三層PE防腐保溫管的復合極化處理及工程應用

鮑新愿，張茜，賈真，魏東鋒，祖之英

1.新疆鵬遠新材料股份有限公司，新疆烏魯木齊830000

2.長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗017300

3.山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255080

三層PE防腐保溫管的復合極化處理及工程應用

鮑新愿1，張茜2，賈真2，魏東鋒3，祖之英1

1.新疆鵬遠新材料股份有限公司，新疆烏魯木齊830000

2.長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗017300

3.山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255080

三層PE防腐保溫管中，高密度聚乙烯層與聚氨酯硬質泡沫保溫層之間存在弱邊界層，為了滿足定向穿越對防腐保溫管剪切強度的要求，最有效的方法是對高密度聚乙烯層進行極化處理。介紹了利用拋丸、火焰加熱復合極化工藝對三層PE防腐管進行極化的工藝流程、設備及檢測方法，探討了拋丸、火焰加熱復合極化機理及對粘接力的影響。試驗和工程應用表明：極化處理后的三層PE防腐管聚乙烯層表面張力均大于5.4×10-2N/m；在常溫（（23±2）℃）下，防腐保溫管的軸向剪切強度≥0.3 MPa，切向剪切強度≥0.37 MPa；穿越管段采用該三層PE防腐管能夠承受定向鉆回拖時的外在條件，滿足設計技術指標和要求。煙臺至淄博管道工程中的所有定向穿越工程均使用該三層PE防腐保溫管，無任何質量問題出現。

三層PE防腐保溫管；復合極化；拋丸；火焰加熱；粘接力

高密度聚乙烯外護聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管由于工程造價低，熱損耗低，節約能源，防腐絕緣性能好，使用壽命長，占地少，施工快，有利環境保護等優點而被廣泛用于液體和氣體的輸送管網、石油化工保溫工程、集中供熱管網、中央空調通風管道、市政工程等。

聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管由鋼管-防腐層-硬質聚氨酯泡沫塑料保溫層-高密度聚乙烯防護層-端面防水帽組成。保溫管中的防腐層通常采用單層環氧粉末涂層、雙層環氧粉末涂層、環氧液體涂料涂層。

對于穿越沼澤、河流、泥潭等特殊地域的防腐保溫管，因地域環境惡劣必須提高鋼管的防腐能力，鋼管防腐層大多采用三層PE防腐結構。單層環氧粉末涂層、雙層環氧粉末涂層、環氧液體涂料涂層是極性材料，可以有效地與聚氨酯硬質泡沫塑料保溫層粘接，滿足保溫層與防腐層之間剪切強度的要求。

三層PE防腐層中，高密度聚乙烯（HDPE）是一種結晶度高、非極性、低表面能的樹脂材料。高密度聚乙烯層與聚氨酯硬質泡沫保溫層之間存在弱邊界層，即內聚強度很低，二者之間不能很好的接觸浸潤，導致粘接力很弱，在外力或溫差作用下，接觸面一旦滑動分離，必然導致脫殼。為了形成“四位一體”結構，保證整體使用壽命，滿足定向穿越對防腐保溫管剪切強度的要求，最有效的方法是對高密度聚乙烯層進行極化處理。

對于三層PE防腐層，使用常規的電暈極化方式存在以下不足：

其一，電暈的高極化電壓容易擊穿防腐層，破壞了防腐質量。

其二，不能滿足連續作業的要求。

其三，難以保證穩定的極化效果。

通過反復比較試驗，在原有鋼管拋丸除銹作業線上，增加了火焰加熱環節，成功開發了對三層PE防腐層進行拋丸、火焰加熱復合極化處理的工藝，提高了三層PE各界面層之間的粘接力。該復合極化工藝獲得了國家發明專利[1]。

