李玲杰，韓文禮，林 竹，徐忠蘋(píng)，楊耀輝，張彥軍

(中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451)

新型補(bǔ)口材料在埋地管道補(bǔ)口修復(fù)中的應(yīng)用

李玲杰，韓文禮，林 竹，徐忠蘋(píng)，楊耀輝，張彥軍

(中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津300451)

埋地管道補(bǔ)口失效主要是由于補(bǔ)口防腐層質(zhì)量問(wèn)題、補(bǔ)口施工質(zhì)量問(wèn)題和補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的老化失效所導(dǎo)致。介紹了幾種新型補(bǔ)口材料在西部某管道補(bǔ)口修復(fù)和施工中的成功應(yīng)用，對(duì)補(bǔ)口修復(fù)后防腐層的安裝質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)與評(píng)價(jià)，跟蹤了管道運(yùn)行1年、3年、4年后補(bǔ)口防腐層的性能，并分析了結(jié)果。

埋地管道 補(bǔ)口防腐層 修復(fù) 開(kāi)挖檢測(cè)

0 引 言

熱收縮帶補(bǔ)口在國(guó)內(nèi) 3,PE管道中大量應(yīng)用，技術(shù)比較成熟。但是在實(shí)際工程施工中，由于施工工序、工藝、施工環(huán)境和水平的不同，熱收縮帶補(bǔ)口質(zhì)量存在一些問(wèn)題，嚴(yán)重影響了管道的使用壽命。[1]為此，在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道工程中，對(duì)已出現(xiàn)問(wèn)題補(bǔ)口進(jìn)行修復(fù)并尋求更好的補(bǔ)口修復(fù)方式是解決補(bǔ)口問(wèn)題的一個(gè)途徑。[2]近年來(lái)，管道補(bǔ)口領(lǐng)域呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢(shì)，新型補(bǔ)口修復(fù)材料發(fā)展迅速，并且在實(shí)際工程中得以應(yīng)用。正確使用補(bǔ)口修復(fù)方式和材料，提高施工質(zhì)量并對(duì)修復(fù)補(bǔ)口防腐層進(jìn)行合理的開(kāi)挖檢測(cè)，對(duì)整個(gè)管道的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。[3]

1 埋地管道補(bǔ)口失效原因

1.1 產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題

在近幾年的管道建設(shè)工程中，對(duì)熱收縮帶產(chǎn)品采取了嚴(yán)格的抽檢制度，發(fā)現(xiàn)了一些不合格產(chǎn)品。例如：有的產(chǎn)品批次尺寸不夠，有的產(chǎn)品熱老化指標(biāo)不合格(包括國(guó)外品牌)，還有的產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度不合格，有的在烘烤過(guò)程中出現(xiàn)熱收縮帶爆裂現(xiàn)象等。這些問(wèn)題主要是生產(chǎn)管理上存在問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差。

1.2 施工質(zhì)量問(wèn)題

在對(duì)某工程某標(biāo)段防腐補(bǔ)口質(zhì)量的調(diào)查中，同時(shí)開(kāi)挖檢查了同一施工單位采用幾個(gè)廠家(兩家國(guó)外、一家國(guó)內(nèi))生產(chǎn)的熱收縮帶施工的防腐補(bǔ)口。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在抽查的3種產(chǎn)品各2、3和5個(gè)補(bǔ)口(每個(gè)補(bǔ)口檢查對(duì)鋼管和3,PE防腐層各2處，共 4處)的剝離強(qiáng)度中，分別有一處的剝離強(qiáng)度低于規(guī)范要求。從調(diào)查結(jié)果看，所調(diào)查的補(bǔ)口總體質(zhì)量情況滿足施工規(guī)范的要求，但每種材料的補(bǔ)口都存在剝離強(qiáng)度不合格的部位，顯然不是材料問(wèn)題，而是施工問(wèn)題。在工程質(zhì)量檢查中也發(fā)現(xiàn)了一些沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程而造成的施工質(zhì)量問(wèn)題。

施工質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)主要是由于熱收縮帶產(chǎn)品的施工要求為手工操作，施工質(zhì)量很大程度上受到操作人員的技術(shù)水平和責(zé)任心的影響，收縮帶材料質(zhì)量好，不等于安裝后質(zhì)量好。

