海底管道內(nèi)表面整體預(yù)處理技術(shù)研究

苗 升

中石化勝利油建工程有限公司，山東東營 257073

管道的整體內(nèi)防腐技術(shù)包括整體預(yù)處理技術(shù)與整體涂層涂敷技術(shù)，其主旨是在海底管道內(nèi)壁一次涂敷一層完整的內(nèi)防腐層，提高管道內(nèi)防腐整體質(zhì)量。防腐層涂敷之前，管道內(nèi)表面的清潔度至關(guān)重要，直接影響后續(xù)的涂層質(zhì)量。因此，海底管道內(nèi)表面的整體預(yù)處理技術(shù)是防腐層涂敷前的重要步驟，也是防腐層涂敷質(zhì)量的重要保證。

管道的整體內(nèi)防腐技術(shù)是在管道內(nèi)壁擠涂技術(shù)[1]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前該技術(shù)在國外已廣泛應(yīng)用于陸上長輸管道的內(nèi)涂層修復(fù)，但是對于海底管道，該技術(shù)的應(yīng)用尚不廣泛，從公開資料上僅能查閱到少數(shù)幾例將整體內(nèi)防腐技術(shù)應(yīng)用于海底管道的施工案例。從國內(nèi)來看，只有少數(shù)幾家單位聲稱具備陸地管道整體內(nèi)防腐施工能力，但其施工工藝和技術(shù)水平與國外相比尚有很大差距。

由于海底管道施工工況的特殊性，傳統(tǒng)的管道內(nèi)防腐施工工藝在很多情況下已經(jīng)無法滿足新建海底管道的質(zhì)量要求。海底管道整體內(nèi)防腐技術(shù)是未來管道防腐施工技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，該項技術(shù)的研究和推廣，將填補(bǔ)國內(nèi)海底管道防腐施工領(lǐng)域的一項空白，提高我國企業(yè)技術(shù)實(shí)力和市場競爭力，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文采用理論研究與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了海底管道內(nèi)表面預(yù)處理技術(shù)，主要包括管道內(nèi)表面化學(xué)清洗預(yù)處理工藝、與工藝相配套的工裝設(shè)備以及專用清洗藥劑配方。

1 管道內(nèi)表面預(yù)處理工藝及配套工裝設(shè)備的研究

管道內(nèi)表面預(yù)處理工藝一般包括機(jī)械清潔和化學(xué)清洗[2-3]兩部分。機(jī)械清潔過程即用清管球?qū)⒐腆w雜質(zhì)從管內(nèi)推出，此為常規(guī)做法，不再贅述。本文將重點(diǎn)介紹化學(xué)清洗工藝。

1.1 管道內(nèi)表面化學(xué)清洗工藝研究

1.1.1 清洗工藝系統(tǒng)組成

根據(jù)海底管道整體內(nèi)防腐預(yù)處理及涂敷工藝的需求，對專用施工裝備的工藝流程進(jìn)行了專門設(shè)計，最終形成了如圖1和圖2所示的現(xiàn)場設(shè)備的工藝流程。

圖1 管道首端工藝流程

圖2 管道末端工藝流程

該工藝系統(tǒng)既能用于機(jī)械清潔、化學(xué)清洗，還能用于后續(xù)的防腐層涂敷，即該工藝系統(tǒng)可用于管道內(nèi)防腐施工的整個過程。該工藝系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于不需利用泵來注入化學(xué)藥劑，避免了化學(xué)清洗使用的腐蝕性藥劑對輸送泵造成腐蝕。該工藝系統(tǒng)在化學(xué)品混合罐的頂端設(shè)置一套真空吸引裝置，通過壓縮空氣氣流在化學(xué)品混合罐中制造真空或正壓，從而實(shí)現(xiàn)液體的自動吸入和排出。

1.1.2 清洗施工流程

化學(xué)清洗預(yù)處理施工流程[4]大致分為四個步驟：

（1）酸洗除銹。首先，向發(fā)球筒內(nèi)裝入兩枚耐化學(xué)腐蝕清管器，并夾注配置好的酸洗藥劑，啟動空氣壓縮機(jī)推動清管器和夾注段穿過管道。其次，為避免酸洗藥劑中的酸在清除銹蝕后繼續(xù)腐蝕管道本體，藥劑中必須加注足量的緩蝕劑；在將藥劑注入管道之前，應(yīng)使用滴定法確定藥劑中酸的濃度。再次，進(jìn)行酸洗時，應(yīng)精確控制夾注段運(yùn)行的速度，使管壁與酸液的接觸時間控制在120 s左右，酸洗過程中夾注段的運(yùn)行速度應(yīng)控制在0.5 m/s 左右。最后，夾注段到達(dá)收球端后，取樣并檢測排出酸液的濃度，并用離心機(jī)分離確認(rèn)樣品中固體雜質(zhì)的含量，若樣品中酸的濃度與原溶液相差不超過3%（體積分?jǐn)?shù)），且樣品中固體物質(zhì)的含量小于2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），則酸洗過程結(jié)束。

