三层PE防腐保温管的复合极化处理及工程应用

鲍新愿，张茜，贾真，魏东锋，祖之英

1.新疆鹏远新材料股份有限公司，新疆乌鲁木齐830000

2.长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗017300

3.山东胜利钢管有限公司，山东淄博255080

三层PE防腐保温管的复合极化处理及工程应用

鲍新愿1，张茜2，贾真2，魏东锋3，祖之英1

1.新疆鹏远新材料股份有限公司，新疆乌鲁木齐830000

2.长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗017300

3.山东胜利钢管有限公司，山东淄博255080

三层PE防腐保温管中，高密度聚乙烯层与聚氨酯硬质泡沫保温层之间存在弱边界层，为了满足定向穿越对防腐保温管剪切强度的要求，最有效的方法是对高密度聚乙烯层进行极化处理。介绍了利用抛丸、火焰加热复合极化工艺对三层PE防腐管进行极化的工艺流程、设备及检测方法，探讨了抛丸、火焰加热复合极化机理及对粘接力的影响。试验和工程应用表明：极化处理后的三层PE防腐管聚乙烯层表面张力均大于5.4×10-2N/m；在常温（（23±2）℃）下，防腐保温管的轴向剪切强度≥0.3 MPa，切向剪切强度≥0.37 MPa；穿越管段采用该三层PE防腐管能够承受定向钻回拖时的外在条件，满足设计技术指标和要求。烟台至淄博管道工程中的所有定向穿越工程均使用该三层PE防腐保温管，无任何质量问题出现。

三层PE防腐保温管；复合极化；抛丸；火焰加热；粘接力

高密度聚乙烯外护聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管由于工程造价低，热损耗低，节约能源，防腐绝缘性能好，使用寿命长，占地少，施工快，有利环境保护等优点而被广泛用于液体和气体的输送管网、石油化工保温工程、集中供热管网、中央空调通风管道、市政工程等。

聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管由钢管-防腐层-硬质聚氨酯泡沫塑料保温层-高密度聚乙烯防护层-端面防水帽组成。保温管中的防腐层通常采用单层环氧粉末涂层、双层环氧粉末涂层、环氧液体涂料涂层。

对于穿越沼泽、河流、泥潭等特殊地域的防腐保温管，因地域环境恶劣必须提高钢管的防腐能力，钢管防腐层大多采用三层PE防腐结构。单层环氧粉末涂层、双层环氧粉末涂层、环氧液体涂料涂层是极性材料，可以有效地与聚氨酯硬质泡沫塑料保温层粘接，满足保温层与防腐层之间剪切强度的要求。

三层PE防腐层中，高密度聚乙烯（HDPE）是一种结晶度高、非极性、低表面能的树脂材料。高密度聚乙烯层与聚氨酯硬质泡沫保温层之间存在弱边界层，即内聚强度很低，二者之间不能很好的接触浸润，导致粘接力很弱，在外力或温差作用下，接触面一旦滑动分离，必然导致脱壳。为了形成“四位一体”结构，保证整体使用寿命，满足定向穿越对防腐保温管剪切强度的要求，最有效的方法是对高密度聚乙烯层进行极化处理。

对于三层PE防腐层，使用常规的电晕极化方式存在以下不足：

其一，电晕的高极化电压容易击穿防腐层，破坏了防腐质量。

其二，不能满足连续作业的要求。

其三，难以保证稳定的极化效果。

通过反复比较试验，在原有钢管抛丸除锈作业线上，增加了火焰加热环节，成功开发了对三层PE防腐层进行抛丸、火焰加热复合极化处理的工艺，提高了三层PE各界面层之间的粘接力。该复合极化工艺获得了国家发明专利[1]。

