油气长输管道热煨弯管防腐层现状及展望

2020-02-17窦宏强詹胜文刘佳冯韶恒

石油与天然气化工 2020年1期

窦宏强詹胜文刘佳冯韶恒

中国石油天然气管道工程有限公司

防腐层是保护管道避免腐蚀的重要因素[1]。热煨弯管形状特殊，防腐层涂敷难以采用机械化生产线进行流水作业，只能采用手工或半机械化方式涂装。涂敷人员的能力、责任心等因素对防腐质量的影响极大。同时，热煨弯管安装在地形起伏大，落差变化剧烈的地段，管道维护和修复难度极高，又对防腐质量提出了极高的要求。因此，选用恰当防腐层和适当涂敷工艺的热煨弯管是管道建设的重点之一。

总结了已建油气长输管道热煨弯管的防腐层种类，可划分为单一结构防腐层和复合结构防腐层两种类型。

1 现状

1.1 单一结构防腐层

1.1.1 双层熔结环氧粉末防腐层

双层熔结环氧粉末(Fushion Bonded Epoxy，FBE)防腐层的底层为普通防腐型环氧粉末层，厚度≥300 μm；面层为改性耐磨型环氧粉末层，厚度≥500 μm。两种环氧粉末采用静电喷涂方式，一次喷涂到加热的钢管表面，熔融固化后形成厚度≥800 μm的防腐层。主成膜物为环氧类材料，防腐性优良；面层采用改性耐磨型环氧粉末，提高了防腐层的耐磨性；环氧粉末通过加热熔融方式固化在管道表面，防腐层与钢管通过化学键方式牢固结合，附着力强；防腐层不屏蔽阴极保护电流，被称为“失效安全型”防腐层。但环氧粉末防腐层存在耐冲击性差，阻水能力低，吸湿性强，弯曲性能差的缺点。

2014年投产的中亚C线(哈国段)天然气管道工程中管径1 219 mm，设计压力10 MPa，X80级钢的直缝埋弧焊热煨弯管采用了总厚度≥800 μm的双层熔结环氧粉末防腐层。2012年投产的西气东输二线管道工程中管径1 219 mm，设计压力12 MPa/10 MPa，X80级钢的直缝埋弧焊热煨弯管也采用了相同结构的防腐层。

1.1.2 无溶剂环氧防腐层

环氧粉末涂敷时需采用大蓄热，又急速冷却的工艺，这会导致防腐层固化不均、质量不稳定。为克服这个缺点，无需高温加热且快速水冷的无溶剂环氧防腐层应运而生。无溶剂环氧涂料采用低黏度环氧树脂、颜填料、助剂等经高速分散、研磨制成基料，以低黏度改性胺作为固化剂，组成双组分反应固化型防腐涂料[2]。无溶剂环氧防腐层与钢管表面黏结性优异，抗化学介质侵蚀、防腐性能好；与阴极保护兼容；涂敷设备少、工艺简单；无需高温加热，常温下可固化；致密性优于熔结环氧粉末防腐层。但人工涂敷无溶剂环氧涂料时，也存在防腐质量不稳定现象；常温下的固化时间长，温度更低时不发生固化反应；防腐层的机械强度和抗冲击性差。

2009年投产的川气东送管道工程中管径1 016 mm，设计压力10 MPa，X70级钢的直缝埋弧焊热煨弯管采用固含量≥99.5%(w)的无溶剂环氧涂料，并利用高压离心无气喷涂工艺，一次喷涂成膜厚度为1.0～1.5 mm，共生产热煨弯管近900个[3]。

1.1.3 无溶剂聚氨酯防腐层

无溶剂聚氨酯防腐层由多异氰酸酯组分和多元醇组分反应而成。组分中含有苯环，防腐层具有良好的机械性能；分子中的醚键可自由旋转，消除了应力，防腐层具有良好的柔韧性；多异氰酸酯组分和多元醇组分反应速度快，常温下可在0.5～2.0 h内完成固化；采用高压无气热喷涂工艺，按一次多道的喷涂方法，可一次达到规定的防腐层厚度；环境温度适应性极强，在-40 ℃的低温环境下，也可快速固化；耐磨性、抗冲击性和柔韧性比环氧类防腐层好。但防腐层的附着力和抗阴极剥离性较环氧类防腐层差，且存在容易起泡等缺点。