（2）堿液中和。其一，向發(fā)球筒內(nèi)裝入兩枚耐化學(xué)腐蝕清管器，并夾注堿性中和劑溶液，啟動空氣壓縮機(jī)推動清管器和夾注段穿過管道，對酸洗后的管道進(jìn)行中和。其二，中和后應(yīng)使用清潔水進(jìn)行夾注漂洗，漂洗段到達(dá)管道末端后進(jìn)行取樣檢測，樣品中的固體物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不高于2%，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.03%，pH 值在7 ～10 之間。若樣品檢測無法達(dá)到上述要求，應(yīng)繼續(xù)使用清潔水進(jìn)行夾注清洗，直至達(dá)到要求。通常酸洗與中和過程需重復(fù)進(jìn)行2 ～3 次。

（3）鈍化及閃銹抑制。首先，向管道內(nèi)夾注體積分?jǐn)?shù)為10%HCl 溶液進(jìn)行管道最終的弱酸清潔。其次，向管道內(nèi)夾注復(fù)合鈍化液進(jìn)行管道的鈍化處理并抑制閃銹生成。鈍化時應(yīng)控制夾注段運(yùn)行的速度，使管壁與鈍化液的接觸時間控制在120 s 左右。

（4）管道整體干燥。首先，化學(xué)清洗結(jié)束后，應(yīng)立即對管道進(jìn)行整體干燥；若現(xiàn)場條件允許，應(yīng)優(yōu)先考慮使用溶劑干燥法配合干空氣法進(jìn)行管道整體干燥施工，以提高干燥施工的效率，避免管道返銹；干燥劑通常為甲醇、乙二醇、丁酮或二氯甲烷等。其次，溶劑夾注段到達(dá)管道末端時，應(yīng)將排出的廢液收集至密閉的危險廢液收集罐中。再次，溶劑夾注干燥后，應(yīng)立刻向管道內(nèi)通入大量干燥空氣進(jìn)行干燥施工。

1.2 配套工裝設(shè)備研究

結(jié)合確定的預(yù)處理清洗工藝，研制了整體內(nèi)防腐專用清管器、專用收發(fā)球筒、化學(xué)品混合罐、排氣緩沖罐等設(shè)備。

1.2.1 專用清管器

（1）專用涂敷器。涂敷器主要用于管道化學(xué)清洗和內(nèi)涂層涂敷施工，管道涂敷器分為導(dǎo)向式涂敷器（見圖3）和多層板式涂敷器（見圖4）兩種，施工時成對使用?；瘜W(xué)清洗時，兩個涂敷器中間注有化學(xué)藥劑，兩個涂敷器推動化學(xué)藥劑段在管內(nèi)運(yùn)行，使藥劑與管內(nèi)壁充分接觸，完成清洗過程。整體內(nèi)涂敷施工時，兩個涂敷器之間為液體涂料，涂敷器和涂料段在管內(nèi)運(yùn)行時，涂料從多層板式涂敷器與管壁之間的間隙溢出，經(jīng)過涂敷器上多片柔性刮板的反復(fù)刮涂均勻牢固地附著在管壁上。

圖3 導(dǎo)向式涂敷器

圖4 多層板式涂敷器

（2）彈簧臂式鋼絲刷清管器。彈簧臂式鋼絲刷清管器[5]（見圖5）主要用于管道機(jī)械清潔和化學(xué)清洗施工。彈簧臂式鋼絲刷清管器可以在管道內(nèi)雙向移動，安裝在彈簧臂上的鋼絲刷在清管器運(yùn)行的同時對管壁進(jìn)行刷洗，一方面使管壁上牢固附著的積垢松動，另一方面促使化學(xué)清洗藥劑滲透進(jìn)入積垢內(nèi)部，提高藥劑的清洗效率。

圖5 彈簧臂式鋼絲刷清管器

1.2.2 專用收發(fā)球筒

在管道整體內(nèi)防腐施工過程中，需要在兩個清管器之間加注各種化學(xué)藥劑形成夾注段。夾注段運(yùn)行到管道尾端后，需要先排出化學(xué)藥劑，然后才能取出清管器。為此設(shè)計制造了專用收發(fā)球筒，見圖6～7。

1.2.3 化學(xué)品混合罐

化學(xué)品混合罐（見圖8）用于化學(xué)清洗時各類化學(xué)藥劑的現(xiàn)場配置和臨時儲存。該化學(xué)品混合罐的頂端設(shè)置一套真空吸引裝置，通過壓縮空氣氣流在化學(xué)品混合罐中制造真空或正壓，從而實(shí)現(xiàn)液體的自動吸入和排出，無需用泵輸送。

