保温管道补口技术研究与探讨

张 力 何乃贤 杨静雯 罗维多

（1. 中国石油长庆油田分公司第十一采油厂，甘肃 庆阳 745000；2. 中油管道防腐工程有限责任公司，河北 廊坊 065000；3. 长庆油田公司陇东页岩油开发项目部，甘肃 庆阳745000；4. 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060）

0 引言

保温管道补口特指的是带有保温层的钢质管道现场对口焊接完成后，对焊接段裸露的金属管段采用与管本体涂层相同或接近的材料及其结构形式进行保温层涂覆，以满足管本体涂层的连续性，达到防腐绝热的要求。补口是保证管道涂层连续、完整性的唯一手段，但补口段涂层也是管道整体涂层的最弱环节，施工质量往往引起整个管道的运行隐患。

管道补口技术是与管道主体涂层技术的同步发展起来的，常见的为单一防腐涂层补口，保温涂层补口以及防腐加保温涂层补口。而无论陆地管道或海洋管道，补口工作必须在陆上完成，然后才能直埋或入海,不同于管道本体涂层的场站内施工，补口作业只能在管道建设工地、铺管船或海洋管道节点防腐基地完成。所以选择一种正确的补口材料和适当的施工技术对于保证整个管线的稳健运行是至关重要的。

1 传统保温管道补口基本结构形式

保证补口质量是为了满足钢质防腐管道或其他保温管道长期稳定地运行最重要关键一环，补口部位的防腐层及其保温层在整体结构上及其原材料的工艺要求应与管道本体中的防腐层及其保温工艺相同，若无法采用同样的材料或一致成型工艺，则应使得补口部位的防腐保温层原材料及其工艺接近。而防腐或保温管道的补口形式是随着管本体的涂层经历着相同的发展阶段，并出现了同一种涂层结构多种不同的补口材料或结构形式，其目的就是达到或超过管本体涂层结构的质量。

1.1 传统保温管道补口类型

传统保温管道补口基本结构形式主要有无机绝热材料补口形式和聚氨酯保温材料补口形式。

（1）无机绝热材料补口

该补口方式主要应用于采用无机材料作保温涂层的常温管道，绝热材料有石灰棉、硅藻土、蛭石、矿渣棉、玻璃棉、珍珠岩等，材料以毡或瓦块形式包裹在管本体表面，并缠绕玻璃丝布、石油沥青等外护，所以钢管焊接段的补口，采用的成型工艺、保温层材料、外护层材料、涂层结构等均与管本体完全相同；

（2）聚氨酯保温材料补口

直埋的保温管主要采用硬质聚氨酯泡沫保温材料，补口可以采用简单的聚氨酯泡沫瓦块扣接后用聚氨酯泡沫料进行缝隙填充。也可采用预安装完成后先进行外护层补口连接，然后在空腔内浇注双组分聚氨酯料进行保温层成型；

（3）海洋管道补口

海洋保温给水管道的填补口段主要采用了玻璃实心微珠聚丙烯、实心微珠聚氨酯、玻璃有机微珠一体复合实心聚氨酯（GSPU）、有机微珠复合实心聚氨酯（PSPU）、复合环氧树脂材料、气凝胶、相变储能材料（PCM）等高密度抗压保温材料，安装和灌注需要机械和人工进行配合。

1.2 聚氨酯直埋保温管道补口形式

聚氨酯直埋保温管道是长输管道中最主要的保温层结构，管本体和补口结构如图1所示，保温层为聚氨酯泡沫材料，补口为补口防腐层、保温层和外护层，保温层成型分为聚氨酯保温瓦块扣接及聚氨酯双组份料现场发泡两种形式。当采用模具现场发泡时，补口型模具的浇注口内径大小应与防水帽的外径大小相同，模具必须将脚手架固紧在浇注口端部的防水帽连接处，其脚手架搭接的长度一般不宜小于100mm ，浇注口位置应朝上，并且还应注意保证脚手架的搭接缝处严密。当模具补口现场环境气候温度降到最低值或超过5℃时，模具、管线和泡沫塑料等原材质均应经过预热之后进行发泡成型。

图1 防腐保温层补口结构图

对于聚氨酯直埋保温管道，瓦块或浇注的保温层均能满足长输管道的要求，但在涂层失效的分析中发现，外护层的密封非常重要，一旦补口防护层发生破损，保温管道涂层即会加速失效，因此外护层的结构和密封性决定了补口结构的质量。