中俄东线天然气管道工程中的黑龙江隧道穿越段竖井内管径为1 420 mm，设计压力12 MPa，采用K65级(相当于X80级)钢的直缝埋弧焊热煨弯管采用了厚度为2.5～4.0 mm的无溶剂聚氨酯防腐层。热煨弯管及外防腐层的制作均由俄方供货商完成。

1.1.4 聚脲防腐层

聚脲防腐层由异氰酸酯组分和氨基化合物组分反应生成。聚脲涂料的固化比聚氨酯涂料的固化更迅速；无需添加固化促进剂，几秒钟即可快速凝胶成形，一次喷涂厚度可达1～3 mm；可在任意曲面上成型且不产生流挂；固体含量100%，不含任何挥发性有机物；柔韧性优异，可完全抵御昼夜、四季环境温度变化带来的热胀冷缩，不会产生开裂和脱落现象。但聚脲防腐层的附着力较差，抗阴极剥离性能不甚理想。

美国阿拉斯加石油管道、印度尼西亚海湾石油公司Suban和Su MPal天然气管道、俄罗斯西伯利亚管道和国内的部分城市燃气管道、油田集输管道有相关的应用报道[4]。

1.1.5 聚乙烯/聚丙烯胶带防腐层

以聚乙烯或聚丙烯材料为胎材，覆合一层胶黏剂而制成的胶带。根据背材类型，分为聚乙烯胶带或聚丙烯胶带。施工方便、灵活，技术门槛低，防腐成本低。聚乙烯胶带防腐层较软、薄，抗机械损伤能力差；与钢管的粘接强度低，在高温或低温时粘接力均会下降；防腐层剥离后，阴极保护电流受到屏蔽，导致钢管发生应力腐蚀开裂。聚丙烯胶带的背材采用了纤维网状织胎结构，解决了阴极保护屏蔽所导致的应力腐蚀开裂问题，但网状结构也同样导致防腐层的机械强度降低，抗冲击能力下降。

1997年投产的陕京一线管道工程中部分管径为660 mm，设计压力6.4 MPa，X60级钢的直缝埋弧焊热煨弯管采用了TEK-RAP公司的聚乙烯胶带作为外防腐层[5]。

1.2 多层复合结构防腐层

1.2.1 熔结环氧粉末防腐层+聚乙烯胶带

在挤塑聚乙烯三层结构防腐层引入国内后，人们一直致力于热煨弯管聚乙烯三层结构防腐层的研究。热煨弯管的冷带热熔三层聚乙烯防腐层成型技术[6]，采用静电喷涂熔结环氧粉末层，在环氧粉末层胶化状态下，将预制好的聚乙烯冷缠带经专用缠绕机缠绕在加热的弯管表面，通过弯管本体的热量，熔融冷缠带的胶黏剂层和聚乙烯背材，形成聚乙烯三层结构防腐层。但该工艺会造成弯管内弧侧和外弧侧防腐层厚度不均匀；为熔融中间胶黏剂层和聚乙烯背材，弯管需加热到250 ℃以上，导致底层的环氧粉末层损坏。聚乙烯胶带失黏时对阴极保护产生屏蔽，导致出现应力腐蚀问题。到目前为止，这种防腐工艺还没能在油气长输管道热煨弯管的防腐上应用。

1.2.2 熔结环氧粉末防腐层+聚丙烯胶带

网状聚丙烯胶带不会产生阴极保护屏蔽，且在一定程度上提高了熔结环氧粉末防腐层的机械强度和抗冲击能力，减少了热煨弯管运输和施工过程中的机械损伤。该结构底层为熔结环氧粉末防腐层，外层缠绕网状增强纤维聚丙烯胶带保护，聚丙烯胶带55%搭接，一次缠绕成型。但这种结构也存在受损部位难以修补、热煨弯管两端与直管连接的补口需特殊处理的缺点。

