竇宏強 詹勝文 劉佳 馮韶恒

中國石油天然氣管道工程有限公司

防腐層是保護管道避免腐蝕的重要因素[1]。熱煨彎管形狀特殊，防腐層涂敷難以采用機械化生產(chǎn)線進行流水作業(yè)，只能采用手工或半機械化方式涂裝。涂敷人員的能力、責任心等因素對防腐質(zhì)量的影響極大。同時，熱煨彎管安裝在地形起伏大，落差變化劇烈的地段，管道維護和修復難度極高，又對防腐質(zhì)量提出了極高的要求。因此，選用恰當防腐層和適當涂敷工藝的熱煨彎管是管道建設的重點之一。

總結(jié)了已建油氣長輸管道熱煨彎管的防腐層種類，可劃分為單一結(jié)構(gòu)防腐層和復合結(jié)構(gòu)防腐層兩種類型。

1 現(xiàn)狀

1.1 單一結(jié)構(gòu)防腐層

1.1.1 雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層

雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末(Fushion Bonded Epoxy，F(xiàn)BE)防腐層的底層為普通防腐型環(huán)氧粉末層，厚度≥300 μm；面層為改性耐磨型環(huán)氧粉末層，厚度≥500 μm。兩種環(huán)氧粉末采用靜電噴涂方式，一次噴涂到加熱的鋼管表面，熔融固化后形成厚度≥800 μm的防腐層。主成膜物為環(huán)氧類材料，防腐性優(yōu)良；面層采用改性耐磨型環(huán)氧粉末，提高了防腐層的耐磨性；環(huán)氧粉末通過加熱熔融方式固化在管道表面，防腐層與鋼管通過化學鍵方式牢固結(jié)合，附著力強；防腐層不屏蔽陰極保護電流，被稱為“失效安全型”防腐層。但環(huán)氧粉末防腐層存在耐沖擊性差，阻水能力低，吸濕性強，彎曲性能差的缺點。

2014年投產(chǎn)的中亞C線(哈國段)天然氣管道工程中管徑1 219 mm，設計壓力10 MPa，X80級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了總厚度≥800 μm的雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層。2012年投產(chǎn)的西氣東輸二線管道工程中管徑1 219 mm，設計壓力12 MPa/10 MPa，X80級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管也采用了相同結(jié)構(gòu)的防腐層。

1.1.2 無溶劑環(huán)氧防腐層

環(huán)氧粉末涂敷時需采用大蓄熱，又急速冷卻的工藝，這會導致防腐層固化不均、質(zhì)量不穩(wěn)定。為克服這個缺點，無需高溫加熱且快速水冷的無溶劑環(huán)氧防腐層應運而生。無溶劑環(huán)氧涂料采用低黏度環(huán)氧樹脂、顏填料、助劑等經(jīng)高速分散、研磨制成基料，以低黏度改性胺作為固化劑，組成雙組分反應固化型防腐涂料[2]。無溶劑環(huán)氧防腐層與鋼管表面黏結(jié)性優(yōu)異，抗化學介質(zhì)侵蝕、防腐性能好；與陰極保護兼容；涂敷設備少、工藝簡單；無需高溫加熱，常溫下可固化；致密性優(yōu)于熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層。但人工涂敷無溶劑環(huán)氧涂料時，也存在防腐質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象；常溫下的固化時間長，溫度更低時不發(fā)生固化反應；防腐層的機械強度和抗沖擊性差。

2009年投產(chǎn)的川氣東送管道工程中管徑1 016 mm，設計壓力10 MPa，X70級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用固含量≥99.5%(w)的無溶劑環(huán)氧涂料，并利用高壓離心無氣噴涂工藝，一次噴涂成膜厚度為1.0～1.5 mm，共生產(chǎn)熱煨彎管近900個[3]。

1.1.3 無溶劑聚氨酯防腐層

無溶劑聚氨酯防腐層由多異氰酸酯組分和多元醇組分反應而成。組分中含有苯環(huán)，防腐層具有良好的機械性能；分子中的醚鍵可自由旋轉(zhuǎn)，消除了應力，防腐層具有良好的柔韌性；多異氰酸酯組分和多元醇組分反應速度快，常溫下可在0.5～2.0 h內(nèi)完成固化；采用高壓無氣熱噴涂工藝，按一次多道的噴涂方法，可一次達到規(guī)定的防腐層厚度；環(huán)境溫度適應性極強，在-40 ℃的低溫環(huán)境下，也可快速固化；耐磨性、抗沖擊性和柔韌性比環(huán)氧類防腐層好。但防腐層的附著力和抗陰極剝離性較環(huán)氧類防腐層差，且存在容易起泡等缺點。