GB/T 29047-2012中明确规定，当连续性的工作型钢管直径≤200mm 时，应尽量采用热缩带的形式连接接头；当管径≥200mm ，并且热缩带长度≤450mm时，热缩连接带形式的接头和电熔焊型接头都可以使用；当管径大于≥450mm 时，应考虑采用电熔焊接头。双密封连接头的位置可以按现场的工况情况或者是设计需要进行。

（1）套袖热缩带接头方式

在该种套管设计操作方式中，接头上的套管由一种与采用预制保温材料管壳上热密度最高等级相同的优质聚乙烯新型套管接头连接而来组成，用的是一条热收缩连接带将这种聚乙烯套管接头通过套管进行连接安装到保温主管路上，以有效保证其冷热水密性。然后我们通过整个接头塑料套管上的一个注料孔将高温聚氨酯作为原料通过注入输送到整个接头内部后再进行二次发泡预热成型，当其中的发泡全部成型完成后再直接采用一种高密度的高温聚乙烯作为原料后再通过热压补口片或者热压高熔塑料焊接等多种方式对其中的发泡孔全部材料进行预热密封。防护层的接缝补口长度应尽量选择与墙体防护填料层内径厚度相配套的辐射交联热收缩橡胶补口带和套或橡胶填料弹性补胶缺口带，填料橡胶补口带和套或橡胶填料带与墙体防护层的接缝搭接补口长度一般大小不应大于超过厚度小于100mm。采用”管中管”安装工艺焊接制造的电热保温管道修补口宜直接选择新型电热热冷熔焊安装套袖，并且也可以直接采用新型电热热熔焊套装技术直接进行保温加热保护安装；

（2） 电熔套筒

此种焊接方法是采用一个预埋有电阻丝的套筒，用捆扎带把加热的电熔套紧地捆扎在一个外套管上，预先规定好了焊接的时间，然后再将其连接通了一个电源就可以开始进行焊接，自动切断电源后就会使得焊接过程终止，在套管已经完全冷却后就可以拆除绑带。

1.3 海底配重保温管道补口型式

图2 海底单层保温配重管节点补口示意图（沥青玛蹄脂）

单层保温管道现场接头补口处的防护和填充技术是保证海底管线安全、稳定地运行的重要技术基础。早期的海底管道现场补口工程主要是采用沥青玛蹄脂+砂岩混合料浇注方法。采用该种工艺施工时，需要200℃以上的温度下进行，因操作温度过高。容易严重损害保温管道自身本体内外层原有的排水防腐层和保温层，影响和达到保温管道本身整体的排水防腐和保温使用效果。从而对于我国海底保温管道的安全和正常运行性能产生不良影响。海底单层保温管现场接头补口的补口过程中应分别对防腐层、保温层、防护层及配重层进行补口。

在防腐层补口时，补口部位的表面应进行处理，补口带的规格必须与管径相匹配。补口胶带的密封必须安装在钢管顶部，密封缝连接处的搭设长度不可能小于 40mm。PE补口胶带的耐温性能受到一定的限制，一般来说，最高温度是85℃。如果主管温度较高，则不使用PE补口胶带。例如，在 PL19-3二期海底管道的施工设计中，管道的设计温度可以达到100℃， PE补口胶带不能够正常使用。因此，对于建筑工程主管道内部温度大于85℃以下的设计需求，钢管的防腐层可以考虑使用聚丙烯填充补口带。聚丙烯的抗热耐温能力可以高达120℃，同时它的抗腐蚀能力也远远高于聚乙烯。

保温层补缝主要是采用半瓦保温补缝方法，要求所使用的保温瓦规格、尺寸应与保温层管端预留的长度相适应。材料应符合相关设计标准的要求。补口时，在两块保温瓦的对接管端预留位置处用一根扎带将两块保温瓦固定好，并且要注意保温瓦重合在一起，然后采取人工或者发泡形式来填补两块保温半瓦之间的缝隙，以便于保温层的连接严实。聚氨酯半瓦保温时，由于半瓦与主管保温层连接不紧密，会产生空隙。如果主管温度高，空气膨胀量就会增加。试验表明，当空气体积增加4倍时，压力可达7.6×105Pa时，会导致补口防护层脱落、腐蚀和保护失效。因此，建议在保温层补口设计中采用高密度聚氨酯泡沫（700kg/m3）代替半瓦，因为现场聚氨酯泡沫能与主管的聚氨酯保温材料粘接形成一个整体，防止空隙的产生，加强防渗能力，节约管道防水帽的设计，节约材料，降低成本，提高效率[1]。

