海底管線用雙金屬復(fù)合管3LPP防腐質(zhì)量控制

盧衛(wèi)卓，劉 遲，2，魏亞秋

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）

0 前 言

近年來隨著海洋石油天然氣大規(guī)模的開采，海底管線敷設(shè)進(jìn)入了高速建設(shè)期，特殊的海洋環(huán)境要求選擇更耐腐蝕，但又相對經(jīng)濟(jì)的管材。雙金屬復(fù)合管集合了基管（碳鋼）優(yōu)良的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性以及襯管（耐腐蝕合金）的抗腐蝕性能，同時結(jié)合3LPP防腐技術(shù)進(jìn)行防腐，使管材整體的力學(xué)性能和內(nèi)外抗腐蝕能力完美結(jié)合。與普通3LPP防腐碳鋼鋼管相比，雙金屬復(fù)合管價格僅為其2倍左右（比整體耐蝕合金管造價低60%以上），但使用壽命卻可以延長5～7倍，且可以長期在80℃環(huán)境下服役[1-2]。因此，3LPP防腐雙金屬復(fù)合管在海底管線中將得到更加廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)已經(jīng)在南海敷設(shè)3LPP防腐雙金屬復(fù)合管30多千米。

1 雙金屬復(fù)合管特性

雙金屬復(fù)合管制造工藝的基本特征是將預(yù)加工好的薄壁不銹鋼等耐蝕襯管套入碳鋼管中，通過水壓、機(jī)械加壓或爆炸沖擊波使內(nèi)襯不銹鋼管機(jī)械貼合在碳鋼內(nèi)壁上，因此雙金屬復(fù)合管遭遇高溫或溫度急劇變化情況時，因碳鋼管和內(nèi)襯不銹鋼管膨脹系數(shù)不同就有分層傾向，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)鼓包現(xiàn)象，另外雙金屬復(fù)合管也會因應(yīng)力釋放而出現(xiàn)分層、鼓包等情況。

雙金屬復(fù)合管焊接比普通碳鋼管要求更加嚴(yán)格，特別是海洋環(huán)境的濕度大、鹽分高，海浪、暗涌等使焊接條件更加惡劣，這就對復(fù)合管管端的坡口、鈍邊等加工提出更高的要求。為了保障焊接質(zhì)量，復(fù)合管的管端使用不銹鋼焊絲在基管（碳鋼）堆焊4～6 mm后經(jīng)機(jī)械加工成符合要求的端面焊接坡口，因此管端尺寸精度要求較高。

2 復(fù)合管3LPP防腐質(zhì)量控制

2.1 防腐前準(zhǔn)備

2.1.1 原材料控制

原材料要選用具有相關(guān)生產(chǎn)資質(zhì)資信的公司，產(chǎn)品附有國家認(rèn)可實驗室出具的檢驗報告。環(huán)氧粉末、膠粘劑和聚丙烯各項指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于表1～表3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[3-5]，特別是環(huán)氧粉末應(yīng)選擇低溫型，建議固化時間≤3 min（210℃以下）；降低復(fù)合管預(yù)熱溫度，防止復(fù)合管分層、鼓包（目前雙金屬復(fù)合鋼廠家高溫試驗溫度為250℃）；聚丙烯建議選擇高密度材料，可以提高防腐層強(qiáng)度，降低滲水率，得到更好更久的防腐效果。

表1 環(huán)氧粉末各項指標(biāo)要求

表2 膠粘劑各項指標(biāo)要求

表3 聚丙烯各項指標(biāo)要求

2.1.2 雙金屬復(fù)合管油污處理及管端保護(hù)

一般復(fù)合管（特別是坡口）生產(chǎn)完畢會及時噴涂防銹油，這些油污在噴丸除銹時很難處理干凈，并且會污染鋼丸及涂敷作業(yè)線，使鋼管表面清潔度達(dá)不到要求，因此要用酒精或?qū)Ｓ们鍧崉┻M(jìn)行清除。

管端保護(hù)是復(fù)合管防腐過程最重要的環(huán)節(jié)，圖1所示為復(fù)合管的不銹鋼管端連接保護(hù)套以及外層碳鋼保護(hù)圈。如果復(fù)合管的端面坡口出現(xiàn)劃傷、碰傷及較嚴(yán)重的噴丸凹坑，必須使用專用設(shè)備進(jìn)行修復(fù)或返廠修復(fù)，確保在船上全自動氬弧焊接時端面坡口完好，降低對焊根部焊穿缺陷。

圖1 不銹鋼管端連接保護(hù)套

2.1.3 復(fù)合管表面預(yù)處理

防腐層的使用壽命依賴于表面處理的程度，如同選擇防腐層系統(tǒng)本身一樣重要[6]。防腐層的失效往往可歸咎于防腐層缺乏足夠的黏結(jié)力，如果表面黏結(jié)力不夠，在使用過程中底層環(huán)氧粉末就會因各種原因與鋼管表面分離，使氧化速度加快，防腐層失效，有時會出現(xiàn)外層PP或PE完好，扒開后鋼管表面已經(jīng)開始大面積腐蝕，究其原因就是鋼管表面預(yù)處理沒做好。

