國內(nèi)外管道防腐涂層修復(fù)技術(shù)最新進(jìn)展

高山卜，祝愨智，劉誠，田磊，王樂樂

1.中國石油管道公司 科技研究中心（河北 廊坊 065000）

2.中國石油管道公司 油氣儲運(yùn)分公司（河北 廊坊 065000）

3.中國石油管道公司 物資管理處（河北 廊坊 065000）

管道腐蝕問題貫穿了管道的全生命周期。防腐涂層作為埋地管道腐蝕防護(hù)的重要手段，可以建立有效屏障，隔絕管道與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而對管道管體形成有效保護(hù)。影響防腐涂層壽命的因素很多，不僅與涂層自身的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與涂層在管道管體的預(yù)處理、涂層與管體的附著性能、涂層對水和離子的抗?jié)B透能力及其服役環(huán)境等密切相關(guān)[1]。近年來，國內(nèi)外針對管道防腐涂層在役期間出現(xiàn)失效問題進(jìn)行大量研究，在此基礎(chǔ)上形成了一系列具有代表性的涂層修復(fù)技術(shù)，與此同時，隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，防腐涂層的性能也得到不斷的改善[2]。總體看來，目前國內(nèi)外對于管道防腐涂層的研究多致力于開發(fā)新型高性能涂層，以及對涂層修復(fù)技術(shù)的提升。

1 國外新型管道防腐涂料

1.1 DENSOLID?-HDD涂層

德國DENSO公司研發(fā)了一種用于非開挖管道水平定向鉆工程的高性能防腐層——DENSOLID?-HDD[3]，該防腐層由雙組分聚氨酯涂料形成，具有高硬度、高耐磨性、良好的伸展能力和抗彎強(qiáng)度，可為管道現(xiàn)場接頭提供永久性防腐和機(jī)械防護(hù)，同時還具有足夠的施工靈活性。

DENSOLID?-HDD通過一套簡便的操作工藝確保完成高質(zhì)量的防腐層施工。施工前，先安裝一段專用的透明聚丙烯套管，利用鉆孔機(jī)預(yù)先在透明聚丙烯套管上鉆孔，并以此作為DENSOLID?-HDD注入口。然后將雙組分材料注入該雙腔筒中，注入前無需進(jìn)行手動攪拌，可確保正確的組分混合比例及快速的工作速度。隨后，再將套管上的鉆孔用膠粘標(biāo)簽密封。在固化過程中，由于套管的保護(hù)，可使涂層材料免受水、污染、濕氣、沖擊及其他負(fù)面效應(yīng)的影響。相比使用增強(qiáng)熱縮套管，剝離纖維增強(qiáng)材料時必須多層敷設(shè)，該防腐層只需敷設(shè)單層，可縮短40%的施工周期，大大降低整體成本。由于現(xiàn)場施工防腐層的厚度與工廠防腐層厚度一致，因此不會產(chǎn)生額外的剪切作用。

1.2 油基自修復(fù)涂層

美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種能夠自愈的油基自修復(fù)涂層[4]，可在幾秒內(nèi)完成缺陷處的修補(bǔ)工作。這種自修復(fù)系統(tǒng)由微膠囊網(wǎng)絡(luò)和低黏度硅油組成。宏觀上，涂層是黏性的，因為形成了一個三維粒子網(wǎng)絡(luò)，這使得它可以粘在垂直的金屬表面，可對抗重力和湍流。微觀顯微鏡觀察，油的黏度較低，可迅速流向受損區(qū)域以便重建顆粒網(wǎng)絡(luò)。

研究團(tuán)隊通過添加微觀和輕質(zhì)的石墨烯膠囊來實現(xiàn)，可使油基變稠，即便在惡劣的環(huán)境中，也能夠良好粘附在金屬上。實驗表明，即便對同一區(qū)域連續(xù)“擦拭”200次，也能夠在鋁、黃銅和鋼等多種不同金屬上，反復(fù)實現(xiàn)快速的愈合。涂層具有顯著的防護(hù)性能，能夠長期保護(hù)堿金屬不受腐蝕，同時，因為該防腐層不是基于特定的表面而研制，因而適用于金屬管道。

1.3 Belzona 3412新型涂層

美國Belzona公司研發(fā)了一種新型管道防腐涂層Belzona 3412[5]，該涂層是一種雙組分混合聚合物，其化學(xué)性能穩(wěn)定，適用于阻隔水分及防止縫隙腐蝕、電偶腐蝕和大氣腐蝕，且其組分中不含異氰酸酯，使用安全無危害。

Belzona 3412涂層具有良好的耐腐蝕性，經(jīng)試驗測試，該涂層耐腐蝕性可達(dá)到暴露于35℃鹽霧環(huán)境中長達(dá)6 000 h后，仍無任何腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。該涂層涂覆過程操作方便，無需熱壓粘合工具或?qū)I(yè)工具，僅需噴涂或刷涂，即可輕松完成涂覆。根據(jù)不同環(huán)境的溫度和濕度，該涂料需要1～4 h的干燥時間。該涂層除了具備上述優(yōu)點(diǎn)之外，還可以有效抑制環(huán)境因素對受保護(hù)金屬本體的影響，包括防御紫外線等。該涂層可對機(jī)械設(shè)備提供顯著的保護(hù)作用，小到軸承、法蘭，大到海洋平臺立管。

