埋地保温管道防腐蚀保温层修复技术

姜有文,黄光前,李菲菲,刘文会,刘 猛,盖健楠

(1. 中国石油管道公司，廊坊 065000；2. 中国石油西气东输管道公司 武汉管理处，武汉 430073；3. 长春输油气分公司，长春 130062)

目前，长输埋地保温管道主要采用硬质聚氨酯泡沫塑料(保温层)和高密度聚乙烯塑料(外防护层)的复合结构作为管道的防腐蚀保温层[1-2]。20世纪80年代，我国相继建成了中洛线、花格线和胶青线等长输埋地保温管道，但这些管线在运行1～2 a后均出现了由于防腐蚀保温层失效而导致的严重腐蚀问题，给管道的安全运行带来了严重隐患，部分管线甚至直接停输[3]。这导致国内长输埋地保温管道在很长一段时间内停止建设。但随着我国对节能环保要求的不断提高，埋地保温管道因能满足节能环保要求而重新得到重视。近年来，国内相继建成了长呼、津华等埋地保温管道。埋地保温管道保温层具有高绝缘特性，这使得阴极保护无法起到有效的保护作用[4-6]，因此埋地保温管道的防腐蚀保温层是管道重要的防腐蚀控制措施。本工作对某埋地保温管道防腐蚀保温层进行现场调查，对埋地保温管道防腐蚀保温层的修复材料、结构、施工等开展了研究，确定了修复材料和结构并在现场进行了应用，最后通过开挖验证该修复结构的修复效果。

1 防腐蚀保温层的现场调查

1.1 防腐蚀保温层的失效情况

对某埋地保温管道进行现场开挖，调查其防腐蚀保温层的情况。在调查过程中发现，防腐蚀保温层存在着以下几方面的问题。

1) 防腐蚀保温层存在破损，破损的主要原因是机械划伤，如图1(a)所示。

2) 防腐蚀保温层与主管道PE防护层之间黏结失效，两者之间有缝隙，补口处的固定片因胶层未被烤化，出现黏结失效现象，如图1(b)所示。

(a) 破损 (b) 黏结失效 (c) 防水帽失效图1 防腐蚀保温层的失效情况Fig. 1 Failure situations of anti-corrosion and thermal insulation coating:(a) damage； (b) banding failure； (c) failure of waterproof cap

3) 预制在管端的防水帽存在破损及黏结失效，失效的主要原因是建设期补口施工过程中火焰烧烤所致，如图1(c)所示。

1.2 修复施工时存在的问题

目前，在埋地保温管道防腐蚀保温层修复施工时主要存在以下几方面的问题。

1) 以冷缠带作为外防护层进行施工时，由于冷缠带采用缠绕方式包覆，需要对缠带进行轴向搭接，但实际施工中常出现冷缠带搭接不严实，导致搭接位置存在缝隙，这些缝隙为地下水进入防腐蚀保温层提供了通道，如图2所示。

图2 冷缠带搭接情况Fig. 2 Situation of overlapping of cold tape

2) 聚氨酯泡沫塑料现场发泡时，未使用专用的发泡模具,导致聚氨酯泡沫从模具与原外防护层之间的缝隙处流出，严重影响了聚氨酯泡沫塑料的性能，如图3(a)所示。

3) 现场发泡的聚氨酯泡沫塑料存在泡孔不均匀、表面存在孔洞、泡沫内部不致密、疏松等缺陷，并且聚氨酯泡沫塑料的抗压强度也未达到标准要求，如图3(b)所示。

(a) 流出的聚氨酯泡沫

在实验室内对现场发泡的聚氨酯泡沫塑料(未用专用发泡模具)与工厂预制的聚氨酯泡沫塑料即保温瓦进行抗压强度测试，结果如表1所示。从测试结果可以看到：现场发泡的聚氨酯泡沫塑料的抗压强度远小于GB/T 50538-2010标准《埋地钢质管道防腐保温层技术规范》的要求；而保温瓦的抗压强度均接近标准要求。这说明现场发泡未使用专用模具，得到的聚氨酯泡沫塑料质量较差,不满足标准要求。

表1 聚氨酯泡沫塑料的抗压强度Tab. 1 Compressive strength of polyurethane foam MPa

1.3 修复后存在的问题

某长输埋地保温管道经外检测后，对其防腐蚀保温层存在缺陷的补口位置进行修复，修复采用"聚丙烯冷缠带+聚氨酯泡沫塑料(现场发泡)+聚丙烯冷缠带"的结构。两年后，对该管道进行开挖，验证其防腐蚀保温层的修复效果。

