姜有文,黃光前,李菲菲,劉文會,劉 猛,蓋健楠

(1. 中國石油管道公司，廊坊 065000；2. 中國石油西氣東輸管道公司 武漢管理處，武漢 430073；3. 長春輸油氣分公司，長春 130062)

目前，長輸埋地保溫管道主要采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(保溫層)和高密度聚乙烯塑料(外防護層)的復合結構作為管道的防腐蝕保溫層[1-2]。20世紀80年代，我國相繼建成了中洛線、花格線和膠青線等長輸埋地保溫管道，但這些管線在運行1～2 a后均出現(xiàn)了由于防腐蝕保溫層失效而導致的嚴重腐蝕問題，給管道的安全運行帶來了嚴重隱患，部分管線甚至直接停輸[3]。這導致國內(nèi)長輸埋地保溫管道在很長一段時間內(nèi)停止建設。但隨著我國對節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，埋地保溫管道因能滿足節(jié)能環(huán)保要求而重新得到重視。近年來，國內(nèi)相繼建成了長呼、津華等埋地保溫管道。埋地保溫管道保溫層具有高絕緣特性，這使得陰極保護無法起到有效的保護作用[4-6]，因此埋地保溫管道的防腐蝕保溫層是管道重要的防腐蝕控制措施。本工作對某埋地保溫管道防腐蝕保溫層進行現(xiàn)場調(diào)查，對埋地保溫管道防腐蝕保溫層的修復材料、結構、施工等開展了研究，確定了修復材料和結構并在現(xiàn)場進行了應用，最后通過開挖驗證該修復結構的修復效果。

1 防腐蝕保溫層的現(xiàn)場調(diào)查

1.1 防腐蝕保溫層的失效情況

對某埋地保溫管道進行現(xiàn)場開挖，調(diào)查其防腐蝕保溫層的情況。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，防腐蝕保溫層存在著以下幾方面的問題。

1) 防腐蝕保溫層存在破損，破損的主要原因是機械劃傷，如圖1(a)所示。

2) 防腐蝕保溫層與主管道PE防護層之間黏結失效，兩者之間有縫隙，補口處的固定片因膠層未被烤化，出現(xiàn)黏結失效現(xiàn)象，如圖1(b)所示。

(a) 破損 (b) 黏結失效 (c) 防水帽失效圖1 防腐蝕保溫層的失效情況Fig. 1 Failure situations of anti-corrosion and thermal insulation coating:(a) damage； (b) banding failure； (c) failure of waterproof cap

3) 預制在管端的防水帽存在破損及黏結失效，失效的主要原因是建設期補口施工過程中火焰燒烤所致，如圖1(c)所示。

1.2 修復施工時存在的問題

目前，在埋地保溫管道防腐蝕保溫層修復施工時主要存在以下幾方面的問題。

1) 以冷纏帶作為外防護層進行施工時，由于冷纏帶采用纏繞方式包覆，需要對纏帶進行軸向搭接，但實際施工中常出現(xiàn)冷纏帶搭接不嚴實，導致搭接位置存在縫隙，這些縫隙為地下水進入防腐蝕保溫層提供了通道，如圖2所示。

圖2 冷纏帶搭接情況Fig. 2 Situation of overlapping of cold tape

2) 聚氨酯泡沫塑料現(xiàn)場發(fā)泡時，未使用專用的發(fā)泡模具,導致聚氨酯泡沫從模具與原外防護層之間的縫隙處流出，嚴重影響了聚氨酯泡沫塑料的性能，如圖3(a)所示。

3) 現(xiàn)場發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料存在泡孔不均勻、表面存在孔洞、泡沫內(nèi)部不致密、疏松等缺陷，并且聚氨酯泡沫塑料的抗壓強度也未達到標準要求，如圖3(b)所示。

(a) 流出的聚氨酯泡沫

在實驗室內(nèi)對現(xiàn)場發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料(未用專用發(fā)泡模具)與工廠預制的聚氨酯泡沫塑料即保溫瓦進行抗壓強度測試，結果如表1所示。從測試結果可以看到：現(xiàn)場發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料的抗壓強度遠小于GB/T 50538-2010標準《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術規(guī)范》的要求；而保溫瓦的抗壓強度均接近標準要求。這說明現(xiàn)場發(fā)泡未使用專用模具，得到的聚氨酯泡沫塑料質(zhì)量較差,不滿足標準要求。

表1 聚氨酯泡沫塑料的抗壓強度Tab. 1 Compressive strength of polyurethane foam MPa

1.3 修復后存在的問題

某長輸埋地保溫管道經(jīng)外檢測后，對其防腐蝕保溫層存在缺陷的補口位置進行修復，修復采用"聚丙烯冷纏帶+聚氨酯泡沫塑料(現(xiàn)場發(fā)泡)+聚丙烯冷纏帶"的結構。兩年后，對該管道進行開挖，驗證其防腐蝕保溫層的修復效果。