1 拋丸、火焰加熱復合極化工藝流程及設備

（1）三層PE防腐層的復合極化工藝流程如下：三層PE防腐管→拋丸→干燥純凈壓縮空氣吹掃→高溫火焰加熱→質量檢驗。

（2）三層PE防腐層的拋丸強化。采用原有鋼管拋丸除銹線進行三層PE防腐層的拋丸強化、極化處理。鋼管直徑360～1 620 mm，長度8～13 m；拋丸器功率為2×75 kW；鋼丸與鋼砂的配比為1∶3；防腐管的移動速度為1.5～2 m/min。

（3）火焰加熱極化（如圖1所示）。火焰加熱噴槍數量8～12把，火焰加熱槍距防腐管距離為15～20 cm，火焰加熱區域溫度為1 500～2 000℃，防腐管的移動速度為1.5～2 m/min。

圖1 防腐管的火焰加熱極化

2 拋丸、火焰加熱復合極化機理及其對粘接力的影響[2-3]

2.1 拋丸、火焰加熱復合極化機理

（1）拋丸。拋丸是利用高速旋轉的葉輪將一定配比的鋼丸、鋼砂拋擲出去，高速撞擊三層PE防腐管的PE層表面。其作用是：

其一，使PE表面層產生極為強烈的塑性形變，即產生表面強化層。強化層內形成了密度極高的位錯，并且在隨后的交變應力或溫度（或二者）的作用下，位錯逐漸排列規則，形成多邊形化。

其二，使PE表面層形成大于0.2～0.25 mm深度的錨紋，表面粗糙度明顯變化。

其三，去除造成PE表面層內聚強度低的低分子聚合物、防老劑、其他添加劑或污染物，提高了PE表面層的表面能。

其四，接觸角下降，表面張力提高。

（2）火焰加熱。火焰加熱的瞬間高溫效應，加快了聚乙烯的化學反應，使得高密度聚乙烯表面產生了自由基，這些活性基團以共價鍵形式互相結合，引起分子交聯，這樣，原來聚乙烯的線性分子結構就變成了三維網狀結構。聚乙烯表層分子形成的極性活性基團提高了高密度聚乙烯表面的極性，因而其表面張力也大大提高了。

2.2 拋丸、火焰加熱復合極化處理對粘接力的影響

（1）表面粗糙度的影響。三層PE防腐層經拋丸、火焰加熱復合極化處理后，表面由光滑變粗糙，并且表面形成均勻、細小的凹坑和孔隙。當聚氨酯泡沫塑料發泡時，由于分子的擴散滲透作用，泡沫分子進入聚乙烯表面的凹坑和孔隙中，泡沫固化后被機械地鑲嵌在凹坑和孔隙中，形成許許多多的機械連接點，從而大大提高了聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間的粘接力。

（2）表面極性基團的影響。聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間的吸附作用是由范德華力所引起的。未處理的聚乙烯分子基本上不帶極性基團，是一種非極性高分子，不能形成取向力，故附著力很弱；復合極化處理后，聚乙烯表層分子導入了極性基團，形成了色散力、誘導力和取向力，提高了聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間的吸附力和粘接力。

（3）表面能、表面張力的影響。聚乙烯與聚氨酯泡沫塑料之間粘附力的形成可以分為兩個階段，第一階段是浸潤階段，即在發泡時泡沫分子的布朗運動，使大分子鏈吸附在聚乙烯表面上；第二階段是粘接，即分子之間的力發生作用。

未處理的聚乙烯表面能和表面張力比較小，接觸角大，聚氨酯泡沫在其表面不能很好地浸潤，故不能形成良好的粘接力。經復合極化處理后，聚乙烯的表面能和表面張力得到提高，接觸角下降，聚氨酯泡沫的浸潤性能得以改善，從而有利于粘接性能的提高。另外，復合極化處理還能除掉和燒掉析出后留在聚乙烯表面上的低分子物質，以及吸附在聚乙烯表面上的灰塵、油污、水汽，這對粘接力的提高也很有好處。

