定向鉆穿越管道玻璃鋼防護層一次成型技術應用

陳自振，陳海林

中石化河南油建工程有限公司，河南南陽473132

在油氣長輸管道工程施工中，水平定向鉆穿越段施工質(zhì)量的控制是一個關鍵環(huán)節(jié)。穿越管道回拖時，可能會遇到支護不當、蛇形洞、洞內(nèi)錯臺、礫巖、巖屑、風化片巖、軟硬不良等復雜地質(zhì)情況，將導致管道3PE 防腐層被嚴重劃傷，甚至傷及母材。管道3PE 防腐層一旦損傷，將無法修復[1-2]，從而給投產(chǎn)后的管道帶來潛在運營風險和安全隱患。為保護穿越管道3PE 防腐層，國內(nèi)長輸管道設計文件通常將定向鉆穿越段管道的防腐結(jié)構(gòu)設計為3PE+玻璃鋼防護層[3]。

長輸管道3PE 防腐層通常采用工廠化預制完成，防腐管運抵施工現(xiàn)場后再進行玻璃鋼防護層施工。工程實踐中，玻璃鋼防護層施工通常采用人工涂敷和人工纏繞的方式完成。底層打毛后先刷一層底料，然后每完成一遍玻璃纖維布的纏繞，隨之就進行配套涂料涂刷，上一遍涂層表干后再進行下一遍纏繞和涂刷，直至達到設計厚度。傳統(tǒng)手工施工工藝施工周期長，固化時間長，質(zhì)量不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)空鼓、流掛、空洞等缺陷，甚至出現(xiàn)防護層分層脫落的現(xiàn)象[4]。為縮短玻璃鋼防護層施工周期，提高防護層整體質(zhì)量，經(jīng)過多年技術實踐和經(jīng)驗積累，形成了定向鉆穿越管道玻璃鋼防護層施工一次成型技術，經(jīng)過幾個項目的實踐應用，技術可行，質(zhì)量可靠，工效大大提高，具有推廣應用價值。

1 技術簡介

管道玻璃鋼防護層一次成型技術裝備主要包括基底打毛系統(tǒng)、電腦控制臺、可移動纏繞系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、管道工作臺等。該技術是一種在控制張力和預定線型的條件下，對粗糙化處理后的3PE 防腐表面用經(jīng)過環(huán)氧樹脂漆液浸泡的玻璃纖維進行連續(xù)、均勻、有規(guī)律的纏繞，而后固化成型，一次性形成一定厚度玻璃鋼保護層的施工技術。其主要技術原理如圖1 所示，玻璃纖維經(jīng)涂料槽內(nèi)的樹脂漆液浸泡后，經(jīng)過輥軸纏繞至鋼管上，在伺服電機的驅(qū)動下，小車以速度V 沿軌道往復移動，同時，鋼管以角速度ω 繞鋼管中心線旋轉(zhuǎn)，于是在3PE防腐層表面形成了完整牢固的防護層。小車的行進速度、往復次數(shù)、鋼管的旋轉(zhuǎn)角速度可根據(jù)設計的玻璃鋼防護層厚度確定，參數(shù)由計算機控制，在生產(chǎn)前完成錄入及設置。該工藝技術具有操作簡單、設備便于移動轉(zhuǎn)場、安裝簡便等特點。

圖1 管道玻璃鋼防護層一次成型技術原理

2 施工技術要求

2.1 作業(yè)環(huán)境要求

當存在下列情況之一且無有效防護措施時，不得進行露天施工：雨天、雪天、風沙天；風力超過4 級（7.9 m/s）；環(huán)境相對濕度高于85%；待涂敷管道表面溫度低于露點溫度以上3℃，或者低于涂料生產(chǎn)家推薦的涂敷溫度。