中俄東線天然氣管道工程中的黑龍江隧道穿越段豎井內(nèi)管徑為1 420 mm，設計壓力12 MPa，采用K65級(相當于X80級)鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了厚度為2.5～4.0 mm的無溶劑聚氨酯防腐層。熱煨彎管及外防腐層的制作均由俄方供貨商完成。

1.1.4 聚脲防腐層

聚脲防腐層由異氰酸酯組分和氨基化合物組分反應生成。聚脲涂料的固化比聚氨酯涂料的固化更迅速；無需添加固化促進劑，幾秒鐘即可快速凝膠成形，一次噴涂厚度可達1～3 mm；可在任意曲面上成型且不產(chǎn)生流掛；固體含量100%，不含任何揮發(fā)性有機物；柔韌性優(yōu)異，可完全抵御晝夜、四季環(huán)境溫度變化帶來的熱脹冷縮，不會產(chǎn)生開裂和脫落現(xiàn)象。但聚脲防腐層的附著力較差，抗陰極剝離性能不甚理想。

美國阿拉斯加石油管道、印度尼西亞海灣石油公司Suban和Su MPal天然氣管道、俄羅斯西伯利亞管道和國內(nèi)的部分城市燃氣管道、油田集輸管道有相關的應用報道[4]。

1.1.5 聚乙烯/聚丙烯膠帶防腐層

以聚乙烯或聚丙烯材料為胎材，覆合一層膠黏劑而制成的膠帶。根據(jù)背材類型，分為聚乙烯膠帶或聚丙烯膠帶。施工方便、靈活，技術門檻低，防腐成本低。聚乙烯膠帶防腐層較軟、薄，抗機械損傷能力差；與鋼管的粘接強度低，在高溫或低溫時粘接力均會下降；防腐層剝離后，陰極保護電流受到屏蔽，導致鋼管發(fā)生應力腐蝕開裂。聚丙烯膠帶的背材采用了纖維網(wǎng)狀織胎結(jié)構(gòu)，解決了陰極保護屏蔽所導致的應力腐蝕開裂問題，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也同樣導致防腐層的機械強度降低，抗沖擊能力下降。

1997年投產(chǎn)的陜京一線管道工程中部分管徑為660 mm，設計壓力6.4 MPa，X60級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了TEK-RAP公司的聚乙烯膠帶作為外防腐層[5]。

1.2 多層復合結(jié)構(gòu)防腐層

1.2.1 熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+聚乙烯膠帶

在擠塑聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層引入國內(nèi)后，人們一直致力于熱煨彎管聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層的研究。熱煨彎管的冷帶熱熔三層聚乙烯防腐層成型技術[6]，采用靜電噴涂熔結(jié)環(huán)氧粉末層，在環(huán)氧粉末層膠化狀態(tài)下，將預制好的聚乙烯冷纏帶經(jīng)專用纏繞機纏繞在加熱的彎管表面，通過彎管本體的熱量，熔融冷纏帶的膠黏劑層和聚乙烯背材，形成聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層。但該工藝會造成彎管內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)防腐層厚度不均勻；為熔融中間膠黏劑層和聚乙烯背材，彎管需加熱到250 ℃以上，導致底層的環(huán)氧粉末層損壞。聚乙烯膠帶失黏時對陰極保護產(chǎn)生屏蔽，導致出現(xiàn)應力腐蝕問題。到目前為止，這種防腐工藝還沒能在油氣長輸管道熱煨彎管的防腐上應用。

1.2.2 熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+聚丙烯膠帶

網(wǎng)狀聚丙烯膠帶不會產(chǎn)生陰極保護屏蔽，且在一定程度上提高了熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層的機械強度和抗沖擊能力，減少了熱煨彎管運輸和施工過程中的機械損傷。該結(jié)構(gòu)底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，外層纏繞網(wǎng)狀增強纖維聚丙烯膠帶保護，聚丙烯膠帶55%搭接，一次纏繞成型。但這種結(jié)構(gòu)也存在受損部位難以修補、熱煨彎管兩端與直管連接的補口需特殊處理的缺點。

2005年投產(chǎn)的陜京二線管道工程中管徑為1 016 mm，設計壓力10 MPa，采用X70級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管部分采用了熔結(jié)環(huán)氧粉末+聚丙烯纖維增強型膠帶的防腐結(jié)構(gòu)[7]。熔結(jié)環(huán)氧粉末為3M公司的806-8G，聚丙烯膠帶由中央制塑(天津)有限公司生產(chǎn)。熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層為單層，聚丙烯膠帶的厚度為1.8 mm。2012年投產(chǎn)的中緬油氣管道工程管徑1 016 mm，設計壓力10 MPa，采用X80/X70級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管和2014年投產(chǎn)西氣東輸三線管道工程中管徑1 219 mm/1 016 mm，設計壓力12 MPa/10 MPa，采用X80級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管都采用了此種防腐結(jié)構(gòu)。這種防腐結(jié)構(gòu)也是目前國內(nèi)油氣長輸管道建設中熱煨彎管最常采用的防腐形式，所占比例超過了80%。

