油氣長(zhǎng)輸管道熱煨彎管防腐層現(xiàn)狀及展望

竇宏強(qiáng) 詹勝文 劉佳 馮韶恒

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

防腐層是保護(hù)管道避免腐蝕的重要因素[1]。熱煨彎管形狀特殊，防腐層涂敷難以采用機(jī)械化生產(chǎn)線進(jìn)行流水作業(yè)，只能采用手工或半機(jī)械化方式涂裝。涂敷人員的能力、責(zé)任心等因素對(duì)防腐質(zhì)量的影響極大。同時(shí)，熱煨彎管安裝在地形起伏大，落差變化劇烈的地段，管道維護(hù)和修復(fù)難度極高，又對(duì)防腐質(zhì)量提出了極高的要求。因此，選用恰當(dāng)防腐層和適當(dāng)涂敷工藝的熱煨彎管是管道建設(shè)的重點(diǎn)之一。

總結(jié)了已建油氣長(zhǎng)輸管道熱煨彎管的防腐層種類，可劃分為單一結(jié)構(gòu)防腐層和復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層兩種類型。

1 現(xiàn)狀

1.1 單一結(jié)構(gòu)防腐層

1.1.1 雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層

雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末(Fushion Bonded Epoxy，F(xiàn)BE)防腐層的底層為普通防腐型環(huán)氧粉末層，厚度≥300 μm；面層為改性耐磨型環(huán)氧粉末層，厚度≥500 μm。兩種環(huán)氧粉末采用靜電噴涂方式，一次噴涂到加熱的鋼管表面，熔融固化后形成厚度≥800 μm的防腐層。主成膜物為環(huán)氧類材料，防腐性優(yōu)良；面層采用改性耐磨型環(huán)氧粉末，提高了防腐層的耐磨性；環(huán)氧粉末通過加熱熔融方式固化在管道表面，防腐層與鋼管通過化學(xué)鍵方式牢固結(jié)合，附著力強(qiáng)；防腐層不屏蔽陰極保護(hù)電流，被稱為“失效安全型”防腐層。但環(huán)氧粉末防腐層存在耐沖擊性差，阻水能力低，吸濕性強(qiáng)，彎曲性能差的缺點(diǎn)。

2014年投產(chǎn)的中亞C線(哈國(guó)段)天然氣管道工程中管徑1 219 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，X80級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了總厚度≥800 μm的雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層。2012年投產(chǎn)的西氣東輸二線管道工程中管徑1 219 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa/10 MPa，X80級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管也采用了相同結(jié)構(gòu)的防腐層。

1.1.2 無溶劑環(huán)氧防腐層

環(huán)氧粉末涂敷時(shí)需采用大蓄熱，又急速冷卻的工藝，這會(huì)導(dǎo)致防腐層固化不均、質(zhì)量不穩(wěn)定。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，無需高溫加熱且快速水冷的無溶劑環(huán)氧防腐層應(yīng)運(yùn)而生。無溶劑環(huán)氧涂料采用低黏度環(huán)氧樹脂、顏填料、助劑等經(jīng)高速分散、研磨制成基料，以低黏度改性胺作為固化劑，組成雙組分反應(yīng)固化型防腐涂料[2]。無溶劑環(huán)氧防腐層與鋼管表面黏結(jié)性優(yōu)異，抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕、防腐性能好；與陰極保護(hù)兼容；涂敷設(shè)備少、工藝簡(jiǎn)單；無需高溫加熱，常溫下可固化；致密性優(yōu)于熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層。但人工涂敷無溶劑環(huán)氧涂料時(shí)，也存在防腐質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象；常溫下的固化時(shí)間長(zhǎng)，溫度更低時(shí)不發(fā)生固化反應(yīng)；防腐層的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性差。

2009年投產(chǎn)的川氣東送管道工程中管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，X70級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用固含量≥99.5%(w)的無溶劑環(huán)氧涂料，并利用高壓離心無氣噴涂工藝，一次噴涂成膜厚度為1.0～1.5 mm，共生產(chǎn)熱煨彎管近900個(gè)[3]。

