油气管道现代外补口技术的研究与应用进展

油气管道现代外补口技术的研究与应用进展陶志刚1鲍宇2赵建国21.北京天然气管道有限公司，北京102488；2.中国石油管道学院，廊坊065000摘要：油气管道外防腐层补口是管道防腐系统工程中的重要环节，其质量已成为管道寿命和运行安全的主要制约因素。本文综述了油气管道外防腐层补口技术的研究与应用现状，介绍了管道防腐补口技术的新发展，指出了我国当前补口技术的不足，并预示了补口技术的发展前景。关键词：油气管道；补口；防腐；现状；发展中图分类号：TE98文献标识码：A1、引言管道输送是石油、天然气运输的主要方式，具有方便、快捷、成本低等特点。目前，我国有85%的石油和100%的天然气靠管道输送。因此，管道的安全运行就显得特别重要，而管道能否安全运行的一个非常关键的因素就是对管道的腐蚀控制。众所周知，在整个管道防腐施工中，补口是保证管道防腐完整性的重要工艺，一旦补口失效，腐蚀介质会很容易进入，形成腐蚀电池，从而造成补口部位的腐蚀，甚至造成严重的事故发生。据统计，大部分穿孔事故发生在管道焊接缝补口附近，此部位的严重腐蚀事故在国内外屡见不鲜[1]。因此，要彻底解决管线腐蚀，提高管线使用寿命，就必须有效解决防腐层的补口问题。多年以来，国内外广大科技工作者，在补口材料、补口方法、工艺和技术设备等诸多方面进行不断研究，开发出了许多管道防腐补口的新技术，有力地保障了管道腐蚀的有效控制。管道现场防腐层补口技术的发展是与干线管道防腐层技术的发展相一致的。在过去的半个多世纪当中，管道防腐层经历了一个从石油沥青、环氧煤沥青、煤焦油瓷漆、聚乙烯冷缠胶带等防腐层到今天的高科技聚合物防腐层的演变过程。现代管道工程则强调高性能、高质量的防腐层。如三层聚乙烯（3LPE）、单层熔结环氧粉末（FBE）、双层熔结环氧粉末，近些年又采用多层聚丙烯（MLPP）。在欧洲和中东地区的管道主要采用三层聚乙烯防腐层，在北美等地区则偏重熔结环氧粉末防腐层。近年来，我国许多大中型输油气管线也相继使用了三层PE防腐层和环氧粉末防腐层。现场补口作为整个管道防腐系统的重要环节，它必须完全适用于干线管道防腐层并且与其具有相似的特性，以获得更好的保护效果。所以，与防腐层配套的管道防腐补口技术也经历了沥青热浇涂补口、环氧煤沥青补口、聚乙烯粘胶带补口技术到环氧粉末补口、聚乙烯热收缩材料补口和液体环氧材料补口的发展过程。在近二十年当中，现场补口广泛采用的技术为：聚乙烯热收缩带（套）、熔结环氧粉末（FBE）和液体环氧、液体聚氨酯等补口技术。在近几年当中，国内外又相继开发出了一些新型防腐补口材料和技术，如聚丙烯热收缩套、粘弹体体补口涂料、聚合物网络补口技术[2]等。这些技术都有着很好的应用发展前景。2、防腐补口技术研究与应用现状随着管道防腐技术的进步，各种新型的材料和涂覆工艺不断涌现，外防腐层补口技术和方式逐渐呈多样化趋势[3、4]。国内外油气管道补口材料有PE热收缩带(套)、聚丙烯(PP)热收缩带、聚氨酯、无溶剂液态环氧、粘弹体、聚合物网络补口材料等多种形式。由于环保要求和生产实际的需要，石油沥青、煤焦油瓷漆及溶剂型环氧煤沥青等传统补口材料，已经基本退出市场应用，几乎被现代防腐补口材料所取代。2.1三层聚乙烯防腐层补口现状目前，3PE管道防腐涂层得到了越来越广泛的应用，国内长输油气管道90%以上采用3PE。3PE管线的补口主要是采用聚乙烯热收缩带（套），无溶剂液体涂料也正在使用。近年来，许多3PE油气管道的补口出现的一系列的问题，使3PE管线的补口技术及其应用效果受到了越来越多的关注。当今，国内外管道补口技术及材料整向着多样化方向发展，国内外陆续开发了一些新型补口材料和新技术，为3LPE管道补口提供了新的选择，并在3PE官道上进行了不同程度的应用。2.1.1聚乙烯热收缩带（套）补口技术上世纪六十年代聚乙烯交联技术的发展造就了目前采用的热收缩带（套）补口技术，它已经成为今天最常见的管道现场补口技术。聚乙烯热收缩带（套）由辐射交联聚乙烯片材和热熔性胶粘剂组成。