1.3 熱收縮帶補(bǔ)口防腐層在使用環(huán)境中的失效

熱收縮帶補(bǔ)口防腐層的基本組成為環(huán)氧底漆＋熱收縮帶復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩者通過(guò)熱熔膠粘結(jié)成為一體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管體補(bǔ)口部位的絕緣保護(hù)，因此熱熔膠的性能是決定熱收縮帶補(bǔ)口有效性的關(guān)鍵因素。如圖 1為補(bǔ)口熱收縮帶在10點(diǎn)位置 PE搭接處出現(xiàn)翹邊情況，剝除熱收縮帶后，發(fā)現(xiàn)無(wú)溶劑環(huán)氧底漆脫落嚴(yán)重，熱收縮帶與無(wú)溶劑環(huán)氧底漆同時(shí)失效導(dǎo)致管體腐蝕嚴(yán)重。

2 在役埋地管道補(bǔ)口修復(fù)新型材料技術(shù)

為解決埋地管道補(bǔ)口失效的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外管道外防腐層補(bǔ)口技術(shù)已經(jīng)向多樣化方向發(fā)展，粘彈體膠帶、[4]熱縮壓敏帶、[5]無(wú)溶劑環(huán)氧涂層、[6]機(jī)械化噴涂聚氨酯[7]等材料也開(kāi)始應(yīng)用于管道失效補(bǔ)口修復(fù)施工過(guò)程中。

圖1 補(bǔ)口熱收縮帶翹邊及管體腐蝕情況Fig.1 Pipe corrosion situation and warped edge of heat shrinkable sleeve

2.1 粘彈體膠帶＋外護(hù)帶防腐層簡(jiǎn)介

粘彈體膠帶是將一種永不固化的粘彈性聚合物復(fù)合在聚乙烯薄膜上制成的冷纏膠帶，施工便捷，粘結(jié)良好。粘彈體膠帶由于機(jī)械強(qiáng)度低，所以必須采用配套的外防護(hù)帶以提高防腐層的整體機(jī)械強(qiáng)度，外護(hù)可采用熱縮壓敏帶、環(huán)氧玻璃鋼等，在戈壁、礫石段等土壤剪切力較大的地區(qū)應(yīng)使用強(qiáng)度較高的玻璃鋼外護(hù)。西部某管道自 2008年起在管道外檢測(cè)、補(bǔ)口檢測(cè)以及隧道內(nèi)補(bǔ)口檢測(cè)中采用“粘彈體＋冷纏帶”進(jìn)行了補(bǔ)口或大缺陷的修復(fù)。

2.2 無(wú)溶劑聚氨酯防腐層簡(jiǎn)介

無(wú)溶劑聚氨酯涂料用于3,PE管線的補(bǔ)口在國(guó)外已經(jīng)有近15年的應(yīng)用歷史，補(bǔ)口管道里程達(dá) 25,000,km。無(wú)溶劑聚氨酯涂料低溫下可施工，固化時(shí)間短，可配成彈性體或剛性體，一次涂敷厚度可達(dá) 1.2,mm，易補(bǔ)傷、有韌性、耐磨、抗沖擊、化學(xué)穩(wěn)定性好。管體PE搭接部位如進(jìn)行表面極化處理可提高聚氨酯補(bǔ)口涂層的粘結(jié)性能。其現(xiàn)場(chǎng)施工方式一般為手工噴涂或機(jī)械自動(dòng)噴涂，自動(dòng)噴涂需要專(zhuān)用設(shè)備。

2.3 無(wú)溶劑環(huán)氧防腐層簡(jiǎn)介

無(wú)溶劑環(huán)氧涂料主要以改性環(huán)氧樹(shù)脂為主要成膜物，可利用活性稀釋增韌劑實(shí)現(xiàn)無(wú)溶劑化，具有良好的粘接力、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能。無(wú)溶劑環(huán)氧涂料用于埋地管道補(bǔ)口修復(fù)在國(guó)外已經(jīng)有10多年的應(yīng)用歷史，加拿大SPC公司是國(guó)外該領(lǐng)域的典型代表。近年來(lái)其在國(guó)內(nèi)油氣管道工程項(xiàng)目中也已得到應(yīng)用。

3 埋地管道補(bǔ)口修復(fù)新型材料實(shí)驗(yàn)室性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)

由于補(bǔ)口材料的類(lèi)型不同，其檢測(cè)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)方法及技術(shù)指標(biāo)也隨之不同，國(guó)外通用的外防腐層補(bǔ)口標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO,21809—3《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)用埋地管道和水下管道外防腐層補(bǔ)口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。

3.1 “粘彈體＋外護(hù)帶”補(bǔ)口材料測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的“粘彈體＋外護(hù)帶”類(lèi)型包括“粘彈體＋環(huán)氧玻璃鋼”、“粘彈體＋進(jìn)口熱縮壓敏帶”兩種類(lèi)型，主要對(duì)該結(jié)構(gòu)外護(hù)的抗沖擊性能、粘彈體與鋼/3,PE搭接區(qū)的粘結(jié)性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià)，其實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 粘彈體＋外護(hù)帶補(bǔ)口材料實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)表Tab.1 Test result of “visco-elastic material＋outer protecting” repair material