1.1.3 無溶劑聚氨酯防腐層

無溶劑聚氨酯防腐層由多異氰酸酯組分和多元醇組分反應(yīng)而成。組分中含有苯環(huán)，防腐層具有良好的機(jī)械性能；分子中的醚鍵可自由旋轉(zhuǎn)，消除了應(yīng)力，防腐層具有良好的柔韌性；多異氰酸酯組分和多元醇組分反應(yīng)速度快，常溫下可在0.5～2.0 h內(nèi)完成固化；采用高壓無氣熱噴涂工藝，按一次多道的噴涂方法，可一次達(dá)到規(guī)定的防腐層厚度；環(huán)境溫度適應(yīng)性極強(qiáng)，在-40 ℃的低溫環(huán)境下，也可快速固化；耐磨性、抗沖擊性和柔韌性比環(huán)氧類防腐層好。但防腐層的附著力和抗陰極剝離性較環(huán)氧類防腐層差，且存在容易起泡等缺點(diǎn)。

中俄東線天然氣管道工程中的黑龍江隧道穿越段豎井內(nèi)管徑為1 420 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，采用K65級(jí)(相當(dāng)于X80級(jí))鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了厚度為2.5～4.0 mm的無溶劑聚氨酯防腐層。熱煨彎管及外防腐層的制作均由俄方供貨商完成。

1.1.4 聚脲防腐層

聚脲防腐層由異氰酸酯組分和氨基化合物組分反應(yīng)生成。聚脲涂料的固化比聚氨酯涂料的固化更迅速；無需添加固化促進(jìn)劑，幾秒鐘即可快速凝膠成形，一次噴涂厚度可達(dá)1～3 mm；可在任意曲面上成型且不產(chǎn)生流掛；固體含量100%，不含任何揮發(fā)性有機(jī)物；柔韌性優(yōu)異，可完全抵御晝夜、四季環(huán)境溫度變化帶來的熱脹冷縮，不會(huì)產(chǎn)生開裂和脫落現(xiàn)象。但聚脲防腐層的附著力較差，抗陰極剝離性能不甚理想。

美國(guó)阿拉斯加石油管道、印度尼西亞海灣石油公司Suban和Su MPal天然氣管道、俄羅斯西伯利亞管道和國(guó)內(nèi)的部分城市燃?xì)夤艿?、油田集輸管道有相關(guān)的應(yīng)用報(bào)道[4]。

1.1.5 聚乙烯/聚丙烯膠帶防腐層

以聚乙烯或聚丙烯材料為胎材，覆合一層膠黏劑而制成的膠帶。根據(jù)背材類型，分為聚乙烯膠帶或聚丙烯膠帶。施工方便、靈活，技術(shù)門檻低，防腐成本低。聚乙烯膠帶防腐層較軟、薄，抗機(jī)械損傷能力差；與鋼管的粘接強(qiáng)度低，在高溫或低溫時(shí)粘接力均會(huì)下降；防腐層剝離后，陰極保護(hù)電流受到屏蔽，導(dǎo)致鋼管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。聚丙烯膠帶的背材采用了纖維網(wǎng)狀織胎結(jié)構(gòu)，解決了陰極保護(hù)屏蔽所導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂問題，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也同樣導(dǎo)致防腐層的機(jī)械強(qiáng)度降低，抗沖擊能力下降。

1997年投產(chǎn)的陜京一線管道工程中部分管徑為660 mm，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，X60級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了TEK-RAP公司的聚乙烯膠帶作為外防腐層[5]。

1.2 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層

1.2.1 熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+聚乙烯膠帶

在擠塑聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層引入國(guó)內(nèi)后，人們一直致力于熱煨彎管聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層的研究。熱煨彎管的冷帶熱熔三層聚乙烯防腐層成型技術(shù)[6]，采用靜電噴涂熔結(jié)環(huán)氧粉末層，在環(huán)氧粉末層膠化狀態(tài)下，將預(yù)制好的聚乙烯冷纏帶經(jīng)專用纏繞機(jī)纏繞在加熱的彎管表面，通過彎管本體的熱量，熔融冷纏帶的膠黏劑層和聚乙烯背材，形成聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層。但該工藝會(huì)造成彎管內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)防腐層厚度不均勻；為熔融中間膠黏劑層和聚乙烯背材，彎管需加熱到250 ℃以上，導(dǎo)致底層的環(huán)氧粉末層損壞。聚乙烯膠帶失黏時(shí)對(duì)陰極保護(hù)產(chǎn)生屏蔽，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕問題。到目前為止，這種防腐工藝還沒能在油氣長(zhǎng)輸管道熱煨彎管的防腐上應(yīng)用。