2005年投产的陕京二线管道工程中管径为1 016 mm，设计压力10 MPa，采用X70级钢的直缝埋弧焊热煨弯管部分采用了熔结环氧粉末+聚丙烯纤维增强型胶带的防腐结构[7]。熔结环氧粉末为3M公司的806-8G，聚丙烯胶带由中央制塑(天津)有限公司生产。熔结环氧粉末防腐层为单层，聚丙烯胶带的厚度为1.8 mm。2012年投产的中缅油气管道工程管径1 016 mm，设计压力10 MPa，采用X80/X70级钢的直缝埋弧焊热煨弯管和2014年投产西气东输三线管道工程中管径1 219 mm/1 016 mm，设计压力12 MPa/10 MPa，采用X80级钢的直缝埋弧焊热煨弯管都采用了此种防腐结构。这种防腐结构也是目前国内油气长输管道建设中热煨弯管最常采用的防腐形式，所占比例超过了80%。

1.2.3 无溶剂环氧防腐层+聚丙烯胶带

与熔结环氧粉末防腐层+网状聚丙烯胶带的防腐结构类似，同样存在无溶剂环氧防腐层+网状增强纤维聚丙烯胶带的防腐结构。在底层无溶剂环氧防腐层固化且检测合格后，再缠绕网状增强纤维聚丙烯胶带保护，聚丙烯胶带55%搭接，一次缠绕成型。底层无溶剂环氧涂料采用高压无气喷涂，干膜厚度为500～1 000 μm。

2010年投产的榆林-濮阳-济南输气管道中管径711 mm/610 mm，设计压力10 MPa/8 MPa，采用X65级/X60级钢的直缝埋弧焊热煨弯管采用了此种防腐结构。

1.2.4 无溶剂聚氨酯防腐层+聚丙烯胶带

这是一种反应速度更快，更适合现场涂敷的防腐结构。底层为无溶剂聚氨酯防腐层，面层为网状增强纤维聚丙烯胶带。

2005年投产的陕京二线工程中的部分热煨弯管采用了此种防腐结构，底层采用CORROPIPE II TX-15型无溶剂聚氨酯涂料，使用专用的双组分高压无气热喷涂设备，将涂料的A、B两个组分在线加热并保持在45 ℃以上，在高压下混合雾化，反应形成聚氨酯防腐层；聚氨酯防腐层固化且检测合格后，再缠绕网状增强纤维聚丙烯胶带保护。聚氨酯防腐层厚度为500 μm，聚丙烯胶带同样采用55%搭接的一次缠绕成型方式，厚度为1.8 mm。

1.2.5 聚乙烯热收缩套结构

常称为“虾米”搭接结构，是对聚乙烯三层结构最初级的一种模拟，直接利用环焊缝补口用的辐射交联聚乙烯热收缩套层层搭接包覆而成。这种结构充分利用了聚乙烯热收缩套机械强度高、抗冲击性强的特点。在挤塑3LPE防腐层引进国内后，曾经被认为是最接近挤塑3LPE的一种防腐层结构。但由于所有的涂装只能采用人工操作，防腐质量受操作人员的影响大；热煨弯管的内弧侧会聚集过厚的防腐层；层与层之间的搭接位置会形成空隙，影响防腐质量；热煨弯管的外表面较大，整个采用热收缩带包覆时投资偏高。

这种虾米搭接方式的防腐结构在油田的小口径管道中有大量的应用，占比较高。

1.2.6 黏弹体胶带+外护带防腐

黏弹体材料是一种非结晶的低黏度聚合物，具有冷流特性，是目前已知的防腐效果最好的材料。黏弹体胶带+外护带的防腐结构充分利用了黏弹体胶带“万能”的黏接性和外护带的机械保护作用，组合成了具有优异防腐性能的结构形式。黏弹体胶带对基材表面的处理要求不高，只需进行手工除锈达到St2级即可；无需使用底漆，可直接采用缠绕方法粘接到弯管表面，减少了施工工序；黏弹体胶带具有绝佳的水密性与气密性，可彻底阻断水和空气的渗透，防腐性能优异；外护带可选择PVC胶带、聚乙烯胶带、聚丙烯胶带等多种材料，配伍性好。