圖2 “粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test result of “visco-elastic material＋outer protecting” repair material

由試驗(yàn)結(jié)果可知：“粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)的檢測(cè)項(xiàng)目達(dá)到性能指標(biāo)要求，表現(xiàn)出良好的粘接性能和覆蓋性能。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)有良好的耐干、濕熱老化行為，50,℃、0.5,MPa、28,d強(qiáng)化熱水浸泡后的剝離強(qiáng)度值均未見(jiàn)明顯變化，且與PE粘結(jié)密封性能穩(wěn)定。

3.2 無(wú)溶劑聚氨酯補(bǔ)口材料實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與評(píng)價(jià)

本文所采用的無(wú)溶劑聚氨酯涂料分為噴涂型和刷涂型兩種制樣方式，其實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)典型照片如圖3、4所示。

表2 無(wú)溶劑聚氨酯涂料實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.2 Test result of “polyurethane” repair material

圖3 無(wú)溶劑聚氨酯涂層在不同溫度下(28,d)的陰極剝離測(cè)試結(jié)果Fig.3 Cathodic debonding test results of “polyurethane”repair material after 28,days

圖4 無(wú)溶劑聚氨酯涂層對(duì)鋼/PE剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.4 Peel strength test results of “polyurethane”repair material

由試驗(yàn)結(jié)果可知：無(wú)溶劑聚氨酯涂料抗沖擊性能和陰極剝離性能達(dá)到指標(biāo)要求，但粘接強(qiáng)度相對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求有所偏低。

3.3 無(wú)溶劑環(huán)氧涂料實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與評(píng)價(jià)

本文所采用的無(wú)溶劑環(huán)氧涂料為西部某管道埋地管道補(bǔ)口修復(fù)用補(bǔ)口涂料，其實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果如表 3所示，試驗(yàn)典型照片如圖5、6所示。

圖5 無(wú)溶劑環(huán)氧涂層粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.5 Peel strength test results of “solvent free epoxy coating” repair material

表3 無(wú)溶劑環(huán)氧涂層實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Test result of “solvent free epoxy coating”repair material

圖6 無(wú)溶劑環(huán)氧涂層在不同溫度下(28,d)的陰極剝離測(cè)試結(jié)果Fig.6 Cathodic debonding test results of “solvent free epoxy coating” repair material after 28,days

由試驗(yàn)結(jié)果可知：經(jīng)檢測(cè)西部某管道補(bǔ)口涂層的各項(xiàng)性能均達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)的要求。

4 在役3,PE管道補(bǔ)口修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

2010年，對(duì)西部某管道的52道試驗(yàn)口進(jìn)行了補(bǔ)口修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用了“粘彈體＋熱縮壓敏帶”、無(wú)溶劑環(huán)氧補(bǔ)口材料及結(jié)構(gòu)；2011年，選取60,km管道進(jìn)行了機(jī)械化噴涂聚氨酯補(bǔ)口施工。2014年5月，對(duì)在役埋地管道3,PE外防腐層使用過(guò)的不同補(bǔ)口修復(fù)材料及修復(fù)效果定期進(jìn)行全面跟蹤檢查，以掌握各種補(bǔ)口修復(fù)技術(shù)的長(zhǎng)期使用性能，為埋地管道補(bǔ)口修復(fù)提供指導(dǎo)，檢測(cè)項(xiàng)目包括外觀、粘接強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、防腐層對(duì)管體的保護(hù)效果等。

4.1 “粘彈體＋外護(hù)”補(bǔ)口檢測(cè)結(jié)果

對(duì) 2011年修復(fù)的“粘彈體＋熱縮壓敏帶”結(jié)構(gòu)(3道)、2013年修復(fù)的“粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)(5道)補(bǔ)口進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果表明：①2013年修復(fù)的“粘彈體＋熱敏壓縮帶”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層埋地 1年后防腐性能無(wú)明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效；②2011年修復(fù)的“粘彈體＋熱敏壓縮帶”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層埋地運(yùn)行 3年后，防腐性能無(wú)明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效；③2013年修復(fù)的“粘彈體＋環(huán)氧玻璃鋼外護(hù)”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層經(jīng)過(guò) 1年后防腐性能無(wú)明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效。

