武 晶,李 猛,何金昆,趙丹丹,房金庫(kù),郭曉疆,李建忠

(中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000)

目前，石油和天然氣依然是人類需求的主要能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界85%的原油和100%的天然氣運(yùn)輸方式都是管線輸送[1]。長(zhǎng)輸管線運(yùn)輸主要采用大口徑埋地鋼質(zhì)管道，如起自黑龍江省黑河市中俄邊境，途經(jīng)東北、華北、華東地區(qū)的中俄東線天然氣管線采用的是直徑1 016～1 422 mm的大管徑埋地鋼質(zhì)管道[2]。近年來(lái)，管道的運(yùn)行環(huán)境日益惡劣，管道外腐蝕的情況也越來(lái)越嚴(yán)重[3]，成品管在出廠前就已經(jīng)進(jìn)行了防腐蝕處理，所以大多數(shù)管道腐蝕發(fā)生在補(bǔ)口防腐蝕層。為了保證施工質(zhì)量和管道運(yùn)行壽命，提高油氣輸送的安全性，減少經(jīng)濟(jì)損失，緩解日趨加劇的環(huán)境問(wèn)題，防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定試驗(yàn)(PQT)逐步在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中推行。如今，防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定已成為管道防腐蝕設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制中必不可少的一部分，對(duì)于保障管道安全運(yùn)輸、新工藝的推進(jìn)和改善起到積極作用。

1 防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的發(fā)展

常見(jiàn)的長(zhǎng)輸油氣管道防腐蝕層補(bǔ)口有以下幾種類型：熱收縮材料補(bǔ)口、液體聚氨酯補(bǔ)口、無(wú)溶劑液體環(huán)氧補(bǔ)口、黏彈體膠帶+外護(hù)帶補(bǔ)口等。熱收縮材料補(bǔ)口以適用范圍廣、施工可操作性強(qiáng)、綜合性能優(yōu)異等特點(diǎn)成為目前最常見(jiàn)的防腐蝕層補(bǔ)口，其缺點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，與底漆和管體防腐蝕層搭接處容易產(chǎn)生氣孔導(dǎo)致剝離強(qiáng)度顯著降低，且對(duì)環(huán)境及施工人員要求高。液體聚氨酯補(bǔ)口可用于較低溫度的環(huán)境中，其耐環(huán)境應(yīng)力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、黏結(jié)性能好，但價(jià)格高、對(duì)設(shè)備依賴性強(qiáng)。無(wú)溶劑液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口的施工方式之一是采用氣體對(duì)鋼管表面及管體防腐蝕層進(jìn)行極化處理，然后涂覆無(wú)溶劑涂料。無(wú)溶劑液體環(huán)氧補(bǔ)口的極化效果好，涂裝、修補(bǔ)簡(jiǎn)單，但補(bǔ)口耐環(huán)境應(yīng)力效果差，且極化氣體有毒，對(duì)人體的傷害不可逆，在施工過(guò)程中工人需要穿防護(hù)服并回收氣體以免產(chǎn)生環(huán)境污染。目前，黏彈體+外護(hù)帶補(bǔ)口廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)等特殊標(biāo)段，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境及施工人員要求低、施工質(zhì)量容易控制且防腐效果好，缺點(diǎn)是價(jià)格高、不能應(yīng)用于較高溫度。與黏彈體膠帶配套使用的外護(hù)帶有熱收縮帶、聚丙烯冷纏帶、壓敏帶等[4-6]。

材料的使用壽命與材料自身特性、使用環(huán)境、操作工藝等多種因素相關(guān)[5-6]。熱收縮材料補(bǔ)口的失效原因有施工過(guò)程不規(guī)范、熱收縮帶在使用環(huán)境中的防腐性能下降等，如圖1(a)所示。液體聚氨酯補(bǔ)口在失效過(guò)程中會(huì)發(fā)生鼓泡現(xiàn)象，如圖1(b)所示，產(chǎn)生的原因可能是空氣濕度大或施工不規(guī)范?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖液體環(huán)氧涂料補(bǔ)口的拉拔附著力試驗(yàn)結(jié)果多為界面剝離，如圖1(c)所示，其原因同樣與施工操作因素密不可分。因此，為了規(guī)范施工工藝、延長(zhǎng)補(bǔ)口材料的使用壽命，各大項(xiàng)目開(kāi)始對(duì)防腐蝕層補(bǔ)口工藝進(jìn)行評(píng)定。

