管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)發(fā)展和趨勢

那驥宇，赫連建峰，李愛貴，劉金霞，徐翠竹，孔憲剛

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)發(fā)展和趨勢

那驥宇，赫連建峰，李愛貴，劉金霞，徐翠竹，孔憲剛

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

補(bǔ)口是管道腐蝕控制系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，補(bǔ)口技術(shù)的發(fā)展一直伴隨著管體防腐技術(shù)的進(jìn)步，同時還需滿足現(xiàn)場涂裝施工的應(yīng)用要求。回顧了在不同歷史時期管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)的代表類型及發(fā)展歷程，介紹了當(dāng)前補(bǔ)口技術(shù)的現(xiàn)狀特點(diǎn)及應(yīng)用情況，展望了未來補(bǔ)口技術(shù)的創(chuàng)新趨勢及改進(jìn)需求，建議在選擇補(bǔ)口材料和技術(shù)方式時應(yīng)進(jìn)行詳盡的管道腐蝕環(huán)境調(diào)查，充分考慮補(bǔ)口的施工條件和應(yīng)用環(huán)境，以及補(bǔ)口防腐層與管體防腐層的相容性；在材料的研發(fā)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、性能的檢驗(yàn)、質(zhì)量的控制等方面均應(yīng)對相關(guān)補(bǔ)口形式的現(xiàn)場施工性能予以關(guān)注并明確要求，從而為補(bǔ)口質(zhì)量的全面提升提供保障。

補(bǔ)口；熱收縮材料；液體聚氨酯；液體環(huán)氧；黏彈體

補(bǔ)口是指對管道連接區(qū)域進(jìn)行涂裝，從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域腐蝕防護(hù)的技術(shù)操作。管道補(bǔ)口一般是在現(xiàn)場完成，受作業(yè)環(huán)境和施工條件制約，相對于在現(xiàn)代化預(yù)制工廠中生產(chǎn)的管體防腐層，補(bǔ)口防腐層的質(zhì)量受不確定因素影響較大，使補(bǔ)口成為管道腐蝕控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1]。補(bǔ)口防腐層的選用一般遵循與管體防腐層“一致性”的原則，即應(yīng)選擇與管體防腐層相同或相近，具有良好相容性的防腐材料及產(chǎn)品[2]。

1 管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)的發(fā)展

補(bǔ)口作為管道防腐系統(tǒng)工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大致可細(xì)分為以下幾個階段：

1.1 瀝青基材料補(bǔ)口

20世紀(jì)70年代以前，管道補(bǔ)口主要采用瀝青基防腐材料，補(bǔ)口形式包括：現(xiàn)場熱澆涂石油瀝青（或煤焦油瓷漆）加纏玻璃布，薄涂多層的瀝青熱澆涂補(bǔ)口（國內(nèi)應(yīng)用較廣，國外很早被淘汰）；現(xiàn)場進(jìn)行加熱操作，同時纏繞浸涂過石油瀝青（或煤焦油瓷漆）的玻璃纖維氈纏帶的熱澆瀝青纏帶補(bǔ)口（國外有一定應(yīng)用，國內(nèi)無規(guī)模化應(yīng)用）；現(xiàn)場直接涂裝環(huán)氧煤瀝青漆，加纏玻璃布，薄涂多層的冷涂環(huán)氧煤瀝青補(bǔ)口等。此類材料由于在生產(chǎn)及使用過程中對環(huán)境缺乏友好性，近年來已基本退出了管道補(bǔ)口領(lǐng)域[3]。

1.2 熔結(jié)環(huán)氧粉末補(bǔ)口

20世紀(jì)70年代，美國阿拉斯加管道的建設(shè)，使熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）成為這一階段最成功的防腐層，F(xiàn)BE補(bǔ)口技術(shù)也隨之發(fā)展。FBE補(bǔ)口的涂裝與其管體防腐層的廠內(nèi)預(yù)制基本相同，即現(xiàn)場對待補(bǔ)口區(qū)域進(jìn)行噴砂除銹，再靜電加熱噴涂環(huán)氧粉末；因地形等原因不能進(jìn)行熱噴涂的場合，可使用液態(tài)環(huán)氧涂料進(jìn)行現(xiàn)場涂刷補(bǔ)口，但此方法得到的補(bǔ)口防腐層比熱噴涂環(huán)氧粉末得到的FBE性能降低很多。為了彌補(bǔ)FBE在使用溫度和抗機(jī)械損傷方面的不足，雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（DFBE）防腐層得到快速發(fā)展，與之相匹配的DFBE補(bǔ)口技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。目前，在北美地區(qū)的管道建設(shè)中，F(xiàn)BE防腐層及其補(bǔ)口技術(shù)仍占主導(dǎo)地位[4]。