1 抛丸、火焰加热复合极化工艺流程及设备

（1）三层PE防腐层的复合极化工艺流程如下：三层PE防腐管→抛丸→干燥纯净压缩空气吹扫→高温火焰加热→质量检验。

（2）三层PE防腐层的抛丸强化。采用原有钢管抛丸除锈线进行三层PE防腐层的抛丸强化、极化处理。钢管直径360～1 620 mm，长度8～13 m；抛丸器功率为2×75 kW；钢丸与钢砂的配比为1∶3；防腐管的移动速度为1.5～2 m/min。

（3）火焰加热极化（如图1所示）。火焰加热喷枪数量8～12把，火焰加热枪距防腐管距离为15～20 cm，火焰加热区域温度为1 500～2 000℃，防腐管的移动速度为1.5～2 m/min。

图1 防腐管的火焰加热极化

2 抛丸、火焰加热复合极化机理及其对粘接力的影响[2-3]

2.1 抛丸、火焰加热复合极化机理

（1）抛丸。抛丸是利用高速旋转的叶轮将一定配比的钢丸、钢砂抛掷出去，高速撞击三层PE防腐管的PE层表面。其作用是：

其一，使PE表面层产生极为强烈的塑性形变，即产生表面强化层。强化层内形成了密度极高的位错，并且在随后的交变应力或温度（或二者）的作用下，位错逐渐排列规则，形成多边形化。

其二，使PE表面层形成大于0.2～0.25 mm深度的锚纹，表面粗糙度明显变化。

其三，去除造成PE表面层内聚强度低的低分子聚合物、防老剂、其他添加剂或污染物，提高了PE表面层的表面能。

其四，接触角下降，表面张力提高。

（2）火焰加热。火焰加热的瞬间高温效应，加快了聚乙烯的化学反应，使得高密度聚乙烯表面产生了自由基，这些活性基团以共价键形式互相结合，引起分子交联，这样，原来聚乙烯的线性分子结构就变成了三维网状结构。聚乙烯表层分子形成的极性活性基团提高了高密度聚乙烯表面的极性，因而其表面张力也大大提高了。

2.2 抛丸、火焰加热复合极化处理对粘接力的影响

（1）表面粗糙度的影响。三层PE防腐层经抛丸、火焰加热复合极化处理后，表面由光滑变粗糙，并且表面形成均匀、细小的凹坑和孔隙。当聚氨酯泡沫塑料发泡时，由于分子的扩散渗透作用，泡沫分子进入聚乙烯表面的凹坑和孔隙中，泡沫固化后被机械地镶嵌在凹坑和孔隙中，形成许许多多的机械连接点，从而大大提高了聚乙烯与聚氨酯泡沫塑料之间的粘接力。

（2）表面极性基团的影响。聚乙烯与聚氨酯泡沫塑料之间的吸附作用是由范德华力所引起的。未处理的聚乙烯分子基本上不带极性基团，是一种非极性高分子，不能形成取向力，故附着力很弱；复合极化处理后，聚乙烯表层分子导入了极性基团，形成了色散力、诱导力和取向力，提高了聚乙烯与聚氨酯泡沫塑料之间的吸附力和粘接力。

（3）表面能、表面张力的影响。聚乙烯与聚氨酯泡沫塑料之间粘附力的形成可以分为两个阶段，第一阶段是浸润阶段，即在发泡时泡沫分子的布朗运动，使大分子链吸附在聚乙烯表面上；第二阶段是粘接，即分子之间的力发生作用。

未处理的聚乙烯表面能和表面张力比较小，接触角大，聚氨酯泡沫在其表面不能很好地浸润，故不能形成良好的粘接力。经复合极化处理后，聚乙烯的表面能和表面张力得到提高，接触角下降，聚氨酯泡沫的浸润性能得以改善，从而有利于粘接性能的提高。另外，复合极化处理还能除掉和烧掉析出后留在聚乙烯表面上的低分子物质，以及吸附在聚乙烯表面上的灰尘、油污、水汽，这对粘接力的提高也很有好处。