(a) 熱收縮帶補(bǔ)口 (b) 液體聚氨酯補(bǔ)口

2017年以前，在管道防腐蝕層補(bǔ)口施工前，沒(méi)有強(qiáng)制要求管道方請(qǐng)專業(yè)有資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定試驗(yàn)。2017年，防腐蝕層補(bǔ)口工藝的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定試驗(yàn)首次試用于中俄原油管道漠大二線的施工中，漠大二線是國(guó)內(nèi)第一條全面推行機(jī)械化補(bǔ)口，采用環(huán)保噴砂除銹的長(zhǎng)輸管道，防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定在漠大二線取得成功。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)文件中的參考標(biāo)準(zhǔn)范圍太廣，防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定內(nèi)容和試驗(yàn)方法需要改進(jìn)。雖然防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定已廣泛應(yīng)用于中俄東線天然氣管道工程、西氣東輸三線閩粵支干線(廣州-潮州段)工程以及地方管網(wǎng)等長(zhǎng)輸管線項(xiàng)目，且評(píng)定程序相較于最初完善了很多，但各評(píng)定單位對(duì)防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定內(nèi)容和試驗(yàn)方法仍存在爭(zhēng)議，其主要原因是國(guó)內(nèi)沒(méi)有一個(gè)被廣泛認(rèn)可的專門針對(duì)防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)。如熱收縮帶補(bǔ)口的工藝評(píng)定是否需要進(jìn)行0,3,6,9四個(gè)點(diǎn)位剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，是否需要進(jìn)行28 d或30 d耐熱水浸泡后再進(jìn)行剝離強(qiáng)度試驗(yàn)等問(wèn)題，一直為各評(píng)定單位探討的主要問(wèn)題。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂的標(biāo)準(zhǔn)ISO：21809-3:2008 Petroleum and natural gas industries-External coatings for buried or submerged pipelines used in pipeline transportation systems.Part 3: Field joint coatings中就包含了有關(guān)補(bǔ)口防腐層工藝評(píng)定的相關(guān)規(guī)定。在其最新的2016年版本中，明確規(guī)定了管道防腐蝕層補(bǔ)口施工前需進(jìn)行工藝評(píng)定，并在附錄中規(guī)定了防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)數(shù)量。在中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51241-2017《管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)規(guī)范》中，規(guī)定了熱收縮材料、液體涂料、聚合物膠黏帶等幾種防腐蝕層補(bǔ)口施工工藝規(guī)程(APS)的制訂和防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的內(nèi)容及步驟。其中熱收縮材料包括瑪王帝脂型聚乙烯熱收縮材料、熱熔膠型聚乙烯(含底漆)熱收縮材料、聚丙烯(含底漆)熱收縮材料、壓敏膠型聚乙烯熱收縮材料、纖維增強(qiáng)型聚乙烯(底漆)熱收縮材料幾種類型；黏彈體膠帶補(bǔ)口包含黏彈體膠帶+聚丙烯膠黏帶/聚乙烯保護(hù)外帶、黏彈體膠黏帶+壓敏膠型熱收縮材料兩種補(bǔ)口結(jié)構(gòu)。在GB/T 23257-2017《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了三層聚乙烯防腐蝕層(3PE)及熱收縮帶補(bǔ)口工藝評(píng)定的程序。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1699-2014《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層補(bǔ)口工藝評(píng)定技術(shù)規(guī)范》中，規(guī)定了熱收縮帶和液體聚氨酯補(bǔ)口的工藝評(píng)定技術(shù)要求。這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的具體要求見(jiàn)表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的要求

Q/SY 1699-2014標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，工藝評(píng)定內(nèi)容詳細(xì)、具體，但補(bǔ)口類型只有熱收縮帶和液體聚氨酯涂料兩類，且液體聚氨酯涂層在大管徑長(zhǎng)輸管道施工中已不常見(jiàn)。因此，施工設(shè)計(jì)中引用Q/SY 1699-2014標(biāo)準(zhǔn)的工程寥寥。雖然GB/T 23257-2017標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了3PE和熱收縮帶(套)工藝評(píng)定，工藝評(píng)定內(nèi)容一帶而過(guò)，但其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T 51241-2017)中多次引用其試驗(yàn)方法，因此是防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定比較常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)之一。ISO 21809-3：2016標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容龐雜，涵蓋幾乎所有防腐蝕層補(bǔ)口類型，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工藝評(píng)定內(nèi)容和幾十種試驗(yàn)方法羅列于附錄A中，是國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制修訂的參考，目前廣泛應(yīng)用在國(guó)外項(xiàng)目中。在國(guó)內(nèi)有關(guān)防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)中，GB/T 51241-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防腐蝕層補(bǔ)口類型最為全面，是國(guó)內(nèi)大多數(shù)評(píng)定單位執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)。

2 防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的應(yīng)用

目前，在國(guó)內(nèi)油氣長(zhǎng)輸管道工程設(shè)計(jì)時(shí)已普遍要求進(jìn)行防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定。工藝評(píng)定的流程如圖2所示。

圖2 防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定流程圖

評(píng)定前需按照工程設(shè)計(jì)文件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制工藝評(píng)定預(yù)規(guī)程，當(dāng)設(shè)計(jì)文件與標(biāo)準(zhǔn)有沖突時(shí)，應(yīng)先與設(shè)計(jì)人員溝通，修改設(shè)計(jì)文件或執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，工藝評(píng)定預(yù)規(guī)程不可違背工程設(shè)計(jì)。根據(jù)已編制并批準(zhǔn)的工藝評(píng)定預(yù)規(guī)程進(jìn)行工藝評(píng)定，工藝評(píng)定需委托第三方有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行。防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定分為補(bǔ)口安裝過(guò)程檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕層質(zhì)量檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室破壞性試驗(yàn)。