1.3 熱塑性防腐材料補(bǔ)口

20世紀(jì)90年代起，依托塑料工業(yè)的發(fā)展并結(jié)合FBE的應(yīng)用優(yōu)勢，三層聚乙烯（3PE）結(jié)構(gòu)在歐洲地區(qū)成為了管道防腐層的主要形式，防腐進(jìn)入熱塑性材料時代。我國從陜京線開始引進(jìn)3PE防腐層并取得良好效果，在2002年以后的新建大型及重要管道工程中，幾乎均首選3PE防腐層，這些管道工程的補(bǔ)口大多采用“環(huán)氧底漆+熱收縮帶”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)[5]。此類補(bǔ)口操作是在現(xiàn)場先將待補(bǔ)口區(qū)域鋼管表面處理至規(guī)定等級，并將搭接處的管體PE層進(jìn)行毛化處理，預(yù)熱補(bǔ)口區(qū)域后涂刷配套環(huán)氧底漆，底漆涂刷完成后采用烘烤的方式將熱收縮帶固定在補(bǔ)口區(qū)域完成安裝。

1.4 其他類型材料補(bǔ)口

近年來，一些性能優(yōu)良的補(bǔ)口形式在管道建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)模的應(yīng)用，例如：能夠有效彌補(bǔ)熱收縮材料在低溫施工方面不足并能與管體防腐層良好匹配的液體聚氨酯補(bǔ)口；施工過程無需加熱、操作方便且與多種管體防腐層兼容的聚乙烯（聚丙烯）冷纏膠黏帶補(bǔ)口；耐水氣密閉性良好且具備較強(qiáng)自愈性的“黏彈體+外護(hù)帶”補(bǔ)口；以及噴涂聚脲彈性體材料補(bǔ)口、聚合物網(wǎng)絡(luò)涂層補(bǔ)口、無機(jī)陶瓷非金屬材料補(bǔ)口等[6-8]。

2 管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)的現(xiàn)狀

管道補(bǔ)口隨著管體防腐技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步而發(fā)展創(chuàng)新，在性能優(yōu)良的傳統(tǒng)補(bǔ)口不斷完善的同時，新型多元化的補(bǔ)口也得到了推廣和應(yīng)用，以下選取具有代表性的幾類分別介紹。

2.1 聚烯烴熱收縮材料補(bǔ)口

上世紀(jì)中后期，高分子交聯(lián)技術(shù)的發(fā)展成就了聚烯烴熱收縮材料，目前常見的是聚乙烯類和聚丙烯類。其中，聚乙烯類熱收縮材料根據(jù)基材的差異可細(xì)分為普通聚乙烯類、高密度聚乙烯類、纖維增強(qiáng)聚乙烯類等；根據(jù)膠黏劑的不同可細(xì)分為瑪蹄脂膠型、壓敏膠型、熱熔膠型，前兩種類型一般無需底漆配套使用，其余類型一般均會配套底漆。憑借與主流3PE防腐層高度一致的結(jié)構(gòu)特性，“環(huán)氧底漆+輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)是目前管道建設(shè)中應(yīng)用范圍最廣、補(bǔ)口數(shù)量最多的補(bǔ)口形式；聚丙烯類熱收縮材料則憑借其良好的耐熱、耐化學(xué)、抗機(jī)械損傷等性能，在海洋管道等極端施工條件和運(yùn)行工況的環(huán)境中得到了一定應(yīng)用[9]。

作為目前最主流的補(bǔ)口形式，熱收縮帶補(bǔ)口具有綜合性能優(yōu)異、與管體防腐層深度兼容、抗陰極剝離性能強(qiáng)、補(bǔ)口施工操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。但此類補(bǔ)口在應(yīng)用中亦出現(xiàn)了一些問題，主要表現(xiàn)在：①熱收縮帶與管體搭接防腐層及補(bǔ)口區(qū)鋼管表面粘結(jié)不良，剝離脫落造成防護(hù)失效；②底漆加熱快速固化產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力造成其與鋼管附著力下降；③防腐層發(fā)生損傷或剝離時可能發(fā)生陰極電流屏蔽現(xiàn)象，影響陰極保護(hù)效率；④人工火焰烘烤安裝方式受現(xiàn)場環(huán)境和工人素質(zhì)影響較大，無法保證質(zhì)量。針對這些問題，相關(guān)從業(yè)者從熱收縮材料配套膠黏劑、環(huán)氧底漆等材料改進(jìn)，以及補(bǔ)口專用機(jī)具的現(xiàn)場應(yīng)用方面進(jìn)行了系列研究，使相關(guān)問題得到改善[10-11]。

