王玉石，白天陽，劉詩茵，蔡亮，劉海龍，呂林林

（1. 中石油天然氣銷售河南分公司，河南 鄭州，450000）

（2. 中油國際管道有限公司，北京，100029）

（3. 中航油京津冀物流有限公司，天津，300300）

（4. 國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

（5. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

1 前言

防腐補(bǔ)口是管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵程序和薄弱環(huán)節(jié)，直接影響管道運(yùn)行安全和使用壽命。相對管道干線防腐層在工廠預(yù)制，管道補(bǔ)口在現(xiàn)場完成，受制于施工環(huán)境條件等影響因素，補(bǔ)口防腐層質(zhì)量不能完全保證。提高管道防腐補(bǔ)口質(zhì)量，可以延長在役管道使用壽命。分析了熱收縮帶補(bǔ)口施工難點(diǎn)和失效原因。針對提高管道防腐補(bǔ)口質(zhì)量，提出合理化建議和技術(shù)措施，并對未來新型補(bǔ)口材料需求及技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了展望。

2 熱收縮帶（套）材料補(bǔ)口

從20世紀(jì)90年代三層聚乙烯（3PE）成為歐洲管道防腐層主流形式。3PE防腐層具有良好機(jī)械性能、耐滲透性能和易加工性等優(yōu)點(diǎn)，從2002年陜京線采用3PE防腐層，我國新建大型油氣管道廣泛采用3PE防腐層，配套補(bǔ)口型式為“環(huán)氧底漆+熱熔膠粘劑+交聯(lián)輻射聚乙烯熱收縮帶”三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。施工工藝為補(bǔ)口區(qū)域鋼管表面處理至規(guī)定等級，搭接處管體PE層進(jìn)行毛化處理，預(yù)熱補(bǔ)口區(qū)域后涂刷環(huán)氧底漆，采用烘烤方式將熱收縮帶固定在補(bǔ)口區(qū)域。

3 熱收縮帶補(bǔ)口失效形式及原因分析

調(diào)研國內(nèi)管道熱收縮帶補(bǔ)口應(yīng)用出現(xiàn)失效問題，主要失效形式是界面密封性能失效；其次防腐層發(fā)生損傷或剝離，可能產(chǎn)生陰極保護(hù)電流屏蔽問題，影響陰極保護(hù)效果。熱收縮帶失效主要是兩方面原因，熱收縮帶及配套產(chǎn)品性能不滿足防腐補(bǔ)口工藝要求；現(xiàn)場環(huán)境條件限制以及施工過程質(zhì)量控制不嚴(yán)格，例如由于人工火焰烘烤安裝方式受施工現(xiàn)場環(huán)境和工人技術(shù)素質(zhì)影響，不能完全保證質(zhì)量。

3.1 底漆從鋼管表面脫落

3PE管道補(bǔ)口底漆是雙組份液態(tài)環(huán)氧樹脂，涂刷底漆前，鋼管表面進(jìn)行處理。底漆從鋼管表面脫落，可能是以下原因：

（1）表面處理不佳。未對鋼管表面進(jìn)行有效噴砂除銹；噴砂過程混入雜質(zhì)，降低環(huán)氧樹脂和鋼管的粘結(jié)效果；噴砂形成的表明錨紋深度不夠或者深度不均勻。

（2）環(huán)氧底漆混合不均勻、固化不完全。

（3）環(huán)氧底漆添加劑含量過高，降低了對鋼管粘結(jié)強(qiáng)度。

（4）底漆加熱快速固化產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，造成底漆和鋼管附著力下降；

3.2 熱熔膠粘劑與環(huán)氧底漆粘結(jié)失效

熱熔膠粘劑在3PE管道補(bǔ)口中起到密封作用，經(jīng)加熱將熱收縮帶和焊口兩側(cè)的環(huán)氧底漆層緊密粘結(jié)，同時實(shí)現(xiàn)與搭接部位主管道PE層的粘結(jié)。熱熔膠粘劑對底漆和主管道PE層的粘結(jié)強(qiáng)度是影響補(bǔ)口質(zhì)量的關(guān)鍵因素，良好粘結(jié)效果才能保證兩側(cè)管線的焊接部位與空氣/土壤隔離，防止發(fā)生腐蝕。熱熔膠粘劑與環(huán)氧底漆粘結(jié)失效原因分析如下：

（1）預(yù)熱溫度不合理。預(yù)熱溫度過低，環(huán)氧底漆固化反應(yīng)不完全，膠層不能完全熔化，影響膠粘劑復(fù)合效果；預(yù)熱溫度過高，環(huán)氧底漆已完全固化，膠粘劑不能與環(huán)氧底漆產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，影響界面性能。

（2）熱熔膠粘劑成分與環(huán)氧底漆不匹配。熱熔膠粘劑如含有丁基橡膠或EVA樹脂，極性較弱，環(huán)氧底漆極性較強(qiáng)，二者性能差異大，粘結(jié)性能差。