開挖結果表明：外層的聚丙烯冷纏帶存在褶皺，并且搭接處存在縫隙，冷纏帶在底部與保溫層發(fā)生脫離，如圖4所示；聚氨酯泡沫塑料保溫層變形并且有水進入，如圖5所示。修復回填后，土壤的沉降使冷纏帶受到土壤應力作用，因此發(fā)生褶皺。現(xiàn)場發(fā)泡的聚氨酯泡沫塑料硬度較低，抗壓強度低，是導致其發(fā)生嚴重變形的原因。

圖4 外防護層失效Fig. 4 Failure of outer protective layer

圖5 保溫層變形Fig. 5 Deformation of thermal insulation layer

2 修復材料及結構

2.1 修復材料選用原則

修復材料的選用應考慮以下幾方面因素。

1) 修復材料的施工性能。所選的修復材料應具有良好的現(xiàn)場施工性能，考慮到管道運行期一些施工機械(如噴砂機械)難以進場，應選擇表面處理達到St3級即可進行施工的修復材料。

2) 底層防腐蝕材料的耐水浸泡性能。底層防腐蝕材料是保溫管道的最后一道防線，應保證底層防腐蝕材料在有水的環(huán)境中仍與管體具有良好的黏結性能，在管體表面要有足夠的膠層覆蓋率，從而保證在水進入保溫層內(nèi)時，管體不發(fā)生腐蝕。

3) 外防護層應具有良好的整體性和抗土壤應力的性能。如采用纏帶類外防護層，在施工時難免會出現(xiàn)搭接不嚴實的情況，因此，應選用整體性好的外防護層。同時，修復回填后，土壤會發(fā)生沉降，對管道產(chǎn)生應力作用，外防護層應具有較好的抗土壤應力的性能，以保證外防護層不會因土壤應力的作用而發(fā)生褶皺。

4) 保溫層選用目前埋地保溫管道普遍采用的聚氨酯泡沫塑料(可采用現(xiàn)場發(fā)泡或工廠預制的保溫瓦)。采用現(xiàn)場發(fā)泡時，應采用專用的發(fā)泡模具進行現(xiàn)場發(fā)泡，嚴格執(zhí)行現(xiàn)場發(fā)泡工藝，保證現(xiàn)場發(fā)泡質(zhì)量。

2.2 修復材料篩選

根據(jù)上一節(jié)修復材料的選用原則，篩選出了3種材料，分別是國外某黏彈體(A)、國內(nèi)某廠家黏彈體(B)和國內(nèi)某廠家新型膠帶(C)。選用從3PE管子截取的管段作為試件，對其金屬表面進行噴砂處理，然后將3種修復材料分別粘貼在金屬和3PE表面。將試件放入80 ℃熱水中浸泡100 d后，測3種修復材料與PE和金屬之間的剝離強度和膠層覆蓋率，結果如圖6所示。

結果表明：經(jīng)過100 d熱水浸泡后，材料A在金屬和PE表面的膠層覆蓋率達到90%以上，與金屬和PE之間的剝離強度分別為2.5,3 N/cm；材料B在金屬和PE表面基本無膠層覆蓋，直接發(fā)生了剝離；材料C在金屬和PE表面的膠層覆蓋率達到90%以上，但膠層會出現(xiàn)顆粒和變硬的現(xiàn)象，并且膠帶的背材與膠層之間發(fā)生剝離。

比較3種修復材料熱水浸泡試驗結果可知，材料A的性能優(yōu)于材料B和C的?？紤]到運行期間管道所處地下水溫度不會達到80 ℃，故對材料A進行了常溫水浸泡試驗。結果表明：經(jīng)過100 d常溫水浸泡后，材料A在金屬和PE層表面的膠層覆蓋率達到了90%以上，膠層下面無水進入，如圖7所示。因此，選定材料A作為防腐蝕保溫層的修復材料。

2.3 修復結構

設計保溫管道防腐蝕保溫層修復結構為：黏彈體(纖維增強型)+聚氨酯泡沫塑料(現(xiàn)場發(fā)泡或保溫瓦塊)+外防護層(壓敏膠帶或電熱熔套)。如對保溫管道補口進行修復，應先去除破損的防水帽，然后用黏彈體膠帶將聚氨酯保溫層包覆。修復結構如圖8所示。

(a) 材料A (b) 材料B (c) 材料C圖6 3種修復材料熱水浸泡試驗結果Fig. 6 Results of hot water immersion test for three repair materials：(a) material A; (b) material B; (c) material C

(a) 與金屬黏結

(b) 與PE黏結圖7 材料A常溫水浸泡試驗結果Fig. 7 Results of room temperature water immersion test for material A： (a) adhesion with steel； (b) adhesion with PE