4.2 噴涂聚氨酯補(bǔ)口檢測(cè)結(jié)果

本次研究，對(duì) 2010年“噴涂聚氨酯”試驗(yàn)修復(fù)補(bǔ)口(2道)、2011年“噴涂聚氨酯”試驗(yàn)修復(fù)補(bǔ)口(3道)、2013年某管線新建“噴涂聚氨酯”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口(3道)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果表明：“噴涂聚氨酯”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層經(jīng)過(guò)埋地1年、3年、4年后，所檢部位的涂層未發(fā)生變色、起泡等老化現(xiàn)象，經(jīng)檢測(cè)補(bǔ)口防腐層性能未發(fā)生明顯變化，補(bǔ)口部位處于防腐層正常保護(hù)狀態(tài)。但補(bǔ)口防腐層對(duì)鋼管的附著力與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)(ISO 21809-3、Q/SY GJX 140-2012和SY/T 4106-2005)相比，數(shù)值偏低，低于10,MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 “無(wú)溶劑環(huán)氧＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)

對(duì)2011年、2013年修復(fù)的“無(wú)溶劑環(huán)氧＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口(8道)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果表明：①2013年修復(fù)補(bǔ)口，“無(wú)溶劑環(huán)氧＋熱縮壓敏帶”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口防腐層經(jīng)過(guò) 1年后防腐性能無(wú)明顯變化，補(bǔ)口表現(xiàn)為整體保護(hù)有效，但有的補(bǔ)口存在無(wú)溶劑環(huán)氧涂層厚度偏低的現(xiàn)象，建議加強(qiáng)補(bǔ)口修復(fù)時(shí)的過(guò)程控制，對(duì)施工過(guò)程的關(guān)鍵控制點(diǎn)加大檢查密度和力度，以保證補(bǔ)口修復(fù)質(zhì)量；②2011年修復(fù)補(bǔ)口，“無(wú)溶劑環(huán)氧＋熱縮壓敏帶”結(jié)構(gòu)經(jīng)埋地運(yùn)行3年后，有1道口(1-1#)出現(xiàn)了外護(hù)熱縮壓敏帶下垂現(xiàn)象，外護(hù)保護(hù)作用失效，但內(nèi)層無(wú)溶劑環(huán)氧涂層未發(fā)生變色、起泡等老化現(xiàn)象，經(jīng)檢測(cè)補(bǔ)口防腐層性能未發(fā)生明顯變化，內(nèi)層環(huán)氧對(duì)鋼管的保護(hù)有效。

5 結(jié) 論

①防腐層質(zhì)量問(wèn)題、施工質(zhì)量問(wèn)題和防腐層在使用環(huán)境中的失效是導(dǎo)致埋地管道補(bǔ)口失效的主要原因。②新型補(bǔ)口材料復(fù)合結(jié)構(gòu)比單一結(jié)構(gòu)更適合于 3,PE防腐層補(bǔ)口的修復(fù)，防腐層初始及埋地1年、3年、4年后防腐層性能穩(wěn)定。③“粘彈體＋外護(hù)”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)性能達(dá)到指標(biāo)要求，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖檢測(cè)結(jié)果表明，該種結(jié)構(gòu)與 3,PE防腐層匹配性良好，適合于補(bǔ)口修復(fù)的單點(diǎn)作業(yè)。④“噴涂聚氨酯”結(jié)構(gòu)補(bǔ)口技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械化作業(yè)程度高，現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大，防腐層現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需待涂層固化后進(jìn)行，較適合作為新建管道的補(bǔ)口，不適合補(bǔ)口修復(fù)的單點(diǎn)作業(yè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，涂層未發(fā)生變色、起泡等老化現(xiàn)象，補(bǔ)口部位處于防腐層正常保護(hù)狀態(tài)，但補(bǔ)口防腐層對(duì)鋼管的附著力數(shù)值偏低，與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果一致。⑤“無(wú)溶劑環(huán)氧涂料＋外護(hù)”補(bǔ)口結(jié)構(gòu)對(duì)施工條件要求較高，可在機(jī)械化施工可行的管段使用?！?/p>

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Application of New Field Joint Coatings in the Rehabilitation of Buried Pipelines

LI Lingjie，HAN Wenli，LIN Zhu，XU Zhongping，YANG Yaohui，ZHANG Yanjun
(CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China)

The failure of commonly used field joint coating(heat shrinkable sleeve)in 3,PE pipeline was due to poor FJC coating material quality，poor construction quality and failure of coatings in service environment．Some new FJC materials，such as visco-elastic tape，solvent-free epoxy coating and spray-applied liquid polyurethane were introduced in this paper．Application cases of these new FJC coatings in a long distance pipeline in Western China were also introduced．The evaluation and assessment of rehabilitation quality were carried out and the performance of field joint coating was tracked after 1 year，3 years and 4 years respectively and relative results were analyzed.

buried pipeline；field joint coating；rehabilitation；pipeline inspection

TE988

：A

：1006-8945(2015)10-0055-04

2015-09-18