錨紋深度不夠或者深度不均勻。

（2）環(huán)氧底漆混合不均勻、固化不完全。

（3）環(huán)氧底漆添加劑含量過高，降低了對鋼管粘結強度。

（4）底漆加熱快速固化產(chǎn)生較大內應力，造成底漆和鋼管附著力下降；

3.2 熱熔膠粘劑與環(huán)氧底漆粘結失效

熱熔膠粘劑在3PE管道補口中起到密封作用，經(jīng)加熱將熱收縮帶和焊口兩側的環(huán)氧底漆層緊密粘結，同時實現(xiàn)與搭接部位主管道PE層的粘結。熱熔膠粘劑對底漆和主管道PE層的粘結強度是影響補口質量的關鍵因素，良好粘結效果才能保證兩側管線的焊接部位與空氣/土壤隔離，防止發(fā)生腐蝕。熱熔膠粘劑與環(huán)氧底漆粘結失效原因分析如下：

（1）預熱溫度不合理。預熱溫度過低，環(huán)氧底漆固化反應不完全，膠層不能完全熔化，影響膠粘劑復合效果；預熱溫度過高，環(huán)氧底漆已完全固化，膠粘劑不能與環(huán)氧底漆產(chǎn)生物理化學反應，影響界面性能。

（2）熱熔膠粘劑成分與環(huán)氧底漆不匹配。熱熔膠粘劑如含有丁基橡膠或EVA樹脂，極性較弱，環(huán)氧底漆極性較強，二者性能差異大，粘結性能差。

（3）施工中加熱過程不均勻，熱熔膠粘劑熔化不均勻，影響膠粘劑與環(huán)氧底漆粘結效果。

3.3 熱熔膠粘劑與主管道PE層粘結失效

熱收縮帶與管體搭接防腐層及補口區(qū)鋼管表面粘接不良，剝離脫落造成防護失效。原因分析如下：

（1）熱收縮帶整體烘烤不均勻，例如只對熱收縮帶端部烘烤，導致中部熱熔膠與主管道PE層粘結效果差。

（2）熱熔膠粘劑中非極性組分含量低，導致與非極性聚乙烯基材粘結效果差。

（3）主管道PE層含有雜質影響粘結效果。

4 熱收縮帶補口技術改進優(yōu)化

國外管道防腐層技術發(fā)展趨勢主要是持續(xù)改進3PE、DFBE防腐層材料結構和施工工藝[1]，這也是管道防腐補口的發(fā)展方向。建議從改進熱熔膠粘劑性能、研制專用補口工具、優(yōu)化施工工藝和完善標準規(guī)范方面加以改進。

（1）熱熔膠粘劑/環(huán)氧底漆改性提升流動性和粘結性能。熱收縮帶防腐補口三種失效形式其中兩種和熱熔膠粘劑有關，熱熔膠粘劑與環(huán)氧底漆和主管道PE層粘結失效。改進熱熔膠粘劑性能是提升補口質量的關鍵。環(huán)氧底漆含多種極性集團，易于和熱熔膠粘劑粘結；PE層缺乏極性集團，難以形成較長附著力。應研究優(yōu)化熱熔膠粘劑中極性/非極性組分的比例匹配，提高對環(huán)氧底漆/PE層的截面粘結性能。另一方面，管道補口材料受外力因素較多，例如溫度變化熱應力、土體移動剪切應力對粘結截面造成不利影響，熱熔膠粘劑應剔除小分子組分（例如萜烯樹脂），小分子遷移產(chǎn)生額外應力降低粘結界面強度。熱熔膠粘劑應考慮組分分子量的多樣分散性，寬分子量分布有助于緩沖軸向應力作用。

（2）研制多類型管道補口專用機械機具，例如移動式中頻加熱機、LPG催化燃燒紅外補口加熱機、環(huán)保型自動噴砂除銹設備、高壓無氣聚氨酯自動噴涂機，減少人為因素影響，保證補口施工質量和規(guī)范化。

（3）從優(yōu)化施工工藝方面，可在一定程度提高補口質量。首先改進加熱方式，以機具加熱替代烘烤加熱，或者采用紅外或者中頻輻射加熱方式保障管體受熱均勻，必要時可以精準控制管體加熱溫度，預防預熱不足或者過熱問題。其次，嚴格監(jiān)督鋼管表面處理、噴砂除銹、預熱、刷涂底漆、纏熱收縮帶等環(huán)節(jié)施工質量。補口施工人員應完成技術培訓、持證上崗，加強施工人員責任心和質量意識。

（4）從完善管道防腐補口標準規(guī)范方面，我國已制定國家標準GB/T 51241-2017《管道外防腐補口技術規(guī)范》，注重補口整體性能但對材料質量關注較少，補口適用范圍和系統(tǒng)性評價還需改進，應進一步細化補口材料類型、結構設計、選用依據(jù)、涂覆工藝評定和質量性能檢驗等內容。

（5）我國長輸管道選擇補口形式設計方案有限，特別是高寒、山區(qū)、水網(wǎng)等特殊環(huán)境缺乏靈活性，管道防腐補口材料兼具優(yōu)缺點和特定應用范圍，選擇補口材料、技術和方式應實地調研管道腐蝕環(huán)境，充分考慮補口施工條件和環(huán)境特點。

5 新型防腐補口材料研發(fā)展望

由于補口技術在管道全生命周期各階段的重要性，國外管道建設中應用了性能優(yōu)異的特殊類型的防腐補口材料，研發(fā)新型補口材料主要考慮環(huán)保、施工工藝、經(jīng)濟等方面的需求，例如液態(tài)聚氨酯補口材料較好解決熱收縮帶在低溫條件下性能不足問題，液體補口材料成為重要發(fā)展方向。陶瓷、搪瓷和玻璃涂層則具有耐熱、抗寒、抗老化、使用壽命長等突出特征，無機防腐涂層技術也占據(jù)一席之地。其他新型防腐補口材料包括與多種防腐層兼容性強的聚丙烯冷纏膠黏帶補口；具備較強自愈性的“黏彈體+外護帶”補口等。