2.2 材料選用要求

玻璃鋼防護層所用原料主要包括液體環(huán)氧樹脂、固化劑、玻璃纖維布或玻璃纖維紗等。

（1） 液體環(huán)氧樹脂在玻璃鋼防護層中的主要作用是黏接固化，其具有較高的黏接性能、優(yōu)良的韌性和物理機械性能、良好的耐蝕性與工藝性能，不揮發(fā)物含量、黏度、抗沖擊性能、固化時間等指標符合SY/T7368 規(guī)范要求。一般采用E-44 非溶劑型液體環(huán)氧樹脂，固化劑由涂料生產(chǎn)廠家按比例配制。

（2） 玻璃纖維在玻璃鋼防護層中主要起增強作用，預制管道玻璃鋼防護層通常選用無堿玻璃纖維布或玻璃纖維紗[5]，無堿玻璃纖維比有堿玻璃纖維耐水性強，其性能指標符合SY/T7368 規(guī)范要求。

2.3 施工工藝

（1） 施工準備。正式作業(yè)前應完成以下準備工作：完成纏繞作業(yè)線調(diào)試，確保電機、小車、工作臺正常運轉(zhuǎn)，在控制計算機上完成纏繞方式、循環(huán)次數(shù)、管徑、管長、纏繞厚度等參數(shù)的錄入和調(diào)試，將小車沿軌道移動至待涂敷管道首端或者末端。

（2） 鋼管表面處理。正式纏繞前，應對待纏繞管道進行外觀檢查，清除管體表面的泥土灰塵，3PE 防腐層不得有脫層、褶皺、氣泡等[6]。對PE層表面的毛刺、棱角進行處理，使其平整光滑。

為提高玻璃鋼防護層與管道3PE 防腐層之間的黏結(jié)強度，應對3PE 防腐層表面進行粗糙化處理。首先將3PE 防腐層表面加熱至60～90 ℃，同時用手動鋼絲刷或機械鋼絲輪交叉打磨、拉毛處理，拉毛深度為0.3～0.4 mm。加熱過程應采用接觸式測溫儀對加熱溫度全程監(jiān)測，防止加熱溫度過高導致PE 層碳化，影響管道整體防腐質(zhì)量。

PE 層表面粗糙化處理后應使用抹布擦拭干凈，并清除管體表面和錨紋內(nèi)的灰塵、顆粒等。清理合格后，方可進行下一步施工。

（3） 玻璃纖維浸涂與纏繞。進行PE 拉毛處理的同時，應按照生產(chǎn)廠商的要求提前配制環(huán)氧樹脂涂料。PE 層處理合格后，將配制好的樹脂涂料倒入涂料槽內(nèi)或通過比例泵注入涂料槽內(nèi)。正式纏繞前，應對玻璃纖維進行浸泡，并將玻璃纖維端頭系在管體上，如圖1 所示。一切就緒即可啟動伺服電機，小車沿軌道往復行進，鋼管繞軸線旋轉(zhuǎn)，玻璃纖維通過涂料槽浸潤無溶劑環(huán)氧樹脂，然后螺旋纏繞在管道3PE 表面，形成玻璃鋼防護層，整個作業(yè)過程由計算機控制自動完成。小車往復行進次數(shù)視玻璃鋼保護層設計厚度而定，小車每往復一次厚度增加0.6～0.7 mm。纏繞應搭接均勻，無褶皺、流掛、氣泡、露白，管端留頭長度不小于150 mm，留頭部位不得纏繞。纏繞過程應安排專人將玻璃纖維纏繞時擠出的環(huán)氧樹脂及時刮除，并回收利用。

2.4 質(zhì)量檢查要求

玻璃鋼防護層涂敷施工完成后，防護層整體固化時間為常溫5～7 d。固化期間應避免雨淋和泡水，如遇到雨天、風沙天氣，應覆蓋塑料薄膜進行保護或放入通風良好的室內(nèi)保護起來，待防護層完全固化后，對玻璃鋼防護層的外觀、厚度、硬度、黏結(jié)強度等質(zhì)量指標進行檢查。

（1） 外觀質(zhì)量檢查。逐根進行目測檢查，玻璃鋼保護層表面應平整光滑，無開裂、褶皺、氣泡、空鼓、發(fā)白、流掛以及玻璃纖維外露[5]，搭接均勻且黏接密實，玻璃纖維絲空隙被環(huán)氧樹脂涂料所灌滿，表面色澤均勻。