1.2.3 無溶劑環(huán)氧防腐層+聚丙烯膠帶

與熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+網(wǎng)狀聚丙烯膠帶的防腐結(jié)構(gòu)類似，同樣存在無溶劑環(huán)氧防腐層+網(wǎng)狀增強纖維聚丙烯膠帶的防腐結(jié)構(gòu)。在底層無溶劑環(huán)氧防腐層固化且檢測合格后，再纏繞網(wǎng)狀增強纖維聚丙烯膠帶保護，聚丙烯膠帶55%搭接，一次纏繞成型。底層無溶劑環(huán)氧涂料采用高壓無氣噴涂，干膜厚度為500～1 000 μm。

2010年投產(chǎn)的榆林-濮陽-濟南輸氣管道中管徑711 mm/610 mm，設計壓力10 MPa/8 MPa，采用X65級/X60級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管采用了此種防腐結(jié)構(gòu)。

1.2.4 無溶劑聚氨酯防腐層+聚丙烯膠帶

這是一種反應速度更快，更適合現(xiàn)場涂敷的防腐結(jié)構(gòu)。底層為無溶劑聚氨酯防腐層，面層為網(wǎng)狀增強纖維聚丙烯膠帶。

2005年投產(chǎn)的陜京二線工程中的部分熱煨彎管采用了此種防腐結(jié)構(gòu)，底層采用CORROPIPE II TX-15型無溶劑聚氨酯涂料，使用專用的雙組分高壓無氣熱噴涂設備，將涂料的A、B兩個組分在線加熱并保持在45 ℃以上，在高壓下混合霧化，反應形成聚氨酯防腐層；聚氨酯防腐層固化且檢測合格后，再纏繞網(wǎng)狀增強纖維聚丙烯膠帶保護。聚氨酯防腐層厚度為500 μm，聚丙烯膠帶同樣采用55%搭接的一次纏繞成型方式，厚度為1.8 mm。

1.2.5 聚乙烯熱收縮套結(jié)構(gòu)

常稱為“蝦米”搭接結(jié)構(gòu)，是對聚乙烯三層結(jié)構(gòu)最初級的一種模擬，直接利用環(huán)焊縫補口用的輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮套層層搭接包覆而成。這種結(jié)構(gòu)充分利用了聚乙烯熱收縮套機械強度高、抗沖擊性強的特點。在擠塑3LPE防腐層引進國內(nèi)后，曾經(jīng)被認為是最接近擠塑3LPE的一種防腐層結(jié)構(gòu)。但由于所有的涂裝只能采用人工操作，防腐質(zhì)量受操作人員的影響大；熱煨彎管的內(nèi)弧側(cè)會聚集過厚的防腐層；層與層之間的搭接位置會形成空隙，影響防腐質(zhì)量；熱煨彎管的外表面較大，整個采用熱收縮帶包覆時投資偏高。

這種蝦米搭接方式的防腐結(jié)構(gòu)在油田的小口徑管道中有大量的應用，占比較高。

1.2.6 黏彈體膠帶+外護帶防腐

黏彈體材料是一種非結(jié)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。黏彈體膠帶+外護帶的防腐結(jié)構(gòu)充分利用了黏彈體膠帶“萬能”的黏接性和外護帶的機械保護作用，組合成了具有優(yōu)異防腐性能的結(jié)構(gòu)形式。黏彈體膠帶對基材表面的處理要求不高，只需進行手工除銹達到St2級即可；無需使用底漆，可直接采用纏繞方法粘接到彎管表面，減少了施工工序；黏彈體膠帶具有絕佳的水密性與氣密性，可徹底阻斷水和空氣的滲透，防腐性能優(yōu)異；外護帶可選擇PVC膠帶、聚乙烯膠帶、聚丙烯膠帶等多種材料，配伍性好。

唐山液化天然氣外輸管道的填海區(qū)及沼澤、鹽池、養(yǎng)魚池等40 km長的水域管段環(huán)焊縫補口部位[8]，采用了長園長通新材料股份有限公司生產(chǎn)的黏彈體膠帶+熱縮壓敏膠帶的補口方式。該段管道于2012年埋地，運行6年后，于2018年現(xiàn)場開挖評價，補口質(zhì)量仍然優(yōu)異。目前，黏彈體膠帶+聚丙烯膠帶的防腐結(jié)構(gòu)已用于中亞C線輸氣管道管徑為1 219 mm，設計壓力10 MPa的熱煨彎管外防腐層大修的項目中。

2 聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層

2.1 多層粉末噴涂聚乙烯三層結(jié)構(gòu)