2.1 補(bǔ)口安裝過(guò)程檢驗(yàn)

工藝評(píng)定前現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備至少3道評(píng)定口，評(píng)定口管徑、壁厚、管體預(yù)制防腐蝕層類型、補(bǔ)口施工條件等應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致。在工藝條件及參數(shù)基本一致前提下，防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定需評(píng)定方監(jiān)督至少3道補(bǔ)口的安裝過(guò)程，安裝過(guò)程的質(zhì)量檢驗(yàn)包含但不限于：預(yù)處理前表面條件、清潔后表面檢查、噴砂后表面粗糙度、噴砂清潔后表面可溶性鹽含量、灰塵度、安裝溫度檢測(cè)、涂層厚度、漏點(diǎn)檢測(cè)等。

防腐蝕層補(bǔ)口安裝過(guò)程檢驗(yàn)應(yīng)按照工藝評(píng)定預(yù)規(guī)程進(jìn)行，并根據(jù)環(huán)境條件做適當(dāng)調(diào)整。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕層質(zhì)量檢驗(yàn)

防腐蝕層補(bǔ)口安裝完畢，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕層質(zhì)量檢驗(yàn)。

根據(jù)工藝不同，現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕層的檢驗(yàn)也有所不同，通常情況下，檢驗(yàn)3道補(bǔ)口的外觀、漏點(diǎn)、剝離強(qiáng)度(或附著力、黏結(jié)力)等。防腐蝕層檢驗(yàn)均符合相關(guān)要求，則完成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定工作；如現(xiàn)場(chǎng)防腐蝕層檢驗(yàn)不合格，應(yīng)重新調(diào)整工藝參數(shù)重復(fù)以上補(bǔ)口檢驗(yàn)工作直至連續(xù)3道口合格為止?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合格后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室破壞性試驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)室破壞性試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室破壞性試驗(yàn)根據(jù)不同工藝而異。對(duì)于最常見(jiàn)的熱收縮帶補(bǔ)口，目前普遍認(rèn)可的是GB/T 51241-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的抗沖擊、陰極剝離試驗(yàn)及對(duì)鋼管和搭接區(qū)防腐蝕層的剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。GB/T 51241-2017標(biāo)準(zhǔn)并未強(qiáng)制規(guī)定對(duì)鋼管和搭接區(qū)防腐蝕層熱水浸泡(材料最高設(shè)計(jì)溫度，28 d)后再進(jìn)行剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。一些評(píng)定單位不建議進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn),因?yàn)?8 d熱水浸泡試驗(yàn)使工藝評(píng)定更加嚴(yán)格，增加了試驗(yàn)指標(biāo)意味著降低評(píng)定合格率。熱水浸泡試驗(yàn)結(jié)果顯示，國(guó)內(nèi)多數(shù)防腐蝕層補(bǔ)口材料經(jīng)熱水浸泡試驗(yàn)后的剝離強(qiáng)度和保持率符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖3(a)所示。但是少部分防腐蝕層補(bǔ)口材料出現(xiàn)完全剝離的情況，防腐蝕層在剝離時(shí)強(qiáng)度幾乎為零，防腐蝕層輕輕一剝便脫落，如圖3(b)所示。這些材料在實(shí)際應(yīng)用中的壽命普遍偏低，因此也有評(píng)定單位將熱水浸泡后的剝離強(qiáng)度和保持率試驗(yàn)納入防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定中。

(a) 合格件

無(wú)論是否進(jìn)行附加項(xiàng)目試驗(yàn)，防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定的結(jié)果對(duì)施工材料、器具和工藝的選擇等有指導(dǎo)作用。施工方與評(píng)定機(jī)構(gòu)根據(jù)工藝評(píng)定結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)，修改補(bǔ)口施工工藝規(guī)程，最終形成工藝評(píng)定報(bào)告和施工工藝規(guī)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定被納入工程質(zhì)量管控，正式作為工程驗(yàn)收成果必不可少的一部分只有短短幾年的時(shí)間。隨著國(guó)家管網(wǎng)成立，我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道行業(yè)迎來(lái)新一輪的發(fā)展高峰期，管道防腐蝕要求日益嚴(yán)格。為了保障油氣管道安全運(yùn)行，防腐蝕補(bǔ)口工藝評(píng)定必將成為未來(lái)管道項(xiàng)目不可或缺的一部分。工藝評(píng)定的實(shí)施過(guò)程仍存在著很多問(wèn)題，如：國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有明確規(guī)定防腐蝕工藝評(píng)定的日期和期限，沒(méi)有明確規(guī)定工藝評(píng)定的具體內(nèi)容，導(dǎo)致工藝評(píng)定的質(zhì)量參差不齊。因此，研究防腐蝕層補(bǔ)口工藝評(píng)定內(nèi)容與管道剩余壽命的關(guān)系、完善工藝評(píng)定過(guò)程和質(zhì)量管理體系勢(shì)在必行。