（3）施工中加熱過程不均勻，熱熔膠粘劑熔化不均勻，影響膠粘劑與環(huán)氧底漆粘結(jié)效果。

3.3 熱熔膠粘劑與主管道PE層粘結(jié)失效

熱收縮帶與管體搭接防腐層及補(bǔ)口區(qū)鋼管表面粘接不良，剝離脫落造成防護(hù)失效。原因分析如下：

（1）熱收縮帶整體烘烤不均勻，例如只對熱收縮帶端部烘烤，導(dǎo)致中部熱熔膠與主管道PE層粘結(jié)效果差。

（2）熱熔膠粘劑中非極性組分含量低，導(dǎo)致與非極性聚乙烯基材粘結(jié)效果差。

（3）主管道PE層含有雜質(zhì)影響粘結(jié)效果。

4 熱收縮帶補(bǔ)口技術(shù)改進(jìn)優(yōu)化

國外管道防腐層技術(shù)發(fā)展趨勢主要是持續(xù)改進(jìn)3PE、DFBE防腐層材料結(jié)構(gòu)和施工工藝[1]，這也是管道防腐補(bǔ)口的發(fā)展方向。建議從改進(jìn)熱熔膠粘劑性能、研制專用補(bǔ)口工具、優(yōu)化施工工藝和完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面加以改進(jìn)。

（1）熱熔膠粘劑/環(huán)氧底漆改性提升流動性和粘結(jié)性能。熱收縮帶防腐補(bǔ)口三種失效形式其中兩種和熱熔膠粘劑有關(guān)，熱熔膠粘劑與環(huán)氧底漆和主管道PE層粘結(jié)失效。改進(jìn)熱熔膠粘劑性能是提升補(bǔ)口質(zhì)量的關(guān)鍵。環(huán)氧底漆含多種極性集團(tuán)，易于和熱熔膠粘劑粘結(jié)；PE層缺乏極性集團(tuán)，難以形成較長附著力。應(yīng)研究優(yōu)化熱熔膠粘劑中極性/非極性組分的比例匹配，提高對環(huán)氧底漆/PE層的截面粘結(jié)性能。另一方面，管道補(bǔ)口材料受外力因素較多，例如溫度變化熱應(yīng)力、土體移動剪切應(yīng)力對粘結(jié)截面造成不利影響，熱熔膠粘劑應(yīng)剔除小分子組分（例如萜烯樹脂），小分子遷移產(chǎn)生額外應(yīng)力降低粘結(jié)界面強(qiáng)度。熱熔膠粘劑應(yīng)考慮組分分子量的多樣分散性，寬分子量分布有助于緩沖軸向應(yīng)力作用。

（2）研制多類型管道補(bǔ)口專用機(jī)械機(jī)具，例如移動式中頻加熱機(jī)、LPG催化燃燒紅外補(bǔ)口加熱機(jī)、環(huán)保型自動噴砂除銹設(shè)備、高壓無氣聚氨酯自動噴涂機(jī)，減少人為因素影響，保證補(bǔ)口施工質(zhì)量和規(guī)范化。

（3）從優(yōu)化施工工藝方面，可在一定程度提高補(bǔ)口質(zhì)量。首先改進(jìn)加熱方式，以機(jī)具加熱替代烘烤加熱，或者采用紅外或者中頻輻射加熱方式保障管體受熱均勻，必要時可以精準(zhǔn)控制管體加熱溫度，預(yù)防預(yù)熱不足或者過熱問題。其次，嚴(yán)格監(jiān)督鋼管表面處理、噴砂除銹、預(yù)熱、刷涂底漆、纏熱收縮帶等環(huán)節(jié)施工質(zhì)量。補(bǔ)口施工人員應(yīng)完成技術(shù)培訓(xùn)、持證上崗，加強(qiáng)施工人員責(zé)任心和質(zhì)量意識。

（4）從完善管道防腐補(bǔ)口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，我國已制定國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51241-2017《管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)規(guī)范》，注重補(bǔ)口整體性能但對材料質(zhì)量關(guān)注較少，補(bǔ)口適用范圍和系統(tǒng)性評價還需改進(jìn)，應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化補(bǔ)口材料類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用依據(jù)、涂覆工藝評定和質(zhì)量性能檢驗(yàn)等內(nèi)容。

（5）我國長輸管道選擇補(bǔ)口形式設(shè)計(jì)方案有限，特別是高寒、山區(qū)、水網(wǎng)等特殊環(huán)境缺乏靈活性，管道防腐補(bǔ)口材料兼具優(yōu)缺點(diǎn)和特定應(yīng)用范圍，選擇補(bǔ)口材料、技術(shù)和方式應(yīng)實(shí)地調(diào)研管道腐蝕環(huán)境，充分考慮補(bǔ)口施工條件和環(huán)境特點(diǎn)。

5 新型防腐補(bǔ)口材料研發(fā)展望

由于補(bǔ)口技術(shù)在管道全生命周期各階段的重要性，國外管道建設(shè)中應(yīng)用了性能優(yōu)異的特殊類型的防腐補(bǔ)口材料，研發(fā)新型補(bǔ)口材料主要考慮環(huán)保、施工工藝、經(jīng)濟(jì)等方面的需求，例如液態(tài)聚氨酯補(bǔ)口材料較好解決熱收縮帶在低溫條件下性能不足問題，液體補(bǔ)口材料成為重要發(fā)展方向。陶瓷、搪瓷和玻璃涂層則具有耐熱、抗寒、抗老化、使用壽命長等突出特征，無機(jī)防腐涂層技術(shù)也占據(jù)一席之地。其他新型防腐補(bǔ)口材料包括與多種防腐層兼容性強(qiáng)的聚丙烯冷纏膠黏帶補(bǔ)口；具備較強(qiáng)自愈性的“黏彈體+外護(hù)帶”補(bǔ)口等。