3 三层PE防腐保温管复合极化的性能

3.1 复合极化后的聚乙烯表面张力

（1）聚乙烯表面张力的测试方法。表面张力的测试采用浸润张力试验法，测定液为甲酰胺-乙二醇乙醚测定液。测试方法：用棉球棒蘸取已知表面张力的测定液，在被处理的聚乙烯表面上涂抹5～6 cm2的面积，若此液膜在聚乙烯表面保持2 s以上不破裂，再用表面张力高的测定液进行测定，若液膜在2 s内破裂成许多小液滴，则再用表面张力低的测定液进行测定，直到获得恰当的表面张力值。值得注意的是测定液不要涂得过多或过少，否则会影响测定的准确性。

（2）本研究项目中经复合极化后的聚乙烯表面张力。在常温（23±2）℃下，用5×10-2N/m的测定液（90.7%甲酰胺-9.3%乙二醇乙醚），5.2× 10-2N/m的测定液（93.7%甲酰胺-6.3%乙二醇乙醚），5.4×10-2N/m的测定液（96.5%甲酰胺-3.5%乙二醇乙醚）分别检测极化处理后的三层PE防腐管，结果表明表面张力均大于5.4×10-2N/m。

3.2 三层PE防腐保温管的剪切强度

随机取样由极化后三层PE防腐管制作的聚氨酯保温管，在常温下（23±2）℃检测，结果表明防腐保温管的轴向剪切强度≥0.3 MPa，切向剪切强度≥0.37 MPa。

4 利用复合极化工艺生产的三层PE防腐保温管的工程应用实例

4.1 工程概况

烟台港西港区至淄博重质液体化工原料输送管道工程，包括一条干线（烟台首站至华星分输站）和五条支线（寿光-联盟、华星-正和、华星-天宏-京博、华星-金成、华星-汇丰），干线管径为711mm，总长度295.1 km，干线和支线总长度525.687 km。

4.2 三层PE防腐保温管试验性穿越

烟台港西港区至淄博重质液体化工原料输送管道工程干线，在定向钻穿越区域采用三层PE防腐层-硬质聚氨酯泡沫塑料保温层-高密度聚乙烯防护层-端面防水帽的复合防腐保温形式，在其他区域则采用双层熔结环氧粉末防腐层-硬质聚氨酯泡沫塑料保温层-高密度聚乙烯防护层-端面防水帽的复合防腐保温形式。这两种复合防腐保温形式在国内的大口径长输管道中首次大规模采用，穿越后防腐保温结构能否保证完整有效，需要试验加以验证。

设计建议在弥河定向钻穿越管段回拖之前，对4根钢管、3道焊口的验证管段进行试验性回拖，成功后再进行全穿越管段的试验性回拖，为后续工程取得实证数据和经验。

2012年5月12日弥河定向钻试验性穿越实施开钻导向孔，历时10 d最终成孔，2012年5月22日开始短管段试验性回拖，5月23日8点管段开始出土，至13点，试验管段全部拖出，截断后一分为二，放置于现场检修工作区。

4.3 现场试穿论证与工程实施

2012年5月23日，专家们经过论证，形成了以下一致意见：

（1）三层PE防腐层+聚氨酯泡沫保温+PE防护层的复合防腐保温结构能够经受定向钻恶劣的工作条件，满足设计技术指标和要求。

（2）热熔套袖+黏弹体+玻璃钢保护接头设计形式能够承受定向钻回拖时的外在条件，可保证接头密封完好。

（3）穿越管段采用零浮力回拖方法是安全可行和有保障的。

（4）本次论证会议确定的施工方式，适用于烟台至淄博管道工程中的所有定向钻穿越工程。

依照弥河定向钻试验性穿越论证会确定的施工方式，烟台至淄博管道工程中的所有定向钻穿越工程均使用抛丸、火焰加热复合极化工艺生产的三层PE防腐保温管，无任何质量问题出现。

[1]鲍新愿，闫德泉，刘彦良，等.高剪切力三层聚烯烃防腐保温管及其制作工艺[P].中国：201210178481.6.

[2]徐晓秋.聚合物的粘附：弱边界层的重要性[J].化学与粘合，1995（4）：239-241.