（2） 厚度檢查。玻璃鋼防護層完全實干后，用涂層測厚儀對玻璃鋼厚度逐根進行測量，測量方式為隨機在玻璃鋼軸向抽取3 個位置，測量每個位置圓周方向均勻分布的任意4 個點的厚度[7]，以最小厚度達到設計選用的厚度為合格，厚度允許偏差為±50 μm。

（3） 硬度檢查。玻璃鋼固化后應逐根進行硬度檢驗，檢驗方式采用巴氏硬度計，沿管道軸向平均分布的3 個點進行測量，以檢測結(jié)果不小于30 HBa 為合格[5]，檢查玻璃鋼防護層溫度，宜為（20±5） ℃。冬季施工，當管體溫度不在試驗范圍內(nèi)時，應采用火焰加熱器對管體進行局部預熱，預熱溫度達到試驗范圍后方可進行檢測。

（4） 黏結(jié)強度檢查。玻璃鋼完全固化后，按照SY/T 6854 規(guī)定的方法對玻璃鋼防護層與3PE 防腐層間的黏結(jié)強度進行檢測，宜在管體溫度不高于30 ℃時進行檢測，每連續(xù)涂敷100 根至少抽檢1根，不足100 根的按100 根計，也應抽測一次。測試位置宜選在管體端部位置，以PE 層和玻璃鋼之間的黏結(jié)強度≥3.5 MPa 為合格。當黏結(jié)強度檢測不合格時，應加倍抽檢，如仍不合格，則逐一進行附著力檢測。黏結(jié)強度檢測不合格，應調(diào)整工藝，重新進行涂敷纏繞，黏結(jié)強度檢測合格后，應對檢測所破壞的涂層進行修補。

3 實施效果

筆者所在的公司在兩個天然氣管道工程的定向鉆穿越管段防護層施工中采用了玻璃鋼防護層一次成型技術，完成了DN200～DN1 000 共6 個規(guī)格的3PE 管道玻璃鋼防護層涂敷纏繞施工。實踐證明，玻璃鋼防護層的外觀、厚度、硬度、黏結(jié)強度等指標均符合SY/T 7368 穿越管道防腐層技術規(guī)范要求，且施工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。同時，玻璃鋼防護層一次成型采用全自動纏繞方式進行預制，單管預制時間大大縮短。以D1 016 mm 規(guī)格鋼管、預制二布五油結(jié)構(gòu)、厚度不小于1 200μm 的玻璃防護層為例，一般單管預制時間約為30～45 min；若按傳統(tǒng)手工分層涂敷纏繞方式，進行下一層涂敷纏繞前須等待上一層表干，每層玻璃鋼防護層表干周期為1～2 d，每根鋼管的玻璃鋼防護層預制時間要長達5～7 d，防護層一次成型施工工效比傳統(tǒng)施工方式提高至少10 倍以上。由此可見，在預制周期、質(zhì)量穩(wěn)定性等方面，玻璃鋼防護層一次成型技術均有顯著的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

（1） 玻璃鋼防護層一次成型技術自動化程度高，可一次性高效完成PE 管道防護層的預制，具有質(zhì)量穩(wěn)定、預制周期短的特點，與水平定向穿越施工周期短、任務緊的特點相匹配。

（2） 玻璃鋼防護層一次成型技術工藝簡單，設備投入少，安裝移動便捷，既可在工廠進行預制，也可現(xiàn)場作業(yè)，可滿足水平定向鉆穿越施工流動性強的要求。

（3） 隨著油氣長輸管道投資的不斷加強，長距離定向鉆穿越工程將不斷出現(xiàn)，玻璃鋼防護層在穿越管道3PE 防腐層的防護中將扮演更加重要的角色，玻璃鋼防護層一次成型技術將成為穿越管道3PE 防腐層防護技術的主要發(fā)展方向[8-9]。