2 管道防腐及補(bǔ)口層修復(fù)技術(shù)改進(jìn)

2.1 熱熔膠型聚乙烯熱收縮帶補(bǔ)口材料改進(jìn)

目前，國內(nèi)的新建管道從陜京輸氣一線開始，大多采用3PE防腐結(jié)構(gòu)，與其配套的現(xiàn)場防腐層補(bǔ)口幾乎全部采用“環(huán)氧底漆+熱熔膠型聚乙烯熱收縮帶”結(jié)構(gòu)[6]。但據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有熱熔膠型聚乙烯熱收縮帶補(bǔ)口出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的失效問題，個別管線開挖點(diǎn)失效比例在50%以上，這已直接影響了管道的運(yùn)行安全和使用壽命。

結(jié)合上述情況，中國石油開展了熱熔膠型聚乙烯熱收縮帶補(bǔ)口現(xiàn)場失效原因分析，研究了3PE管道補(bǔ)口熱收縮帶材料的性能，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，對熱收縮帶產(chǎn)品的長效性能進(jìn)行考察，通過對材料結(jié)構(gòu)組成、老化環(huán)境下材料性能變化、安裝系統(tǒng)綜合性能評價等方面的研究，剖析了補(bǔ)口材料長期性能的影響因素，經(jīng)分析得出熱熔膠黏劑是影響熱收縮帶補(bǔ)口質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并提出了相關(guān)的改進(jìn)方案，從膠黏劑中極性組分與非極性組分的匹配、分子組分的大小、各組分的分子量等組分機(jī)理上提出了改進(jìn)方案。

2.2 3PE防腐層局部修復(fù)技術(shù)

目前，國內(nèi)油氣管道防腐層的修復(fù)集中表現(xiàn)為3PE防腐層的局部修復(fù)及保溫管道防腐保溫的局部修復(fù)。中國石油形成了3PE防腐層的局部修復(fù)技術(shù)和硬質(zhì)聚氨酯泡沫防腐保溫層的局部修復(fù)技術(shù)，并已形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5918—2017《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層保溫層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》[7]。

3PE防腐層局部修復(fù)是指對油氣管道3PE防腐層的局部破損點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)或?qū)κУ臒崾湛s帶補(bǔ)口防腐層進(jìn)行更換。其修復(fù)材料應(yīng)根據(jù)原防腐層類型、修復(fù)規(guī)模、現(xiàn)場施工條件及管道運(yùn)行工況等條件選擇，也可采用經(jīng)過試驗驗證且滿足技術(shù)要求的其他防腐材料。經(jīng)實驗研究及工程應(yīng)用，常見的3PE防腐層局部修復(fù)材料見表1。

表1 常用3PE防腐層局部修復(fù)材料

為確保防腐層修復(fù)質(zhì)量，SY/T 5918—2017《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層保溫層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》中詳細(xì)規(guī)定了管道開挖懸空、熱力及應(yīng)力保障、管溝回填要求，管道舊防腐層清除、防腐層施工、管體表面處理及施工質(zhì)量等施工工藝控制措施，該項研究技術(shù)在我國多條長輸3PE防腐層管道的內(nèi)外檢測開挖驗證及管道防腐層破損點(diǎn)修復(fù)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，經(jīng)跟蹤測試，表明防腐層修復(fù)質(zhì)量良好，未出現(xiàn)再次失效的現(xiàn)象。

2.3 環(huán)氧樹脂+碳纖維復(fù)合修復(fù)材料改進(jìn)

管道復(fù)合修復(fù)材料一般由碳纖維和環(huán)氧復(fù)合材料組成，在惡劣的自然環(huán)境下，對管道防護(hù)作用會大幅度降低。美國Citadel Technologies公司提出了改性環(huán)氧樹脂+碳纖維復(fù)合修復(fù)材料的抗低溫改進(jìn)方案[8]，并通過拉伸試驗、穿孔缺陷爆破試驗、抗沖擊試驗，證實了碳纖維復(fù)合材料的抗低溫性能（表2）。將改進(jìn)方案應(yīng)用于加拿大一條天然氣管道，該條管道地處于環(huán)境極其寒冷的地區(qū)，地面溫度低于0℃，一段時間的應(yīng)用結(jié)果顯示，改進(jìn)后的環(huán)氧樹脂+碳纖維復(fù)合修復(fù)材料在低溫環(huán)境下的抗拉伸、抗穿孔、抗沖擊性能較改進(jìn)前均有明顯的提升，與試驗結(jié)果相吻合。

表2 環(huán)氧樹脂+碳纖維復(fù)合修復(fù)改進(jìn)材料抗低溫試驗

3 結(jié)束語

通過跟蹤國內(nèi)外新型管道涂層的研制，以及涂層修復(fù)技術(shù)的改進(jìn)這兩方面相關(guān)熱點(diǎn)技術(shù)，可以得出，目前管道防腐涂層正趨于組分安全、操作便捷、持久耐用等高效方向發(fā)展；而涂層修復(fù)技術(shù)正趨于耐低溫、抗拉伸、抗沖擊等高性能方向發(fā)展。

隨著人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展及其在國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，管道防腐涂層的相關(guān)維修維護(hù)技術(shù)智能化必將成為未來的發(fā)展趨勢。