国内外管道防腐涂层修复技术最新进展

2020-09-27高山卜祝悫智刘诚田磊王乐乐

石油工业技术监督 2020年9期

高山卜，祝悫智，刘诚，田磊，王乐乐

1.中国石油管道公司科技研究中心（河北廊坊 065000）

2.中国石油管道公司油气储运分公司（河北廊坊 065000）

3.中国石油管道公司物资管理处（河北廊坊 065000）

管道腐蚀问题贯穿了管道的全生命周期。防腐涂层作为埋地管道腐蚀防护的重要手段，可以建立有效屏障，隔绝管道与腐蚀介质的接触，从而对管道管体形成有效保护。影响防腐涂层寿命的因素很多，不仅与涂层自身的物理性质及化学性质有关，而且与涂层在管道管体的预处理、涂层与管体的附着性能、涂层对水和离子的抗渗透能力及其服役环境等密切相关[1]。近年来，国内外针对管道防腐涂层在役期间出现失效问题进行大量研究，在此基础上形成了一系列具有代表性的涂层修复技术，与此同时，随着现代材料科学的不断进步，防腐涂层的性能也得到不断的改善[2]。总体看来，目前国内外对于管道防腐涂层的研究多致力于开发新型高性能涂层，以及对涂层修复技术的提升。

1 国外新型管道防腐涂料

1.1 DENSOLID®-HDD涂层

德国DENSO公司研发了一种用于非开挖管道水平定向钻工程的高性能防腐层——DENSOLID®-HDD[3]，该防腐层由双组分聚氨酯涂料形成，具有高硬度、高耐磨性、良好的伸展能力和抗弯强度，可为管道现场接头提供永久性防腐和机械防护，同时还具有足够的施工灵活性。

DENSOLID®-HDD通过一套简便的操作工艺确保完成高质量的防腐层施工。施工前，先安装一段专用的透明聚丙烯套管，利用钻孔机预先在透明聚丙烯套管上钻孔，并以此作为DENSOLID®-HDD注入口。然后将双组分材料注入该双腔筒中，注入前无需进行手动搅拌，可确保正确的组分混合比例及快速的工作速度。随后，再将套管上的钻孔用胶粘标签密封。在固化过程中，由于套管的保护，可使涂层材料免受水、污染、湿气、冲击及其他负面效应的影响。相比使用增强热缩套管，剥离纤维增强材料时必须多层敷设，该防腐层只需敷设单层，可缩短40%的施工周期，大大降低整体成本。由于现场施工防腐层的厚度与工厂防腐层厚度一致，因此不会产生额外的剪切作用。

1.2 油基自修复涂层

美国西北大学的研究团队开发了一种能够自愈的油基自修复涂层[4]，可在几秒内完成缺陷处的修补工作。这种自修复系统由微胶囊网络和低黏度硅油组成。宏观上，涂层是黏性的，因为形成了一个三维粒子网络，这使得它可以粘在垂直的金属表面，可对抗重力和湍流。微观显微镜观察，油的黏度较低，可迅速流向受损区域以便重建颗粒网络。

研究团队通过添加微观和轻质的石墨烯胶囊来实现，可使油基变稠，即便在恶劣的环境中，也能够良好粘附在金属上。实验表明，即便对同一区域连续“擦拭”200次，也能够在铝、黄铜和钢等多种不同金属上，反复实现快速的愈合。涂层具有显著的防护性能，能够长期保护碱金属不受腐蚀，同时，因为该防腐层不是基于特定的表面而研制，因而适用于金属管道。

1.3 Belzona 3412新型涂层

美国Belzona公司研发了一种新型管道防腐涂层Belzona 3412[5]，该涂层是一种双组分混合聚合物，其化学性能稳定，适用于阻隔水分及防止缝隙腐蚀、电偶腐蚀和大气腐蚀，且其组分中不含异氰酸酯，使用安全无危害。