1.2.2 熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+聚丙烯膠帶

網(wǎng)狀聚丙烯膠帶不會(huì)產(chǎn)生陰極保護(hù)屏蔽，且在一定程度上提高了熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力，減少了熱煨彎管運(yùn)輸和施工過程中的機(jī)械損傷。該結(jié)構(gòu)底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，外層纏繞網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維聚丙烯膠帶保護(hù)，聚丙烯膠帶55%搭接，一次纏繞成型。但這種結(jié)構(gòu)也存在受損部位難以修補(bǔ)、熱煨彎管兩端與直管連接的補(bǔ)口需特殊處理的缺點(diǎn)。

2005年投產(chǎn)的陜京二線管道工程中管徑為1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，采用X70級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管部分采用了熔結(jié)環(huán)氧粉末+聚丙烯纖維增強(qiáng)型膠帶的防腐結(jié)構(gòu)[7]。熔結(jié)環(huán)氧粉末為3M公司的806-8G，聚丙烯膠帶由中央制塑(天津)有限公司生產(chǎn)。熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層為單層，聚丙烯膠帶的厚度為1.8 mm。2012年投產(chǎn)的中緬油氣管道工程管徑1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，采用X80/X70級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管和2014年投產(chǎn)西氣東輸三線管道工程中管徑1 219 mm/1 016 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa/10 MPa，采用X80級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管都采用了此種防腐結(jié)構(gòu)。這種防腐結(jié)構(gòu)也是目前國(guó)內(nèi)油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)中熱煨彎管最常采用的防腐形式，所占比例超過了80%。

1.2.3 無溶劑環(huán)氧防腐層+聚丙烯膠帶

與熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+網(wǎng)狀聚丙烯膠帶的防腐結(jié)構(gòu)類似，同樣存在無溶劑環(huán)氧防腐層+網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維聚丙烯膠帶的防腐結(jié)構(gòu)。在底層無溶劑環(huán)氧防腐層固化且檢測(cè)合格后，再纏繞網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維聚丙烯膠帶保護(hù)，聚丙烯膠帶55%搭接，一次纏繞成型。底層無溶劑環(huán)氧涂料采用高壓無氣噴涂，干膜厚度為500～1 000 μm。

2010年投產(chǎn)的榆林-濮陽-濟(jì)南輸氣管道中管徑711 mm/610 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa/8 MPa，采用X65級(jí)/X60級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了此種防腐結(jié)構(gòu)。

1.2.4 無溶劑聚氨酯防腐層+聚丙烯膠帶

這是一種反應(yīng)速度更快，更適合現(xiàn)場(chǎng)涂敷的防腐結(jié)構(gòu)。底層為無溶劑聚氨酯防腐層，面層為網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維聚丙烯膠帶。

2005年投產(chǎn)的陜京二線工程中的部分熱煨彎管采用了此種防腐結(jié)構(gòu)，底層采用CORROPIPE II TX-15型無溶劑聚氨酯涂料，使用專用的雙組分高壓無氣熱噴涂設(shè)備，將涂料的A、B兩個(gè)組分在線加熱并保持在45 ℃以上，在高壓下混合霧化，反應(yīng)形成聚氨酯防腐層；聚氨酯防腐層固化且檢測(cè)合格后，再纏繞網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維聚丙烯膠帶保護(hù)。聚氨酯防腐層厚度為500 μm，聚丙烯膠帶同樣采用55%搭接的一次纏繞成型方式，厚度為1.8 mm。

1.2.5 聚乙烯熱收縮套結(jié)構(gòu)