[3]陈海峤.聚乙烯管内壁极化处理[J].油气储运，1991，10（1）：27-31.

表4 外管式和内板式吊耳对比

摘除索具的操作平台非常重要，大多数情况下采用何种形式的吊耳与是否有平台有决定性关系。如果能利用设计院设计的正式平台直接人工摘索具，这种情况下采用内板式吊耳是最优的；如果不能利用设计院设计的正式平台摘除索具，那么，要么搭设临时平台焊接内板式吊耳，要么设置外管式吊耳，最不可取的是设置内板式吊耳而用吊篮摘除索具，高空作业利用吊篮摘除索具很危险[5]。

综上所述，在不考虑吊车能力、索具起重量、手段用料量、焊接量等的情况下，若可以用正式平台摘除索具，则设置内板式吊耳为最优；若不能利用正式平台摘除索具，则设置外管式吊耳为最优，而设置内板式吊耳次之。如果遇到吊车能力、索具起重量和工期很敏感的情况，就要综合分析出适合本次吊装的吊耳形式。

3 结束语

吊装再生器筒体具体采用何种形式的吊耳，要具体问题具体分析，不能千篇一律或一味模仿。要根据筒体直径、质量、平台位置、吊车能力、净空、手段用料量等诸多因素，以及两种形式的吊耳所涉及的不同施工面所占的比率大小，选择最适合该再生器吊装的吊耳形式。采用何种吊耳形式一般都会有利有弊，那么在最安全可靠最容易实施的前提下，把缺点降到最低，设计出性价比最高的吊装方案。

参考文献

[1]SH/T3536-2011，石油化工工程起重施工规范[S].

[2]SH 3515-2003T，大型设备吊装工程施工工艺标准[S].

[3]GB 50798-2012，石油化工大型设备吊装工程规范[S].

[4]葛庆栋，郑浩，贾桂军.大直径重型薄壁圆筒体立式吊装工艺简述[J].石油化工建设，2014，40（1）：45-48.

[5]SY6279-2008，大型设备吊装安全规程[S].

作者简介：

任旭鹏（1986-），男，山东青岛人，工程师，2008年毕业于大庆石油学院过程装备与控制工程专业，现从事石油炼化、化工设备的吊装方案编制工作。

收稿日期：2015-04-30

Combined PolarizationTreatmentof3L PEPipes and Engineering Application

BAO Xinyuan1，ZHANG Qian2，JIAZhen2，WEIDongfeng3，ZU Zhiying1
1.Xinjiang Pengyuan New Materials Co.，Ltd.，Wulumuqi830000，China
2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Wushenqi017300，China
3.Shandong ShengliSteelPipes Co.，Ltd.，Zibo 255080，China

There is a weak interface between the high density polyethylene layer and the hard polyurethane foam layer in 3LPE structure of anticorrosion pipe.In order to meet the shear strength requirement of the anticorrosion pipe for directional drilling crossing，the most applied method is to conduct polarization treatment of the high density polyethylene layer.The process flow，equipment and inspection method of polarization treatment of 3LPE pipe by applying combined blasting and flame heating process are introduced.The mechanism of the combined blasting and flame heating process and its effect on adhesion are also discussed，The tests and engineering application show that for polarization treated 3LPE pipes，the surface tension of polyethylene layers is greater than 5.4×10-2N/m；Axialshear strength is greater than 0.3 MPa and tangential shear strength is greater than 0.37 MPa at normaltemperature of（23±2）℃；The crossing pipeline section constructed with this kind of pipes can bear the pullback forces during directional drilling and meet design specifications.All directional drilling projects in Yantai-Zibo Pipeline Project adopt this kind of pipes and no any quality problem is found.

3LPE pipe；combined polarization；blasting；flame heating；adhesion

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.018

鲍新愿（1961-），男，河北石家庄人，高级工程师，1990年毕业于天津大学机电一体化工程专业，现主要从事管道防腐绝热技术的开发和管理工作。

2015-05-26