唐山液化天然气外输管道的填海区及沼泽、盐池、养鱼池等40 km长的水域管段环焊缝补口部位[8]，采用了长园长通新材料股份有限公司生产的黏弹体胶带+热缩压敏胶带的补口方式。该段管道于2012年埋地，运行6年后，于2018年现场开挖评价，补口质量仍然优异。目前，黏弹体胶带+聚丙烯胶带的防腐结构已用于中亚C线输气管道管径为1 219 mm，设计压力10 MPa的热煨弯管外防腐层大修的项目中。

2 聚乙烯三层结构防腐层

2.1 多层粉末喷涂聚乙烯三层结构

该防腐层宏观结构与传统挤塑3LPE防腐层类似。底层为FBE层，中间是化学改性的聚乙烯胶粘剂与FBE粉末的混合物，外层是中密度聚乙烯层。全部采用静电粉末喷涂系统涂敷，标准厚度为750 μm。采用粉末喷涂方式，层与层之间没有明显的界面，各层能够紧密相连，形成一种连续过渡的“分级结构”，粘结力更强。消除了空穴和减薄现象，温度变化时内部应力变化很小。根据使用环境的不同要求，外层可选用聚乙烯或聚丙烯材料。防腐层与管道表面具有优良的粘接力，出色的抗剪切力特性、低温柔韧性、抗冲击性、耐阴极剥离性和非常低的渗透性。但由于整个防腐层需全部采用弯管自身的热量来熔融，因此，总厚度受限，不超过1.5 mm。在应用初期，曾出现防腐层厚度过薄，导致机械强度和抗冲击能力不足，防腐层拉伸强度、断裂伸长率、机械性能差等缺陷。

中油管道防腐工程有限责任公司从涂敷工艺、涂敷材料和喷涂设备等多方面对此工艺进行了改进，使这项技术重新得到了应用。由中国石油管道局承建的孟加拉莫哈什卡利岛浮式液化天然气项目中管径457 mm，设计压力8.8 MPa，采用X65级钢的直缝埋弧焊热煨弯管和泰国西北部成品油管道项目中管径406 mm，设计压力15 MPa/12.5 MPa/9 MPa，采用X60级钢的直缝埋弧焊热煨弯管都采用了粉末喷涂型聚乙烯三层结构防腐层。

2.2 纵向整体包覆聚乙烯三层结构

热煨弯管纵向整体包覆3LPE防腐工艺类似于电缆线包覆绝缘层[9]，热煨弯管首先通过环形布置的抛丸系统除锈达到所需的锚纹深度，再进行除尘达到所需的洁净度。采用中频感应加热线圈将弯管加热到200～230 ℃，通过环形布置的环氧粉末静电喷涂装置涂敷环氧粉末防腐层。在环氧粉末胶化状态下，弯管穿过环状的复合模具，一次性纵向整体分别挤出套状的聚乙烯共聚物胶粘剂层和聚乙烯层，包覆在弯管的表面，形成3LPE防腐层。

胶粘剂层和聚乙烯层都采用纵向整体挤出成型方式，可通过调节挤出机的挤出量来调整防腐层的厚度，实现弯管与直管防腐层的厚度一致，不再考虑加热温度、弯管的弯曲度等因素。环形包覆模具出料口的出料量可在周向上连续调节，根据热煨弯管内、外弧度的差别，分别调节弯管内、外弧侧出料口的出料量，使环形模具出料口的出料量形成外弧侧出料量多、内弧侧出料量少的渐变模式，避免了内弧侧防腐层厚、外弧侧防腐层薄的缺点。环形挤出模具使聚乙烯防腐层外观完好、平整度高，克服了缠带类防腐结构搭接区的堆积、翘边、粘接力缺失等问题。但涂敷工艺所需的中频感应加热、环氧粉末喷涂、胶粘剂包覆、聚乙烯包覆等工作单元需重新设计；环形包覆模具需对曲面包覆同厚度的防腐层，自动控制的精度要求非常高；不同弯管的弯曲度差异也导致每个弯管需单独设置控制程序。目前，还没有这种涂敷工艺的应用报道，但给出了热煨弯管防腐的一个研究方向。