2.2 液體涂料補(bǔ)口

液體涂料補(bǔ)口主要包括液體聚氨酯補(bǔ)口和液體環(huán)氧補(bǔ)口兩種形式。

2.2.1 液體聚氨酯補(bǔ)口

液體聚氨酯補(bǔ)口的材料為由多元醇化合物和異氰酸酯（或其預(yù)聚物）組成的雙組份涂料，一般不含揮發(fā)性溶劑，根據(jù)涂裝操作的不同分為噴涂型和刷涂型，目前采用較多的是無氣噴涂和機(jī)械自動噴涂的作業(yè)方式，可在較低溫度下施工，可一次成膜至期望厚度。

液體聚氨酯補(bǔ)口防腐層具有良好的抗機(jī)械損傷性、持久的化學(xué)穩(wěn)定性、牢固的粘結(jié)能力，無陰極屏蔽現(xiàn)象，在使用中能與3PE防腐層良好兼容，被認(rèn)為是極有應(yīng)用潛力的補(bǔ)口形式。近年來聚氨酯補(bǔ)口的發(fā)展極為迅猛，累計補(bǔ)口數(shù)量已經(jīng)超過了200萬個，主要應(yīng)用于歐洲、非洲、中東及俄羅斯的管道建設(shè)，我國在西二線輪南-吐魯番支干線上進(jìn)行了實(shí)踐，在西三線工程中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用[12]。目前，該補(bǔ)口形式的主要問題是原材料及工程費(fèi)用偏高，且對專用設(shè)備的依賴程度較高。

2.2.2 液體環(huán)氧補(bǔ)口

液體環(huán)氧補(bǔ)口材料是以低分子量改性液態(tài)環(huán)氧樹脂為主要成膜成分的液態(tài)環(huán)氧涂料，通過活性稀釋增韌劑的添加實(shí)現(xiàn)無溶劑化并提升柔韌性，屬于快速固化雙組份涂料。這類涂料可在常溫下進(jìn)行手工刷涂或機(jī)械噴涂且無需對鋼管進(jìn)行加熱操作，施工過程環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)，環(huán)境適用性強(qiáng)。

液體環(huán)氧補(bǔ)口防腐層具有涂裝簡單、修補(bǔ)容易、材料價格低、可流水作業(yè)、無陰極屏蔽等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)在于環(huán)氧涂料與塑料類防腐層表面的粘結(jié)牢固性無法保證，易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，該性能有待加強(qiáng)。在應(yīng)用方面，國外的阿塞拜疆和格魯吉亞管道工程是世界上首次大規(guī)模使用液體環(huán)氧補(bǔ)口的案例，我國在廣東LNG管道工程中亦采用了此類補(bǔ)口形式[13]。

2.3 環(huán)氧粉末補(bǔ)口

熔結(jié)環(huán)氧粉末補(bǔ)口是管道的首選補(bǔ)口形式，此類補(bǔ)口操作就是將FBE的工廠預(yù)制作業(yè)線搬到了管道建設(shè)現(xiàn)場，用相同的工藝對補(bǔ)口區(qū)域進(jìn)行環(huán)氧粉末噴涂，根據(jù)成膜時噴涂次數(shù)的不同可分為單層熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE）和雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（DFBE）。這類防腐層的優(yōu)點(diǎn)是粉末熔結(jié)充分，具有較好的粘結(jié)力，能夠與管體防腐層良好兼容；缺點(diǎn)是對現(xiàn)場噴涂條件和施工環(huán)境要求極為苛刻，對專用機(jī)具和工藝控制要求嚴(yán)格，施工影響因素較多。該技術(shù)在北美地區(qū)的管道中應(yīng)用較多，國內(nèi)僅在部分河流穿跨越管段有所使用。