該防腐層宏觀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)擠塑3LPE防腐層類似。底層為FBE層，中間是化學改性的聚乙烯膠粘劑與FBE粉末的混合物，外層是中密度聚乙烯層。全部采用靜電粉末噴涂系統(tǒng)涂敷，標準厚度為750 μm。采用粉末噴涂方式，層與層之間沒有明顯的界面，各層能夠緊密相連，形成一種連續(xù)過渡的“分級結(jié)構(gòu)”，粘結(jié)力更強。消除了空穴和減薄現(xiàn)象，溫度變化時內(nèi)部應力變化很小。根據(jù)使用環(huán)境的不同要求，外層可選用聚乙烯或聚丙烯材料。防腐層與管道表面具有優(yōu)良的粘接力，出色的抗剪切力特性、低溫柔韌性、抗沖擊性、耐陰極剝離性和非常低的滲透性。但由于整個防腐層需全部采用彎管自身的熱量來熔融，因此，總厚度受限，不超過1.5 mm。在應用初期，曾出現(xiàn)防腐層厚度過薄，導致機械強度和抗沖擊能力不足，防腐層拉伸強度、斷裂伸長率、機械性能差等缺陷。

中油管道防腐工程有限責任公司從涂敷工藝、涂敷材料和噴涂設備等多方面對此工藝進行了改進，使這項技術重新得到了應用。由中國石油管道局承建的孟加拉莫哈什卡利島浮式液化天然氣項目中管徑457 mm，設計壓力8.8 MPa，采用X65級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管和泰國西北部成品油管道項目中管徑406 mm，設計壓力15 MPa/12.5 MPa/9 MPa，采用X60級鋼的直縫埋弧焊熱煨彎管都采用了粉末噴涂型聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層。

2.2 縱向整體包覆聚乙烯三層結(jié)構(gòu)

熱煨彎管縱向整體包覆3LPE防腐工藝類似于電纜線包覆絕緣層[9]，熱煨彎管首先通過環(huán)形布置的拋丸系統(tǒng)除銹達到所需的錨紋深度，再進行除塵達到所需的潔凈度。采用中頻感應加熱線圈將彎管加熱到200～230 ℃，通過環(huán)形布置的環(huán)氧粉末靜電噴涂裝置涂敷環(huán)氧粉末防腐層。在環(huán)氧粉末膠化狀態(tài)下，彎管穿過環(huán)狀的復合模具，一次性縱向整體分別擠出套狀的聚乙烯共聚物膠粘劑層和聚乙烯層，包覆在彎管的表面，形成3LPE防腐層。

膠粘劑層和聚乙烯層都采用縱向整體擠出成型方式，可通過調(diào)節(jié)擠出機的擠出量來調(diào)整防腐層的厚度，實現(xiàn)彎管與直管防腐層的厚度一致，不再考慮加熱溫度、彎管的彎曲度等因素。環(huán)形包覆模具出料口的出料量可在周向上連續(xù)調(diào)節(jié)，根據(jù)熱煨彎管內(nèi)、外弧度的差別，分別調(diào)節(jié)彎管內(nèi)、外弧側(cè)出料口的出料量，使環(huán)形模具出料口的出料量形成外弧側(cè)出料量多、內(nèi)弧側(cè)出料量少的漸變模式，避免了內(nèi)弧側(cè)防腐層厚、外弧側(cè)防腐層薄的缺點。環(huán)形擠出模具使聚乙烯防腐層外觀完好、平整度高，克服了纏帶類防腐結(jié)構(gòu)搭接區(qū)的堆積、翹邊、粘接力缺失等問題。但涂敷工藝所需的中頻感應加熱、環(huán)氧粉末噴涂、膠粘劑包覆、聚乙烯包覆等工作單元需重新設計；環(huán)形包覆模具需對曲面包覆同厚度的防腐層，自動控制的精度要求非常高；不同彎管的彎曲度差異也導致每個彎管需單獨設置控制程序。目前，還沒有這種涂敷工藝的應用報道，但給出了熱煨彎管防腐的一個研究方向。

3 結(jié)語

(1) 熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層+聚丙烯膠帶的多層復合結(jié)構(gòu)防腐層仍然是現(xiàn)階段油氣長輸管道熱煨彎管防腐的主要形式。這種防腐結(jié)構(gòu)也是現(xiàn)階段熱煨彎管防腐性能和機械防護性能等所能達到的最佳組合。

(2) 追求熱煨彎管與直管防腐等級和防腐效果的一致性，仍是國內(nèi)外油氣管道行業(yè)共同的目標，也是當前熱煨彎管防腐技術研究的主要方向?，F(xiàn)有技術水平下，熱煨彎管所能實施的防腐層質(zhì)量還難以與工廠預制的直管防腐層質(zhì)量相匹配。

(3) 熱煨彎管的防腐技術涉及到材料、工藝、設備等多個學科，要想取得突破性的進展，有賴于整體技術水平的提升和進步。