雙金屬復(fù)合管3LPP防腐同樣要進(jìn)行嚴(yán)格的表面預(yù)處理：表面灰塵度優(yōu)于GB/T 18570.3—2005等級2，表面粗糙度在60～100 μm，表面可溶性鹽分低于20 mg/㎡。要達(dá)到以上指標(biāo)，關(guān)鍵在于除銹過程，首先對復(fù)合管表面可溶性鹽分進(jìn)行測量，如果鹽分高于45 mg/㎡，就應(yīng)在安裝完管端保護(hù)后用高壓水槍進(jìn)行清洗，然后對復(fù)合管預(yù)熱，使其溫度在40～70℃進(jìn)行噴丸除銹。這里要注意鋼丸的選擇，目的是除掉鋼管表面氧化皮和鐵銹的同時產(chǎn)生符合要求的粗糙度，這就要求鋼丸的硬度在HRC40～HRC50，粒度在0.71～1.5 mm，磨料（鋼丸）電導(dǎo)率＜1 000 μs/cm，避免鹽分污染。在噴丸過程中，鋼丸速度、噴射角度以及復(fù)合管轉(zhuǎn)速均要匹配才能得到滿意的表面效果[7]。最后對處理完的復(fù)合管表面進(jìn)行檢測，確保每根復(fù)合管表面處理滿足要求。

2.1.4 復(fù)合管噴丸后管端處理

噴丸后檢測各項表面指標(biāo)滿足要求后，拆除復(fù)合管管端外層碳鋼保護(hù)圈，檢查不銹鋼管端連接保護(hù)套是否松動，如有松動用扳手上緊并裝上連接器（圖2），同時對管端125 mm進(jìn)行繞紙?zhí)幚?，避免管端被環(huán)氧粉末污染，保證管端預(yù)留長度。

圖2 復(fù)合管管端碳鋼連接器

2.2 雙金屬復(fù)合管3LPP防腐噴涂

2.2.1 FBE（環(huán)氧粉末）噴涂

噴涂前對雙金屬復(fù)合管進(jìn)行中頻加熱，使鋼管表面溫度在180～200℃，建議采用分段加熱，安裝2個或3個中頻加熱裝置，使雙金屬復(fù)合管溫度變化均勻。在確保不影響噴涂質(zhì)量的前提下，線速度越快越好，盡量縮短復(fù)合管高溫保留時間，降低內(nèi)襯不銹鋼與基管松脫風(fēng)險，建議運行線速度控制在0.045～0.051 m/s。根據(jù)FBE的膠化時間和固化時間，調(diào)整粉末噴槍距離及線速度，為確保噴涂均勻，噴槍布置尤為關(guān)鍵，一般是根據(jù)管徑大小按圓周六等分或八等分均勻分布，噴嘴指向鋼管橫截面虛擬圓心，距鋼管表面12～16 mm，建議不要在同一個鋼管橫截面上分布,而是分布在鋼管旋轉(zhuǎn)虛擬螺旋線上，噴涂壓力控制在（0.2±0.04）MPa并保持壓力穩(wěn)定，確保噴粉穩(wěn)定，F(xiàn)BE加熱到（210±5）℃開始噴涂。

2.2.2 AD（膠粘劑）控制

AD加熱溫度控制：加料段150～170℃，壓縮段170～200℃，均勻化段205～225℃，擠模溫度控制在210～220℃。擠壓力控制在（4.6±0.5）MPa，模頭擠出的膠粘劑應(yīng)為伸展極佳的帶狀，經(jīng)拉伸輥壓后纏繞在管體上，如擠出的膠層厚度小于200 μm，就應(yīng)調(diào)節(jié)模頭到鋼管表面距離或擠出量，要注意模頭到鋼管表面距離應(yīng)控制在70～75 cm，確保膠化帶不出現(xiàn)縮孔。搭膠時間應(yīng)控制在噴粉后13～18 s，確保涂膠過程是在FBE膠化和固化之間進(jìn)行。

2.2.3 PP（聚丙烯）控制

PP從靜態(tài)轉(zhuǎn)變到高彈態(tài)或黏流態(tài)取決于熔化溫度。PP沒有確定的熔化溫度，熔化過程發(fā)生在160～170℃，只有在接近熔點時，才熔融成黏流態(tài)。PP的熔融黏度對溫度比較敏感，因此PP擠出必須注意使擠出機(jī)達(dá)到足夠溫度，并且控制擠出溫度在一個較窄的范圍內(nèi)，才能保證均勻擠出[8-10]。PP加熱溫度控制：烘干段100℃，加料段100～150℃，擠塑段180～220℃，保溫均勻化段220～230℃，擠膜溫度控制在225～235℃。?？诰噤摴鼙砻婢嚯x控制在 65～80 cm，擠膜壓力控制在（12±1）MPa，PP層厚度控制在2.8～3.5 mm。