隨著近年來國外在FBE現(xiàn)場噴涂技術(shù)方面的研究進(jìn)展，補(bǔ)口FBE與管體防腐層的兼容性和一致性得到加強(qiáng)，提高了FBE補(bǔ)口效率的同時也擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域，陸續(xù)出現(xiàn)了“FBE+改性PE”、“FBE+復(fù)合PP”、“FBE+噴涂粉末膠黏劑+火焰噴涂PP”等復(fù)合結(jié)構(gòu)的補(bǔ)口形式，并在中東水下油氣管道、西歐北海深水天然氣項(xiàng)目等深水管道建設(shè)中進(jìn)行了工程實(shí)踐，使得“FBE+改性/復(fù)合聚烯烴”結(jié)構(gòu)成為我國深水油氣管道補(bǔ)口的一個重要發(fā)展方向[14-15]。

2.4 黏彈體膠黏帶補(bǔ)口

黏彈體是一類具有冷流特性且永不固化的高分子聚合物，其對應(yīng)力的響應(yīng)兼具彈性固體和黏性流體的雙重特性，將其復(fù)合在聚乙烯等基膜上即制成黏彈體膠黏帶，外加PVC膠帶、熱收縮帶、玻璃鋼等外護(hù)層可制成多種類型的黏彈體補(bǔ)口結(jié)構(gòu)。

黏彈體的冷流特性使其能夠在補(bǔ)口區(qū)域?qū)崿F(xiàn)良好的全覆蓋粘結(jié)，有效阻斷水汽和空氣的侵入，實(shí)現(xiàn)良好的水密性和氣密性；黏彈體具有良好的抗蠕變性能，能充分適應(yīng)管道的敷設(shè)方式，在防腐層受到?jīng)_擊、劃傷等破壞時具有優(yōu)異的自愈性；黏彈體進(jìn)行補(bǔ)口時，對鋼管表面處理要求不高，手工除銹后即可進(jìn)行纏繞、保護(hù)等操作。此類補(bǔ)口的缺點(diǎn)在于不適用于較高溫度，黏彈體對被粘面的粘結(jié)力值很低，且自身的機(jī)械強(qiáng)度也較低，必須采用合適的外護(hù)提升其整體性能。黏彈體在場站管、彎頭、法蘭等異形管件防腐和在役管道修復(fù)中應(yīng)用較多；新建管道補(bǔ)口方面，唐山LNG、西氣東輸、川氣東送等工程均有大量應(yīng)用[16]。

3 管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)的趨勢

根據(jù)近年來管道建設(shè)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和防腐技術(shù)的發(fā)展，管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面。

3.1 改進(jìn)優(yōu)化現(xiàn)有補(bǔ)口技術(shù)

目前國際上管道防腐層的主流發(fā)展趨勢是對現(xiàn)有防腐結(jié)構(gòu)（主要是3PE、DFBE）的持續(xù)改進(jìn)，同時對施工工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化，補(bǔ)口技術(shù)的發(fā)展亦該順應(yīng)此趨勢。例如，在材料改進(jìn)方面，對熱收縮材料熱熔膠進(jìn)行改性，在保證其粘結(jié)能力的前提下，增加其流動性以提升施工性能；對配套底漆進(jìn)行改性，提升其對鋼管防腐性能的同時強(qiáng)化其與熱收縮材料的粘結(jié)性能；對FBE表面進(jìn)行改性制成粗糙防腐層，有效預(yù)防敷設(shè)、吊裝、穿越等環(huán)節(jié)中發(fā)生損傷。另一方面，各種補(bǔ)口形式都在推進(jìn)機(jī)械化施工，如移動式中頻加熱機(jī)、LPG催化燃燒紅外補(bǔ)口加熱機(jī)、環(huán)保型自動噴砂除銹設(shè)備、高壓無氣聚氨酯自動噴涂機(jī)等專用補(bǔ)口機(jī)具的研發(fā)、推廣和應(yīng)用將有利于減少人為不確定性對補(bǔ)口質(zhì)量的影響，保證補(bǔ)口質(zhì)量的穩(wěn)定[17-18]。