常稱為“蝦米”搭接結(jié)構(gòu)，是對(duì)聚乙烯三層結(jié)構(gòu)最初級(jí)的一種模擬，直接利用環(huán)焊縫補(bǔ)口用的輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套層層搭接包覆而成。這種結(jié)構(gòu)充分利用了聚乙烯熱收縮套機(jī)械強(qiáng)度高、抗沖擊性強(qiáng)的特點(diǎn)。在擠塑3LPE防腐層引進(jìn)國(guó)內(nèi)后，曾經(jīng)被認(rèn)為是最接近擠塑3LPE的一種防腐層結(jié)構(gòu)。但由于所有的涂裝只能采用人工操作，防腐質(zhì)量受操作人員的影響大；熱煨彎管的內(nèi)弧側(cè)會(huì)聚集過厚的防腐層；層與層之間的搭接位置會(huì)形成空隙，影響防腐質(zhì)量；熱煨彎管的外表面較大，整個(gè)采用熱收縮帶包覆時(shí)投資偏高。

這種蝦米搭接方式的防腐結(jié)構(gòu)在油田的小口徑管道中有大量的應(yīng)用，占比較高。

1.2.6 黏彈體膠帶+外護(hù)帶防腐

黏彈體材料是一種非結(jié)晶的低黏度聚合物，具有冷流特性，是目前已知的防腐效果最好的材料。黏彈體膠帶+外護(hù)帶的防腐結(jié)構(gòu)充分利用了黏彈體膠帶“萬能”的黏接性和外護(hù)帶的機(jī)械保護(hù)作用，組合成了具有優(yōu)異防腐性能的結(jié)構(gòu)形式。黏彈體膠帶對(duì)基材表面的處理要求不高，只需進(jìn)行手工除銹達(dá)到St2級(jí)即可；無需使用底漆，可直接采用纏繞方法粘接到彎管表面，減少了施工工序；黏彈體膠帶具有絕佳的水密性與氣密性，可徹底阻斷水和空氣的滲透，防腐性能優(yōu)異；外護(hù)帶可選擇PVC膠帶、聚乙烯膠帶、聚丙烯膠帶等多種材料，配伍性好。

唐山液化天然氣外輸管道的填海區(qū)及沼澤、鹽池、養(yǎng)魚池等40 km長(zhǎng)的水域管段環(huán)焊縫補(bǔ)口部位[8]，采用了長(zhǎng)園長(zhǎng)通新材料股份有限公司生產(chǎn)的黏彈體膠帶+熱縮壓敏膠帶的補(bǔ)口方式。該段管道于2012年埋地，運(yùn)行6年后，于2018年現(xiàn)場(chǎng)開挖評(píng)價(jià)，補(bǔ)口質(zhì)量仍然優(yōu)異。目前，黏彈體膠帶+聚丙烯膠帶的防腐結(jié)構(gòu)已用于中亞C線輸氣管道管徑為1 219 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa的熱煨彎管外防腐層大修的項(xiàng)目中。

2 聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層

2.1 多層粉末噴涂聚乙烯三層結(jié)構(gòu)

該防腐層宏觀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)擠塑3LPE防腐層類似。底層為FBE層，中間是化學(xué)改性的聚乙烯膠粘劑與FBE粉末的混合物，外層是中密度聚乙烯層。全部采用靜電粉末噴涂系統(tǒng)涂敷，標(biāo)準(zhǔn)厚度為750 μm。采用粉末噴涂方式，層與層之間沒有明顯的界面，各層能夠緊密相連，形成一種連續(xù)過渡的“分級(jí)結(jié)構(gòu)”，粘結(jié)力更強(qiáng)。消除了空穴和減薄現(xiàn)象，溫度變化時(shí)內(nèi)部應(yīng)力變化很小。根據(jù)使用環(huán)境的不同要求，外層可選用聚乙烯或聚丙烯材料。防腐層與管道表面具有優(yōu)良的粘接力，出色的抗剪切力特性、低溫柔韌性、抗沖擊性、耐陰極剝離性和非常低的滲透性。但由于整個(gè)防腐層需全部采用彎管自身的熱量來熔融，因此，總厚度受限，不超過1.5 mm。在應(yīng)用初期，曾出現(xiàn)防腐層厚度過薄，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力不足，防腐層拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、機(jī)械性能差等缺陷。