圖8 修復結構示意圖Fig. 8 Schematic diagram of repair structure

3 修復施工要點

3.1 防腐蝕保溫層施工

1) 防腐蝕保溫層清除

將主體管道的防腐蝕保溫層及管體表面清理干凈。對于補口位置，應將管道兩端密封失效或存在端部翹邊、開裂、破損的防水帽去除。

2) 表面處理

(1) 管體除銹應首選噴砂除銹方式，現(xiàn)場條件不允許的情況下可采用手持式角向除銹機，表面處理等級應達到Sa2.5級或St3級。

(2) 采用酒精或丙酮清洗管體表面，確保管體表面干燥、無浮銹、無污物。搭接部位的主管道外防護層及防水帽表面應平整、干燥、無污物。

(3) 對主體管道外防護層與黏彈體膠帶的搭接區(qū)應做打毛處理。

3) 防腐蝕施工

(1) 表面清理完成后宜立即進行防腐蝕施工，若已處理表面出現(xiàn)返銹的情況，都應在施工之前重新進行處理。

(2) 黏彈體膠帶纏繞施工時，應保持膠帶平整并具有一定的張力，邊纏繞邊搟/按壓黏彈體膠帶，使膠帶保持平整無褶皺，搭接均勻、無氣泡，與被粘貼表面密封良好。

(3) 黏彈體膠帶層與層之間的軸向搭接應不小于10 mm；采用對包纏繞時，膠帶始末端的搭接長度應不小于50 mm，環(huán)向搭接縫應錯開，搭接縫必須在管道頂部且保證接口向下，與其他涂層的搭接長度應不小于50 mm。

3.2 聚氨酯泡沫塑料現(xiàn)場發(fā)泡及保溫瓦安裝

1) 聚氨酯泡沫現(xiàn)場發(fā)泡

(1) 聚氨酯保溫層現(xiàn)場發(fā)泡時，應根據(jù)修復管段長度計算所需發(fā)泡劑用量，并嚴格按照用量進行配比。

(2) 發(fā)泡模具應緊固在修復位置兩端的主管道外防護層上，以確保與主體防護層搭接處無縫隙，模具與主體管道防護層的搭接長度應不小于100 mm，澆注口向上。

(3) 環(huán)境溫度低于產(chǎn)品說明書要求的施工溫度時，模具、泡沫塑料原料應預熱后再進行發(fā)泡。

(4) 模具內(nèi)表面應涂刷脫模劑。

(5) 達到產(chǎn)品要求的發(fā)泡時間后方能拆除發(fā)泡模具。

2) 保溫瓦安裝

(1) 選擇的保溫瓦塊厚度應與管體保溫層厚度一致，性能應滿足標準的要求。

(2) 根據(jù)修復管段長度選擇保溫瓦塊，并進行適當?shù)那懈?，以實現(xiàn)與修復管段長度相符，與原管段保溫層無縫對接。

(3) 安裝保溫瓦塊時，應先將兩塊保溫瓦對接好，然后用膠帶將保溫瓦塊縮緊，保證兩塊保溫瓦塊不會因重力而分開。

(4) 使用手持發(fā)泡槍對保溫瓦塊與原管段保溫層之間的縫隙進行填充。

表2為現(xiàn)場發(fā)泡與保溫瓦塊優(yōu)缺點對比。

表2 現(xiàn)場發(fā)泡與保溫瓦優(yōu)缺點對比Tab. 2 Comparison of advantages and disadvantages between on-site foaming and insulation tiles

3.3 外防護層施工

1) 壓敏膠型熱收縮帶安裝

壓敏膠型熱收縮帶與管道原有防護層的搭接長度應不小于100 mm。如果一條壓敏膠型熱收縮帶寬度不能覆蓋修復區(qū)域，可采用多條壓敏膠型熱收縮帶搭接，搭接長度應大于50 mm。壓敏膠型熱收縮帶應按照產(chǎn)品說明書的要求進行安裝。

2) 電熱熔套安裝[8]

(1) 根據(jù)電熱熔套安裝指導書，進行典型環(huán)境中的熱熔適應性試驗，確定最佳的焊接參數(shù)。

(2) 根據(jù)修復管段尺寸，選擇尺寸匹配的電熱熔套，電熱熔套與主管體外防護層的搭接寬度應不小于100 mm，電熱熔套接電源一端需要進行坡度處理，形成不大于30°的倒角，寬度方向處理寬度應不小于60 mm。

(3) 用寬度不小于50 mm的捆扎帶將電熱熔套固定在修復位置。在電熱熔套兩端與主管體外防護層搭接處，電熱熔套中間位置各安裝一條捆扎帶。兩端的捆扎帶應確保捆扎在電熱熔絲的位置上。

(4) 按照確定的焊接參數(shù)進行電熱熔焊接，在焊接完成并冷卻20 min后卸掉捆扎帶。

4 應用情況

目前，此修復技術已在某長輸埋地保溫管道近400道補口修復工程中得到廣泛應用。并對其中的兩處修復效果進行了開挖驗證。開挖結果表明，修復材料和修復結構能起到有效的防水密封作用，修復外防護層與主管道外防護層之間的剝離強度達到20 N/cm，保溫層內(nèi)無水進入，修復效果良好。