3.2 研發(fā)新型補(bǔ)口材料

在倡導(dǎo)綠色發(fā)展的當(dāng)下，相關(guān)材料的研發(fā)要綜合考慮環(huán)保、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各方面因素。例如：液體聚氨酯和液體環(huán)氧在補(bǔ)口領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢促進(jìn)著液體補(bǔ)口材料的發(fā)展，相關(guān)研發(fā)和應(yīng)用從環(huán)境、性能、施工等方面均須符合要求；陶瓷涂層、搪瓷涂層、玻璃涂層等憑借其耐熱、抗寒、抗老化、年限久等優(yōu)點(diǎn)使無機(jī)防腐涂層得到了業(yè)內(nèi)的關(guān)注[19]，也促進(jìn)了防腐層選材從有機(jī)高分子向無機(jī)化合物領(lǐng)域的擴(kuò)展；針對低溫施工的需求，采用氨基化合物與異氰酸酯，以高壓噴涂的方式形成彈性聚脲涂層，具有良好理化性能，如能提升堿性環(huán)境下的抗陰極剝離性，該涂層將有良好應(yīng)用前景；聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)涂層（PNC）中的聚烯烴和環(huán)氧樹脂協(xié)同作用使其不需要膠黏劑就能實(shí)現(xiàn)對粘結(jié)表面的優(yōu)異附著，使現(xiàn)場補(bǔ)口與預(yù)制管體防腐層形成完整密閉。

3.3 補(bǔ)口質(zhì)量控制統(tǒng)一規(guī)范化

目前我國尚沒有綜合性的補(bǔ)口國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)口的質(zhì)量檢驗(yàn)依據(jù)主要是來源于相應(yīng)管體防腐層標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，部分補(bǔ)口形式甚至缺乏相應(yīng)的檢驗(yàn)指標(biāo)、要求和方法，這種情況導(dǎo)致相關(guān)項(xiàng)目在進(jìn)行補(bǔ)口形式選擇時設(shè)計方案極為有限，缺乏靈活性且難以實(shí)現(xiàn)有效的質(zhì)量控制[20]；國外雖然也有關(guān)于管道補(bǔ)口的技術(shù)規(guī)范[21-23]，但由于標(biāo)準(zhǔn)體系的不同，大多比較注重補(bǔ)口整體性能而對材料關(guān)注不足，存在系統(tǒng)性評價缺乏、源頭質(zhì)控困難、適用范圍較窄等問題，難以有效對我國的工程實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)。因此，借鑒國際綜合性補(bǔ)口標(biāo)準(zhǔn)的最新成果和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)管道建設(shè)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，我國正在進(jìn)行綜合性管道補(bǔ)口標(biāo)準(zhǔn)的編制，從補(bǔ)口材料類型和結(jié)構(gòu)、補(bǔ)口選用依據(jù)、涂覆工藝評定、質(zhì)量檢驗(yàn)等方面做出明確規(guī)定，實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)口的系統(tǒng)化質(zhì)量控制。

4 結(jié)束語

隨著科技和工業(yè)的進(jìn)步，管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，各類補(bǔ)口材料和結(jié)構(gòu)都同時兼具明顯優(yōu)缺點(diǎn)，并限定了適用范圍。因此，在選擇補(bǔ)口材料和技術(shù)方式時應(yīng)進(jìn)行詳盡的管道腐蝕環(huán)境調(diào)查，充分考慮補(bǔ)口的施工條件和應(yīng)用環(huán)境，以及其與管體防腐層的相容性；同時，因?yàn)檠a(bǔ)口防腐層要滿足現(xiàn)場涂裝施工的應(yīng)用要求，故在材料的研發(fā)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、性能的檢驗(yàn)、質(zhì)量的控制等方面均應(yīng)對相關(guān)補(bǔ)口形式的現(xiàn)場施工性能予以關(guān)注并明確要求，從而為補(bǔ)口質(zhì)量的全面提升提供保障。

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Discussion on development offield joint coatings for pipelines

NAJiyu，HELIAN Jianfeng，LIAigui，LIU Jinxia，XU Cuizhu，KONG Xiangang
CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China

As a key node but also as a weakness for corrosion control systems of pipelines，the technology of field joint coatings is developed along with the progress of pipeline anticorrosion technology.In the meantime，the requirements of field constructions are satisfied.In this paper，the past history，the present situation and future trends of the technology of field joint coatings are introduced separately.Some useful proposals for material and technique selection are given，which involve detailed pipeline corrosion environment investigation，sufficient consideration on construction conditions，application environment and compatibility between field joint coating layer and anticorrosion layer of pipeline；paying close attention to field construction performance of related joint coating form with respect to material research and development，structuraldesign，performance inspection and quality control，and giving corresponding definite requirements.

field joint coating；heat-shrinkable material；liquid polyurethane；liquid epoxy；viscoelastic material

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.001

那驥宇（1986-），男，云南大理人，工程師，2012年畢業(yè)于天津理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事防腐保溫產(chǎn)品的檢測研究和質(zhì)量控制工作。Em ail：najiyu@cnpc.com.cn

2016-12-10；

2017-01-04