施工时将其包覆在补口处均匀加热，内层胶随之熔化，使收缩带紧密地与钢管表面粘接在一起，达到密封防腐作用。新的补口工艺在热收缩带与管体之间涂敷一层双组份环氧底漆，以提高补口段的防腐性和粘结性。但是，热收缩带补口依靠现场人工操作，施工中质量受到环境和人为因素影响较大，在实际调查中发现了不少质量问题，主要表现在热收缩带与主体管道防腐层和钢管粘结不良，剥离强度偏低，甚至脱粘，在管道补口处引起了管道的腐蚀。针对热收缩带补口存在的问题，管道防腐工作者除了进一步完善技术标准规范、加强补口施工管理外，近两年中也开展了一些技术改进研究[5]，包括胶黏剂的改进，环氧底漆的研究、表面极化处理、专用机具的研制等。在胶黏剂改进方面，重点是在确保耐温性的同时，提高胶层的施工性能，改善烘烤加工的熔融效果。新研究的补口无溶剂环氧底漆，一方面提高了底漆的防腐性能，另一方面实现了环氧底漆在干膜状态或湿膜状态下安装时都与热收缩带胶层有好的粘结，大大降低了现场补口人工操作的难度。聚乙烯表面的极性处理【6】，是通过在聚乙烯表面的分了链上导人极性基团来提高材料的表面能，并提高表面的粗糙度，消除表面的弱界面层。其作用是使补口涂层与聚乙烯防腐防护层搭接部位要粘接复合紧密，以保证腐蚀介质不会从接缝处渗入。为尽快降低热收缩带施工中的人为影响，补口机具的研究和应用也受到了广泛的重视，如人们开发了利用液化石油气催化燃烧红外加热的热收缩带补口加热机具、移动式中频加热机等机具，使得管道补口各项性能指标均能达到相关标准的技术要求，热效率高，可保证热收缩带冬季补口的质量，避免人工操作对补口质量的影响，提高施工效率。2.1.2无溶剂液体环氧补口技术无溶剂液体环氧涂料是一种双组份快速固化涂料，其特点是固化快，可直接喷涂而无需加热被涂钢管，涂层机械性能好，且涂层间结合力好，与3PE等防腐层也有很强的结合力，不会产生阴极屏蔽。在涂敷作业方式上，无溶剂液体涂料主要采用机械喷涂作业，也可采用手工涂刷。该技术具有环保、安全、经济、高效率、高性能、适应各种环境等优点。2003年施工的阿塞拜疆和格鲁吉亚输油管道工程，在世界上开始较大规模使用液体环氧涂料对3层PE管道进行防腐补口[7]。国外一些工程实践证明，液态环氧补口可以解决3PE防腐管道采用热收缩带补口所存在的管道安全隐患。2005年12月，在国内输气管道—广东LNG站线项目首次引进试用了3PE管道液体环氧补口技术[8]。该技术在国内成功地用于3个方面：现场补口，防腐厂弯头防腐，定向钻穿越回拖过程中长距离管体PE层严重划伤的抢修。2010年完工的中国石化重点工程—中国石化榆济输气管道工程[9]，其3层PE管道补口材料选用了EPL—2001型无溶剂双组份液体环氧涂料。补口涂层的性能已经达到了SY/T0315-2005的相关要求。随着我国长输管道的快速发展，为节约成本和增加管道的运行寿命，国内管道工程正在逐步推广液态环氧补口技术。2.1.3液体聚氨酯涂料补口技术在国外，无溶剂聚氨酯液体涂料被认为是和3PE防腐管道匹配性较好的补口涂层之一。聚氨酯液体涂料补口的主要优势在于：一是涂层对阴极保护完全没有屏蔽作用；二是聚氨酯在PE搭接面有良好的粘接，有良好的抗土壤剪切能力；三是涂层和钢管表面粘接牢固，能够长期抵御土壤腐蚀介质的侵蚀；四是在涂敷作业方式上，主要采用机械设备进行喷涂，补口速度快、质量可靠。液体涂料补口的这些优点正对应于聚乙烯热缩材料补口的弱点，因此，国外许多大的石油公司企业都乐于采用液体聚氨酯涂料补口，许多重要管道工程中得到了应用【10】。如：撒拉哈天然气管道工程、巴库一第比利斯一杰伊汗原油管线工程、巴库一第比利斯一杰伊汗原油管线工程等。据统计，仅到2011年，液体聚氨酯涂料在管道防腐补口的用量已达到二百多万个。目前，液体聚氨酯补口在3PE管线已得到广泛许可，是目前补口主流技术之一，其中3PE防腐管线液体聚氨酯补口主要是在欧洲、中东和非洲以及俄罗斯。