开挖结果表明：外层的聚丙烯冷缠带存在褶皱，并且搭接处存在缝隙，冷缠带在底部与保温层发生脱离，如图4所示；聚氨酯泡沫塑料保温层变形并且有水进入，如图5所示。修复回填后，土壤的沉降使冷缠带受到土壤应力作用，因此发生褶皱。现场发泡的聚氨酯泡沫塑料硬度较低，抗压强度低，是导致其发生严重变形的原因。

图4 外防护层失效Fig. 4 Failure of outer protective layer

图5 保温层变形Fig. 5 Deformation of thermal insulation layer

2 修复材料及结构

2.1 修复材料选用原则

修复材料的选用应考虑以下几方面因素。

1) 修复材料的施工性能。所选的修复材料应具有良好的现场施工性能，考虑到管道运行期一些施工机械(如喷砂机械)难以进场，应选择表面处理达到St3级即可进行施工的修复材料。

2) 底层防腐蚀材料的耐水浸泡性能。底层防腐蚀材料是保温管道的最后一道防线，应保证底层防腐蚀材料在有水的环境中仍与管体具有良好的黏结性能，在管体表面要有足够的胶层覆盖率，从而保证在水进入保温层内时，管体不发生腐蚀。

3) 外防护层应具有良好的整体性和抗土壤应力的性能。如采用缠带类外防护层，在施工时难免会出现搭接不严实的情况，因此，应选用整体性好的外防护层。同时，修复回填后，土壤会发生沉降，对管道产生应力作用，外防护层应具有较好的抗土壤应力的性能，以保证外防护层不会因土壤应力的作用而发生褶皱。

4) 保温层选用目前埋地保温管道普遍采用的聚氨酯泡沫塑料(可采用现场发泡或工厂预制的保温瓦)。采用现场发泡时，应采用专用的发泡模具进行现场发泡，严格执行现场发泡工艺，保证现场发泡质量。

2.2 修复材料筛选

根据上一节修复材料的选用原则，筛选出了3种材料，分别是国外某黏弹体(A)、国内某厂家黏弹体(B)和国内某厂家新型胶带(C)。选用从3PE管子截取的管段作为试件，对其金属表面进行喷砂处理，然后将3种修复材料分别粘贴在金属和3PE表面。将试件放入80 ℃热水中浸泡100 d后，测3种修复材料与PE和金属之间的剥离强度和胶层覆盖率，结果如图6所示。

结果表明：经过100 d热水浸泡后，材料A在金属和PE表面的胶层覆盖率达到90%以上，与金属和PE之间的剥离强度分别为2.5,3 N/cm；材料B在金属和PE表面基本无胶层覆盖，直接发生了剥离；材料C在金属和PE表面的胶层覆盖率达到90%以上，但胶层会出现颗粒和变硬的现象，并且胶带的背材与胶层之间发生剥离。

比较3种修复材料热水浸泡试验结果可知，材料A的性能优于材料B和C的。考虑到运行期间管道所处地下水温度不会达到80 ℃，故对材料A进行了常温水浸泡试验。结果表明：经过100 d常温水浸泡后，材料A在金属和PE层表面的胶层覆盖率达到了90%以上，胶层下面无水进入，如图7所示。因此，选定材料A作为防腐蚀保温层的修复材料。

2.3 修复结构

设计保温管道防腐蚀保温层修复结构为：黏弹体(纤维增强型)+聚氨酯泡沫塑料(现场发泡或保温瓦块)+外防护层(压敏胶带或电热熔套)。如对保温管道补口进行修复，应先去除破损的防水帽，然后用黏弹体胶带将聚氨酯保温层包覆。修复结构如图8所示。

(a) 材料A (b) 材料B (c) 材料C图6 3种修复材料热水浸泡试验结果Fig. 6 Results of hot water immersion test for three repair materials：(a) material A; (b) material B; (c) material C

(a) 与金属黏结

(b) 与PE黏结图7 材料A常温水浸泡试验结果Fig. 7 Results of room temperature water immersion test for material A： (a) adhesion with steel； (b) adhesion with PE