Belzona 3412涂层具有良好的耐腐蚀性，经试验测试，该涂层耐腐蚀性可达到暴露于35℃盐雾环境中长达6 000 h后，仍无任何腐蚀现象发生。该涂层涂覆过程操作方便，无需热压粘合工具或专业工具，仅需喷涂或刷涂，即可轻松完成涂覆。根据不同环境的温度和湿度，该涂料需要1～4 h的干燥时间。该涂层除了具备上述优点之外，还可以有效抑制环境因素对受保护金属本体的影响，包括防御紫外线等。该涂层可对机械设备提供显著的保护作用，小到轴承、法兰，大到海洋平台立管。

2 管道防腐及补口层修复技术改进

2.1 热熔胶型聚乙烯热收缩带补口材料改进

目前，国内的新建管道从陕京输气一线开始，大多采用3PE防腐结构，与其配套的现场防腐层补口几乎全部采用“环氧底漆+热熔胶型聚乙烯热收缩带”结构[6]。但据现场调查发现，现有热熔胶型聚乙烯热收缩带补口出现了较为严重的失效问题，个别管线开挖点失效比例在50%以上，这已直接影响了管道的运行安全和使用寿命。

结合上述情况，中国石油开展了热熔胶型聚乙烯热收缩带补口现场失效原因分析，研究了3PE管道补口热收缩带材料的性能，结合现场调研结果，对热收缩带产品的长效性能进行考察，通过对材料结构组成、老化环境下材料性能变化、安装系统综合性能评价等方面的研究，剖析了补口材料长期性能的影响因素，经分析得出热熔胶黏剂是影响热收缩带补口质量的关键因素，并提出了相关的改进方案，从胶黏剂中极性组分与非极性组分的匹配、分子组分的大小、各组分的分子量等组分机理上提出了改进方案。

2.2 3PE防腐层局部修复技术

目前，国内油气管道防腐层的修复集中表现为3PE防腐层的局部修复及保温管道防腐保温的局部修复。中国石油形成了3PE防腐层的局部修复技术和硬质聚氨酯泡沫防腐保温层的局部修复技术，并已形成行业标准SY/T 5918—2017《埋地钢质管道外防腐层保温层修复技术规范》[7]。

3PE防腐层局部修复是指对油气管道3PE防腐层的局部破损点进行修补或对失效的热收缩带补口防腐层进行更换。其修复材料应根据原防腐层类型、修复规模、现场施工条件及管道运行工况等条件选择，也可采用经过试验验证且满足技术要求的其他防腐材料。经实验研究及工程应用，常见的3PE防腐层局部修复材料见表1。

表1 常用3PE防腐层局部修复材料

为确保防腐层修复质量，SY/T 5918—2017《埋地钢质管道外防腐层保温层修复技术规范》中详细规定了管道开挖悬空、热力及应力保障、管沟回填要求，管道旧防腐层清除、防腐层施工、管体表面处理及施工质量等施工工艺控制措施，该项研究技术在我国多条长输3PE防腐层管道的内外检测开挖验证及管道防腐层破损点修复工程中得到了广泛的应用，经跟踪测试，表明防腐层修复质量良好，未出现再次失效的现象。

2.3 环氧树脂+碳纤维复合修复材料改进

管道复合修复材料一般由碳纤维和环氧复合材料组成，在恶劣的自然环境下，对管道防护作用会大幅度降低。美国Citadel Technologies公司提出了改性环氧树脂+碳纤维复合修复材料的抗低温改进方案[8]，并通过拉伸试验、穿孔缺陷爆破试验、抗冲击试验，证实了碳纤维复合材料的抗低温性能（表2）。将改进方案应用于加拿大一条天然气管道，该条管道地处于环境极其寒冷的地区，地面温度低于0℃，一段时间的应用结果显示，改进后的环氧树脂+碳纤维复合修复材料在低温环境下的抗拉伸、抗穿孔、抗冲击性能较改进前均有明显的提升，与试验结果相吻合。