1.2.4 排氣緩沖罐

管道整體預(yù)處理及涂層涂敷過程中會有大量空氣排出，氣流量較大，也會將管內(nèi)的灰塵、泥土及管壁殘留的化學(xué)藥劑等一同夾帶排出。因此需要在管道末端的排氣流程設(shè)置排氣緩沖罐（見圖9），使灰塵、泥土和液體藥劑沉積、停留在緩沖罐中，防止其夾帶排出，從而避免污染周邊環(huán)境。

2 管道內(nèi)表面預(yù)處理清洗藥劑研究

針對新建海底管道內(nèi)壁的積垢情況和海底管道整體內(nèi)防腐施工時的獨(dú)特工況，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對專用酸洗液、鈍化液等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[6]。

圖6 專用收發(fā)球筒設(shè)計示意

圖7 專用收發(fā)球筒實(shí)物

圖8 化學(xué)品混合罐實(shí)物

圖9 排氣緩沖罐實(shí)物

2.1 專用酸洗液的研究

對海底管道進(jìn)行酸洗的主要目的是利用酸與管內(nèi)壁表面的垢層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將難溶的積垢和腐蝕產(chǎn)物變?yōu)榭扇苄喳}并將其除去，為下一步涂層涂敷創(chuàng)造必要的條件。

與通常的工業(yè)管道化學(xué)清洗相比，海底管道清洗液與管道內(nèi)表面的接觸時間短，清洗過程中酸會不斷損耗而無法進(jìn)行補(bǔ)充，即清洗過程中酸洗液的有效濃度是不斷變化的，因此對其配方提出了較高的要求。

針對海底管道化學(xué)清洗的特殊工況，通過前期調(diào)研，選取兩種無機(jī)酸和三種緩蝕劑進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定了專用酸洗液的配方組成。

2.1.1 試片制作

參考HG/T 3523-2008《冷卻水化學(xué)處理標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片技術(shù)條件》[7]，制作含銹試片和潔凈基體試片，長50 mm、寬25 mm，無掛孔。

2.1.2 酸與緩蝕劑的組合選型實(shí)驗(yàn)

酸與緩蝕劑的配方組合采用交叉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，考慮到試片銹蝕的不均勻性，每種配方均進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，取三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為除銹速率和腐蝕速率，見表1。

除銹速率計算公式[8]：

式中：K 為試片在除銹液中的除銹率，g/（m2·h）；W1為浸泡前試片的質(zhì)量，g；W2為浸泡后試片的質(zhì)量，g；S 為試片的總面積，m2；t 為試片在除銹液中的時間，h。

表1 酸與緩蝕劑組合選型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，加入咪唑啉復(fù)合緩蝕劑[9]的酸液除銹速率最高，除銹效果最好，且腐蝕速率最慢。在兩種無機(jī)酸中，在同體積分?jǐn)?shù)下硫酸比鹽酸除銹速率大，但是實(shí)驗(yàn)過程中，硫酸酸洗有大量氣泡產(chǎn)生，析氫嚴(yán)重，說明基體破壞較為嚴(yán)重，還易發(fā)生氫脆現(xiàn)象。此外，硫酸稀釋為放熱過程，操作危險系數(shù)較高。綜合考慮施工效率與風(fēng)險，采用鹽酸和咪唑啉復(fù)合緩蝕劑作為酸洗液的主要成分。

2.1.3 酸液與緩蝕劑的濃度選擇實(shí)驗(yàn)

分別取體積分?jǐn)?shù)為5%、20%、35%的鹽酸，質(zhì)量濃度為1、3、5 g/L 的緩蝕劑進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)，分別記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并計算除銹速率，見表2。

整體來看，鹽酸濃度增大，除銹速率隨之增大，但同時基體的腐蝕速率也增大。比如鹽酸體積分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時，有大量氣泡冒出，緩蝕劑對基體的保護(hù)作用減弱，說明高濃度鹽酸可能擊穿緩蝕劑保護(hù)膜，基體與鹽酸反應(yīng)較為嚴(yán)重。綜合考慮除銹速率和腐蝕速率，選取體積分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸作為本項目酸洗時的基準(zhǔn)濃度。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，緩蝕劑濃度過低或過高，都影響除銹速率。緩蝕劑質(zhì)量濃度在3 g/L 時，既能保證除銹速率，還能有效保護(hù)基體。

為保證清洗液均能迅速潤濕、滲透、溶解不同成分的積垢，能夠適應(yīng)海底管道整體內(nèi)防腐的特殊工況，清洗液內(nèi)還需要加入表面活性劑、消泡劑等其他助劑。