中油管道防腐工程有限責(zé)任公司從涂敷工藝、涂敷材料和噴涂設(shè)備等多方面對(duì)此工藝進(jìn)行了改進(jìn)，使這項(xiàng)技術(shù)重新得到了應(yīng)用。由中國(guó)石油管道局承建的孟加拉莫哈什卡利島浮式液化天然氣項(xiàng)目中管徑457 mm，設(shè)計(jì)壓力8.8 MPa，采用X65級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管和泰國(guó)西北部成品油管道項(xiàng)目中管徑406 mm，設(shè)計(jì)壓力15 MPa/12.5 MPa/9 MPa，采用X60級(jí)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管都采用了粉末噴涂型聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層。

2.2 縱向整體包覆聚乙烯三層結(jié)構(gòu)

熱煨彎管縱向整體包覆3LPE防腐工藝類似于電纜線包覆絕緣層[9]，熱煨彎管首先通過環(huán)形布置的拋丸系統(tǒng)除銹達(dá)到所需的錨紋深度，再進(jìn)行除塵達(dá)到所需的潔凈度。采用中頻感應(yīng)加熱線圈將彎管加熱到200～230 ℃，通過環(huán)形布置的環(huán)氧粉末靜電噴涂裝置涂敷環(huán)氧粉末防腐層。在環(huán)氧粉末膠化狀態(tài)下，彎管穿過環(huán)狀的復(fù)合模具，一次性縱向整體分別擠出套狀的聚乙烯共聚物膠粘劑層和聚乙烯層，包覆在彎管的表面，形成3LPE防腐層。

膠粘劑層和聚乙烯層都采用縱向整體擠出成型方式，可通過調(diào)節(jié)擠出機(jī)的擠出量來調(diào)整防腐層的厚度，實(shí)現(xiàn)彎管與直管防腐層的厚度一致，不再考慮加熱溫度、彎管的彎曲度等因素。環(huán)形包覆模具出料口的出料量可在周向上連續(xù)調(diào)節(jié)，根據(jù)熱煨彎管內(nèi)、外弧度的差別，分別調(diào)節(jié)彎管內(nèi)、外弧側(cè)出料口的出料量，使環(huán)形模具出料口的出料量形成外弧側(cè)出料量多、內(nèi)弧側(cè)出料量少的漸變模式，避免了內(nèi)弧側(cè)防腐層厚、外弧側(cè)防腐層薄的缺點(diǎn)。環(huán)形擠出模具使聚乙烯防腐層外觀完好、平整度高，克服了纏帶類防腐結(jié)構(gòu)搭接區(qū)的堆積、翹邊、粘接力缺失等問題。但涂敷工藝所需的中頻感應(yīng)加熱、環(huán)氧粉末噴涂、膠粘劑包覆、聚乙烯包覆等工作單元需重新設(shè)計(jì)；環(huán)形包覆模具需對(duì)曲面包覆同厚度的防腐層，自動(dòng)控制的精度要求非常高；不同彎管的彎曲度差異也導(dǎo)致每個(gè)彎管需單獨(dú)設(shè)置控制程序。目前，還沒有這種涂敷工藝的應(yīng)用報(bào)道，但給出了熱煨彎管防腐的一個(gè)研究方向。

3 結(jié)語

(1) 熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+聚丙烯膠帶的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層仍然是現(xiàn)階段油氣長(zhǎng)輸管道熱煨彎管防腐的主要形式。這種防腐結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)階段熱煨彎管防腐性能和機(jī)械防護(hù)性能等所能達(dá)到的最佳組合。

(2) 追求熱煨彎管與直管防腐等級(jí)和防腐效果的一致性，仍是國(guó)內(nèi)外油氣管道行業(yè)共同的目標(biāo)，也是當(dāng)前熱煨彎管防腐技術(shù)研究的主要方向?，F(xiàn)有技術(shù)水平下，熱煨彎管所能實(shí)施的防腐層質(zhì)量還難以與工廠預(yù)制的直管防腐層質(zhì)量相匹配。

(3) 熱煨彎管的防腐技術(shù)涉及到材料、工藝、設(shè)備等多個(gè)學(xué)科，要想取得突破性的進(jìn)展，有賴于整體技術(shù)水平的提升和進(jìn)步。