防护层的补口结构与直埋保温管道相似。补口胶带必须适应与外部保护管的外径匹配，其性能必须符合有关设计规范的要求。外护管、补口保温层和补口胶带应经过清洗干净，表面不应有油污、水泥、铁锈及其他杂物。当采用加热的收缩带进行补口时，其搭接的宽度不可能超过50mm。

配重层补口设计主要采用浇注沥青玛蹄脂的形式，需要与主管段配重结构相匹配。沥青玛蹄脂主要由沥青、填料（石灰岩）、骨料（砂）等材料构成。由于玛蹄脂的填充剂配方中可能含有大量的沥青成分，容易对海水和环境造成严重的污染，如果对玛蹄脂具有相关的环保要求，可以考虑采用 PUF（聚氨酯泡沫填充剂）结构代替此设计，避免环境污染，加强和固定补口结构。

配重层的补口结构设计主要是通过在浇筑沥青时采用玛蹄脂混合料形式来实现，同时还需与各个主管段的配重结构相匹配。沥青玛蹄脂由沥青、填充材料（石灰岩）和沥青骨料（砂）等部分所组成，因玛蹄酯的各种配方都含有沥青的主要成分，对于海水和环境都会有一定的污染，因此若为环保而具有一定的要求，可以考虑采用 PUF（聚氨酯发泡填充）结构来代替此种设计，避免环境污染问题，使补口得到加强和固定。

2 新型保温管道补口结构

随着我国现代科学技术的进步，保温管道中的防腐保温工艺特别是深海地区的保温管道工艺，高寒地区的保温管道工艺已经得到了突破性的发展。现阶段随着保温管路技术的不断发展，新型保温管路的保温补口工艺技术随着我国管体保温和减压器技术的不断提高与进步而取得了发展和创新，在对于保温系统中各种特殊材料的保温补口工艺技术进行研究与改造之后，新型、多元化保温补口工艺技术已经在我国得到了大量推广与应用。

2.1 新型海底单层保温配重保温管道补口型式

新型海底单层保温配重管保温管道补口采用“防腐热收缩带+PUF 浇注+防水热收缩带+高强开孔PUF浇注”其补口为“FBE+PUF半瓦+浇注聚氨酯弹性体”结构，如图3所示，其特点在于引入湿式保温材料聚氨酯弹性体，提升了防水保温性能。

图3 新型海底单层保温配重管保温管道补口结果示意图(保温瓦加弹性体）

该新型补口技术选择了聚氨酯弹性体材料作为外部防护涂层，中间使用了闭孔式的聚氨酯保温半瓦保热，辅以特别研制的专门开发出来的防水密封塑料胶条，可以达到良好的保温与配重式管接头的组合。主要优势有以下几个方面：

（1）非硬质发热浸泡式喷涂聚氨酯保温弹性体本身依然具有较高的耐热和耐水抗压保温能力，可以很好地充分适应使用聚氨酯硬质发泡塑料喷涂保温管及配重塑料管在管口距离管体水深200m毫米处的保温应用[2]；

（2）保温材料半瓦的一种异形材料支脚，它不仅可以通过支脚使得材料弹性体在保温半瓦进行浇注时被整个保温环境所集中将半瓦彻底地紧紧包裹，对保温材料半瓦的整个材料节点进行了一种机械性的保护，并且它还可以通过增大材料弹性体和材料节点之间的硬质防腐层和其接触面的范围，增强其间的黏附力并且有效地加强防水，并有效地彻底阻止了来自外界的任何水分直接流向保温半瓦。保温保护半瓦器件还能够起到加强高压补偿焊缝接口处的保温保护作用；

（3）由于该补缝机体结构合理，工序简便，施工过程自动化水平高，可有效地降低焙烧热缩带等各个工序人工操纵所造成的质量和安全风险；

（4）相对于其他的开孔聚氨酯泡沫，聚氨酯的弹性体本身具有良好的耐抗压和弹性，可以确保在管路的铺设中，托管架和铺管的传递轮对到各个节点的部分涂层也不会产生任何损伤[3]。