图8 修复结构示意图Fig. 8 Schematic diagram of repair structure

3 修复施工要点

3.1 防腐蚀保温层施工

1) 防腐蚀保温层清除

将主体管道的防腐蚀保温层及管体表面清理干净。对于补口位置，应将管道两端密封失效或存在端部翘边、开裂、破损的防水帽去除。

2) 表面处理

(1) 管体除锈应首选喷砂除锈方式，现场条件不允许的情况下可采用手持式角向除锈机，表面处理等级应达到Sa2.5级或St3级。

(2) 采用酒精或丙酮清洗管体表面，确保管体表面干燥、无浮锈、无污物。搭接部位的主管道外防护层及防水帽表面应平整、干燥、无污物。

(3) 对主体管道外防护层与黏弹体胶带的搭接区应做打毛处理。

3) 防腐蚀施工

(1) 表面清理完成后宜立即进行防腐蚀施工，若已处理表面出现返锈的情况，都应在施工之前重新进行处理。

(2) 黏弹体胶带缠绕施工时，应保持胶带平整并具有一定的张力，边缠绕边擀/按压黏弹体胶带，使胶带保持平整无褶皱，搭接均匀、无气泡，与被粘贴表面密封良好。

(3) 黏弹体胶带层与层之间的轴向搭接应不小于10 mm；采用对包缠绕时，胶带始末端的搭接长度应不小于50 mm，环向搭接缝应错开，搭接缝必须在管道顶部且保证接口向下，与其他涂层的搭接长度应不小于50 mm。

3.2 聚氨酯泡沫塑料现场发泡及保温瓦安装

1) 聚氨酯泡沫现场发泡

(1) 聚氨酯保温层现场发泡时，应根据修复管段长度计算所需发泡剂用量，并严格按照用量进行配比。

(2) 发泡模具应紧固在修复位置两端的主管道外防护层上，以确保与主体防护层搭接处无缝隙，模具与主体管道防护层的搭接长度应不小于100 mm，浇注口向上。

(3) 环境温度低于产品说明书要求的施工温度时，模具、泡沫塑料原料应预热后再进行发泡。

(4) 模具内表面应涂刷脱模剂。

(5) 达到产品要求的发泡时间后方能拆除发泡模具。

2) 保温瓦安装

(1) 选择的保温瓦块厚度应与管体保温层厚度一致，性能应满足标准的要求。

(2) 根据修复管段长度选择保温瓦块，并进行适当的切割，以实现与修复管段长度相符，与原管段保温层无缝对接。

(3) 安装保温瓦块时，应先将两块保温瓦对接好，然后用胶带将保温瓦块缩紧，保证两块保温瓦块不会因重力而分开。

(4) 使用手持发泡枪对保温瓦块与原管段保温层之间的缝隙进行填充。

表2为现场发泡与保温瓦块优缺点对比。

表2 现场发泡与保温瓦优缺点对比Tab. 2 Comparison of advantages and disadvantages between on-site foaming and insulation tiles

3.3 外防护层施工

1) 压敏胶型热收缩带安装

压敏胶型热收缩带与管道原有防护层的搭接长度应不小于100 mm。如果一条压敏胶型热收缩带宽度不能覆盖修复区域，可采用多条压敏胶型热收缩带搭接，搭接长度应大于50 mm。压敏胶型热收缩带应按照产品说明书的要求进行安装。

2) 电热熔套安装[8]

(1) 根据电热熔套安装指导书，进行典型环境中的热熔适应性试验，确定最佳的焊接参数。

(2) 根据修复管段尺寸，选择尺寸匹配的电热熔套，电热熔套与主管体外防护层的搭接宽度应不小于100 mm，电热熔套接电源一端需要进行坡度处理，形成不大于30°的倒角，宽度方向处理宽度应不小于60 mm。

(3) 用宽度不小于50 mm的捆扎带将电热熔套固定在修复位置。在电热熔套两端与主管体外防护层搭接处，电热熔套中间位置各安装一条捆扎带。两端的捆扎带应确保捆扎在电热熔丝的位置上。

(4) 按照确定的焊接参数进行电热熔焊接，在焊接完成并冷却20 min后卸掉捆扎带。

4 应用情况

目前，此修复技术已在某长输埋地保温管道近400道补口修复工程中得到广泛应用。并对其中的两处修复效果进行了开挖验证。开挖结果表明，修复材料和修复结构能起到有效的防水密封作用，修复外防护层与主管道外防护层之间的剥离强度达到20 N/cm，保温层内无水进入，修复效果良好。