2011年，中国石油管道局已经联合管线补口专业公司——英国PIH公司、聚氨酯补口涂料生产商——英国Spencer公司等外国公司，在我国首次应用液态聚氨酯补口技术，在轮南至吐鲁番管道工程完成补口5081道，一次合格率达100%。2012年11月12日，我国西气东输三线西段工程一标段防腐补口施工主体完工，采用我国自主研发的液体聚氨酯材料补口，质量合格率为100%。至此，由管道局防腐公司研发的液体聚氨酯补口技术实现规模应用并取得初步成果。2.1.4粘弹体、聚合物网络补口技术粘弹性是指塑料对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性[11]。利用部分高聚物材料的粘弹性制成粘弹体防腐材料，兼有类似PE的固体特性和液体的一些特性，因此表现出良好的粘结性能和抗蠕变性能，损坏时具有一定程度的自愈合能力，可用于3LPE管道补口和异型管件的防腐。国内青海油田仙翼输气管道、西气东输一线部分站场管道曾采用粘弹体技术进行防腐层修复。自愈合粘弹体补口已经在大型管道工程中成功应用，如荷兰48英寸纵贯南北的天然气管道，沙特阿拉伯60英寸天然气管道，罗马尼亚24英寸天然气管道，中国华北某条32英寸原油管道。粘弹体补口也已经在海底管道上采用。聚合物网络涂层(PNC)是3M公司专为三层涂层系统管道开发的一种聚烯烃补口材料【12】，其含有聚烯烃和环氧树脂成分，两种组分的协同效应使其比组分单一的补口材料具有更优良的性能。同时，PNC具有极强的化学反应性能，可在不使用粘结剂的情况下，直接应用于FBE和聚烯烃表面，并通过化学反应实现粘结，有效增加了涂层的可靠性。PNC补口技术的优势在于：能够直接粘附在熔结环氧（FBE）底漆或聚烯烃的面层上，不需要额外的粘结剂；具备优良的防腐和抗机械损伤性能；适于很宽的操作温度范围和所有水深海域；现场补口操作容易、速度快，自动化程度高，而且对操作人员的技能水平要求比较低。这为施工环境特别恶劣的海洋管道等提供了一种全新的现场补口技术。2.2熔结环氧粉末防腐层补口现状进入80年代以后，随着熔结环氧这种新型防腐涂料应用于管道的防腐，带动了补口工艺、设备和材料的探索和发展。目前国内外用于熔结环氧埋地管道的外补口技术有多种。对于熔结环氧粉末防腐管道，优先选用的现场补口防腐涂料就是熔结环氧粉末本身。其现场涂敷工艺与工厂预制工艺基本相同。即现场喷砂除锈、静电加热喷涂。主要优点是熔结好，与钢管粘结力强，与管体涂层兼容性好；缺点是补口时对现场机具要求高，工艺控制非常严格，对环境和气候特别敏感，实际施工中影响因素很多，质量难以保证。此技术国外应用较多，而国内有一定数量的使用,主要用于河流穿、跨越管段的补口。热收缩套补口用于熔结环氧粉末防腐层管道，具有施工设备简单，养护时间短等特点。但是对表面处理相对较严，易产生阴极保护屏蔽，最重要的是与管体涂层的相容性差。由于环氧粉末涂层、钢管、热收缩套胶层和热收缩套聚乙烯层的膨胀系数不同，所以，即使热收缩套施工质量很好，也会随着管道使用年限的增加、冬夏的交替，使热收缩套和环氧粉末涂层产生分离，尤其是热收缩套的边缘处。双组分液体环氧涂料用于熔结环氧粉末防腐层补口备受防腐工程师的青睐。现代液体环氧类涂料的性能可以与工厂预制的熔结环氧粉末防腐层媲美，具有很好的黏结强度和抗化学腐蚀性，有着良好的抗阴极剥离性，不会产生阴极保护屏蔽。新工艺不仅广泛适用于单层环氧粉末、双层环氧粉末防腐层补口，而且可用于2PE、3PE、钢管黄夹克等防腐涂层的补口。缺点是在管道补口施工时，受环境和操作人员的熟练程度影响较大，特别是冬季施工应注意，因易产生漏点。董振丰[134]等对我国库一鄯线、涿州—石家庄输气管道熔结环氧粉末防腐层的补口技术进行比较：从补口质量和造价上来看，在环境条件允许的情况下，可优先考虑采用无溶剂液态环氧涂料补口方式；在冬季或施工期要求紧的情况下，可优先考虑采用三层结构热收缩套补口方式。刘雅军[14]对常用补口材料的进行了研究。单层FBE防腐层补口优化选材：熔结环氧喷涂FBE，优化分数S=O．95；液态环氧和聚氨酯涂料，优化分数均为