2.2 低温聚氨酯泡沫保温管道补口型式

高纬度寒冷地区复合防腐保温管道的补口及环缝补强结构应满足与管本体材质相同的基本要求。管道低温补口在国内外尚无成熟的经验，常规的操作规程和方法也不适用。传统的防腐保温管道补口结构一般为：钢管-环氧底漆-热缩套管-聚氨酯泡沫-电热套管。考虑到低温对材料粘结性的影响，在覆土后的界面可能出现接缝裂隙渗水。采用以下新型补口结构：固体环氧涂料-粘弹性防腐带-聚氨酯保温瓦-电热熔接头套管-粘弹性防腐膏-聚丙烯外保护带，其特点是防腐层附着力强，保温瓦结构完整，外保护层材质相同，接缝处过渡加强，低温接缝密封完整，无渗漏。保温接头结构如图4所示。采用低温粘弹性胶带和高温防腐膏新型材料的新建筑结构，采用预制的保温瓦和聚丙烯外围护带的新建筑结构加固。解决了低温补口施工中的技术难题。该结构工艺主要采用以下新材料、新工艺[4]。

图4 低温聚氨酯泡沫瓦保温层补口结构示意图

（1）双组分固体环氧涂料可作为原环氧底漆涂料，可在低温下使用，低温下固化速度快，钢管底层覆盖率100%；

（2）采用粘弹体防腐胶带代替了原热缩套防腐，低温条件下不需要进行烘烤粘接，同时其粘接强度大于50 N/cm，满足实际使用需要；

（3）聚氨酯泡沫瓦块代替现场扣模发泡，工厂预制的定型聚氨酯保温瓦在现场扣接，缩短现场施工时间。

粘弹体防腐带、粘弹体防腐膏、聚氨酯保温瓦块以及聚丙烯补强带新材料应用，解决了复合管低温补口施工技术难题。无明火中频感应预热和加热、预处理表面局部密闭，符合野外地区施工环保

基本要求，提高了粘接质量和工艺水平。该技术的成功研究促进了国内管道施工技术的发展，可为今后类似管道工程提供借鉴。

2.3 聚丙烯冷缠带防腐保温层补口型式

当现场施工环境温度在-20℃以下时，为降低施工难度，在材料满足设计规范各项指标的要求下，可采用冷缠胶带代替加热聚乙烯收缩带。要求补口处防腐蚀保温层等级及质量不低于成品保温管。其补口结构形式如图5所示。补口材料用的底漆、黏弹体胶带和聚丙烯冷缠带等材料性能指标应满足设计文件的要求，施工前应进行保温处理。

图5 聚丙烯冷缠带防腐保温层补口结构图

其中补口保温层的施工有现场发泡和预制保温瓦块安装两种方式。试验研究表明，现场发泡补口虽然与原保温层结合较好，保温效果较好，但在极寒条件下施工，需有发泡所需的热环境，对加热保温措施和高压发泡机等设备要求极为苛刻，费用高且不易实现，不适合在寒冷环境下施工[5]；保温瓦块捆扎方式相对于现场发泡方式， 适应环境能力强，施工效率高，费用低，施工过程中通过采取严格的工艺措施能满足保温质量要求。

粘弹性胶带缠绕时，应保持平整，张力适中，用压辊沿焊道滚动除去气泡，在缠绕时抽出隔离纸，同时卷出胶带并将气泡赶走，防腐层光滑无皱，搭接均匀，无气泡，密封性好。粘弹体胶带施工完成后应逐一进行外观、厚度及漏点检测。

经检测发现，粘弹体胶带/管体防腐层的剥离强度大于2N/cm， 剥离面的胶层覆盖率不低于90%。聚丙烯冷缠带/粘弹体胶带背材、聚丙烯冷缠带/管体防腐层、聚丙烯冷缠带自身搭接部位的剥离强度均大于20N/cm。粘弹体胶带/管体防护层（含防水帽）的剥离强度大于2N/cm，剥离面的胶层覆盖率不低于90%。聚丙烯冷缠带/粘弹体胶带背材、聚丙烯冷缠带/管体防护层、聚丙烯冷缠带自身搭接部位的剥离强度大于20N/cm。

3 结语

对于长输保温管道的补口结构研究显示:保温管道在补口位置下的管体受到腐蚀后，其中一个重要的原因可能是由于防护层的密封而导致失效而造成排水。所以我们采取的对于补口处管路腐蚀性质的控制措施中最为有效的方法之一就是确保补口处的防腐和保温措施齐全不会出现进水事故。因此对补口处进行有效的防腐保温密封至关重要。

为了有效地保障防腐性保温管道能够长期安全高效地运行，一方面我们还要继续加强设计和研制出各种适合于生产和运行的与其相应的防腐性保温补口结构和其他有关的材料；另一方面，需要深入地研究保温管线现场施工的技术。建议有关技术人员针对特殊环境下能够选择更好的补口结构与修复方式，对于采用建议性补口和修复结构的中小型长输保温管路补口进行有效性评价。