2.1.4 酸洗液研究結(jié)果

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，最終確定了專用酸洗液的配方，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證表明，在環(huán)境溫度4 ℃時，與工件接觸時間120 s，酸洗液除銹速率為160 g/（m2·h），對金屬基體腐蝕速率為1.4 g/（m2·h），滿足了海底管道整體內(nèi)防腐施工需求。

2.2 專用鈍化液的研究

鈍化液的作用是在酸洗完成后的管道內(nèi)壁上形成一層鈍化膜，防止管道內(nèi)壁在涂料涂敷前返銹。掛片酸洗后分別使用閃銹抑制劑、緩蝕劑、磷酸進(jìn)行鈍化和緩蝕處理，置于干燥器中24 h 后在掛片表面刮涂一層液體環(huán)氧涂料，待涂層完全固化后，評估涂層附著力，并據(jù)此選擇酸洗后抑制閃銹的應(yīng)對方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 鈍化液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過優(yōu)化復(fù)合鈍化液的成分，使鈍化可以在4 ℃的海床溫度環(huán)境下正常進(jìn)行，鈍化后24 h 內(nèi)管道內(nèi)壁上不會產(chǎn)生閃銹，可以滿足下一步內(nèi)防腐層涂裝的要求。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)管段的設(shè)置

為了驗(yàn)證管道整體預(yù)處理技術(shù)的研究成果，在某場地內(nèi)設(shè)置了海底管道模擬管段，見圖10。管道規(guī)格為D 219 mm×6 mm，總長度約240 m，彎頭曲率半徑為6D，與常見海底管道相同規(guī)格，管段兩端安裝有約6 m 高的垂直段，用于模擬海底管道兩端的立管。

圖10 試驗(yàn)管段

模擬管段在管道的前段、中段、后段、管道兩端立管前、管道立管垂直段均設(shè)置有檢測短節(jié)，見圖11，施工過程中可隨時進(jìn)行拆檢。

圖11 檢測短節(jié)

3.2 試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)控制

清管器/涂敷器運(yùn)行之前，需預(yù)先在管道內(nèi)建立背壓。當(dāng)液柱運(yùn)行到立管位置時，調(diào)整清管器前后的壓力差，利用壓力差抵消液柱所受重力對清管器運(yùn)行速度的影響，從而保證清管/涂敷器的運(yùn)行速度穩(wěn)定，見圖12。

（1）背壓計算。根據(jù)海底管道的積垢和銹蝕情況，估算機(jī)械清潔和化學(xué)清洗時藥劑的用量，再根據(jù)管道內(nèi)徑和一次加注藥劑的數(shù)量計算出液柱的長度L液。根據(jù)管道的走向和高程，計算液柱長度范圍內(nèi)的管道最大高差L差。則液柱運(yùn)行過程中，受重力影響所造成的最大阻力轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)后為：P液=L差·ρ液·g，式中 g 為重力加速度，則管道內(nèi)的預(yù)設(shè)背壓最低應(yīng)不低于P液，考慮一定余量后圓整取值，即為施工時的管道背壓。

（2）背壓建立。管道內(nèi)的背壓可以在管道機(jī)械清潔的過程中逐步建立。在管道機(jī)械清潔時，通過控制管道末端排氣閥的開度，一方面控制清管器的運(yùn)行速度，另一方面逐漸在管道內(nèi)保留一定壓力。清管器到達(dá)管道末端后，關(guān)閉收球筒前端的主截斷閥，排除收球筒內(nèi)的殘存壓力后取球，保留管道內(nèi)的壓力。

圖12 清管器運(yùn)行控制原理示意

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)管段在經(jīng)過整體預(yù)處理（機(jī)械清潔+化學(xué)清洗）后，進(jìn)行檢查、檢測。圖13 為預(yù)處理結(jié)束后目測管道內(nèi)壁的情況，圖14 為最終除銹等級[10]鑒定結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管內(nèi)壁表面光滑、平整，無油脂、污垢、鐵銹或其他附著物，呈現(xiàn)金屬光澤，除銹等級相當(dāng)于Sa 2.5 級。

圖13 預(yù)處理后管道內(nèi)壁情況

圖14 除銹等級評定

4 結(jié)束語

針對海底管道工況的特殊性，深入研究了海底管道內(nèi)表面整體預(yù)處理施工工藝，研制了專用清管器、涂敷器、專用收發(fā)球筒、化學(xué)品混合罐、排氣緩沖罐等工裝設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了專用清洗藥劑配方的研制，最終結(jié)合施工工藝、配套工裝，采用專用清洗藥劑進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管內(nèi)壁表面光滑、平整，除銹等級相當(dāng)于Sa2.5 級，滿足后續(xù)防腐涂裝要求。