2.3 防腐后水冷

與碳鋼管防腐后水冷不同的是要注意水冷溫度控制，盡量延長有效水冷距離，淋水量沿復(fù)合管軸向、前進(jìn)方向逐漸加大，避免雙金屬復(fù)合管溫度急劇變化，最終冷卻至65℃以下停止淋水。

2.4 3LPP涂覆層各項指標(biāo)

檢測每班第1根及每40根復(fù)合管FBE層厚度是否在300～400 μm，檢測每根防腐層總厚度是否小于2.8 mm；每班第1根及每40根復(fù)合管兩端均進(jìn)行（23+3）℃軸向和環(huán)向剝離強(qiáng)度試驗，確保各項指標(biāo)符合要求；同時用風(fēng)管將復(fù)合管內(nèi)壁吹干，卸掉鋼管兩端碳鋼連接器和不銹鋼管端連接套，并用工具刀割掉兩端噴涂在繞紙上的防腐層。

2.5 復(fù)合管內(nèi)壁檢查

經(jīng)過噴砂釋放應(yīng)力、中頻高溫加熱及水冷溫度劇變作用，有可能引起內(nèi)襯不銹鋼管與碳管分層鼓包，因此，必須對每根鋼管進(jìn)行通徑和強(qiáng)聚光手電檢查，適度進(jìn)行內(nèi)窺鏡抽查。

2.6 復(fù)合管管端處理

圖3為復(fù)合管防腐管端預(yù)留示意圖。為方便焊接，每根鋼管管端必須預(yù)留130～135 mm裸管，通過電動砂輪進(jìn)行打磨，打磨時應(yīng)選用合適直徑的砂輪，砂輪直徑過大會使FBE涂層預(yù)留過長，打磨斜坡面加長，給海上焊接防腐帶來不便；砂輪直徑過小，容易打磨到復(fù)合管并且不能保證打磨角度小于30o，同時FBE涂層預(yù)留過?。ㄒ话悴恍∮?5 mm），容易使防腐層出現(xiàn)翹邊缺陷。根據(jù)經(jīng)驗一般選擇砂輪直徑在8～10 cm。打磨時復(fù)合管轉(zhuǎn)速應(yīng)均勻，軸跳動小于3 mm，砂輪以圓周12點位置平行鋼管軸線旋轉(zhuǎn)打磨，砂輪垂直方向應(yīng)具備一定柔性。

圖3 復(fù)合管防腐管端預(yù)留示意圖

復(fù)合管船上對接焊均為自動焊，根焊為單面焊雙面成形，是保障焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。如果管端剩磁量超過30 Gs就容易引起磁偏吹，造成根焊未焊透。因此每根雙金屬復(fù)合管兩端均要進(jìn)行剩磁檢測，剩磁量不能大于30 Gs，超標(biāo)的要用線圈消磁器進(jìn)行消磁處理。

管端保護(hù)時應(yīng)對每根鋼管兩端130 mm范圍噴涂水性防銹油，并安裝橡膠或塑料保護(hù)套同時用膠帶密封，3LPP雙金屬復(fù)合管成品如圖4所示。

圖4 3LPP雙金屬復(fù)合管成品

3 結(jié)論

按照上述參數(shù)和控制方法，在具體項目的實施過程中，基本未出現(xiàn)內(nèi)襯管與基管松脫、鼓包現(xiàn)象，防腐各項質(zhì)量指標(biāo)特別是附著力、陰極剝離試驗和剝離強(qiáng)度大大優(yōu)于技術(shù)條件要求，23℃剝離強(qiáng)度均大于245 N/cm，100℃高溫剝離強(qiáng)度達(dá)到100 N/cm，PP斷裂伸長率大于750%，28天23℃FBE涂層陰極剝離2mm，整體涂層28天80℃陰極剝離6mm。

雙金屬復(fù)合管3LPP防腐與普通碳鋼管3LPP防腐質(zhì)量控制相比，除防腐原材料、鋼管表面預(yù)處理、生產(chǎn)檢驗、管端打磨等質(zhì)量控制外，建議采取以下質(zhì)量控制：

（1）防腐全過程管端保護(hù)；

（2）采用分段預(yù)熱，使用2個或3個中頻加熱器逐步使雙金屬復(fù)合管表面溫度達(dá)到環(huán)氧粉末噴涂要求，盡量使溫度緩慢變化，降低內(nèi)襯管與基管松脫風(fēng)險；

（3）水冷時機(jī)、水冷溫度及水量控制；

（4）防腐后進(jìn)行內(nèi)壁空壓機(jī)風(fēng)干、通徑檢驗、內(nèi)窺鏡檢驗、管端水性防銹油噴涂及保護(hù)套安裝密封。

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