3 三層PE防腐保溫管復合極化的性能

3.1 復合極化后的聚乙烯表面張力

（1）聚乙烯表面張力的測試方法。表面張力的測試采用浸潤張力試驗法，測定液為甲酰胺-乙二醇乙醚測定液。測試方法：用棉球棒蘸取已知表面張力的測定液，在被處理的聚乙烯表面上涂抹5～6 cm2的面積，若此液膜在聚乙烯表面保持2 s以上不破裂，再用表面張力高的測定液進行測定，若液膜在2 s內破裂成許多小液滴，則再用表面張力低的測定液進行測定，直到獲得恰當的表面張力值。值得注意的是測定液不要涂得過多或過少，否則會影響測定的準確性。

（2）本研究項目中經復合極化后的聚乙烯表面張力。在常溫（23±2）℃下，用5×10-2N/m的測定液（90.7%甲酰胺-9.3%乙二醇乙醚），5.2× 10-2N/m的測定液（93.7%甲酰胺-6.3%乙二醇乙醚），5.4×10-2N/m的測定液（96.5%甲酰胺-3.5%乙二醇乙醚）分別檢測極化處理后的三層PE防腐管，結果表明表面張力均大于5.4×10-2N/m。

3.2 三層PE防腐保溫管的剪切強度

隨機取樣由極化后三層PE防腐管制作的聚氨酯保溫管，在常溫下（23±2）℃檢測，結果表明防腐保溫管的軸向剪切強度≥0.3 MPa，切向剪切強度≥0.37 MPa。

4 利用復合極化工藝生產的三層PE防腐保溫管的工程應用實例

4.1 工程概況

煙臺港西港區至淄博重質液體化工原料輸送管道工程，包括一條干線（煙臺首站至華星分輸站）和五條支線（壽光-聯盟、華星-正和、華星-天宏-京博、華星-金成、華星-匯豐），干線管徑為711mm，總長度295.1 km，干線和支線總長度525.687 km。

4.2 三層PE防腐保溫管試驗性穿越

煙臺港西港區至淄博重質液體化工原料輸送管道工程干線，在定向鉆穿越區域采用三層PE防腐層-硬質聚氨酯泡沫塑料保溫層-高密度聚乙烯防護層-端面防水帽的復合防腐保溫形式，在其他區域則采用雙層熔結環氧粉末防腐層-硬質聚氨酯泡沫塑料保溫層-高密度聚乙烯防護層-端面防水帽的復合防腐保溫形式。這兩種復合防腐保溫形式在國內的大口徑長輸管道中首次大規模采用，穿越后防腐保溫結構能否保證完整有效，需要試驗加以驗證。

設計建議在彌河定向鉆穿越管段回拖之前，對4根鋼管、3道焊口的驗證管段進行試驗性回拖，成功后再進行全穿越管段的試驗性回拖，為后續工程取得實證數據和經驗。

2012年5月12日彌河定向鉆試驗性穿越實施開鉆導向孔，歷時10 d最終成孔，2012年5月22日開始短管段試驗性回拖，5月23日8點管段開始出土，至13點，試驗管段全部拖出，截斷后一分為二，放置于現場檢修工作區。

4.3 現場試穿論證與工程實施

2012年5月23日，專家們經過論證，形成了以下一致意見：

（1）三層PE防腐層+聚氨酯泡沫保溫+PE防護層的復合防腐保溫結構能夠經受定向鉆惡劣的工作條件，滿足設計技術指標和要求。

（2）熱熔套袖+黏彈體+玻璃鋼保護接頭設計形式能夠承受定向鉆回拖時的外在條件，可保證接頭密封完好。

（3）穿越管段采用零浮力回拖方法是安全可行和有保障的。

（4）本次論證會議確定的施工方式，適用于煙臺至淄博管道工程中的所有定向鉆穿越工程。

依照彌河定向鉆試驗性穿越論證會確定的施工方式，煙臺至淄博管道工程中的所有定向鉆穿越工程均使用拋丸、火焰加熱復合極化工藝生產的三層PE防腐保溫管，無任何質量問題出現。

[1]鮑新愿，閆德泉，劉彥良，等.高剪切力三層聚烯烴防腐保溫管及其制作工藝[P].中國：201210178481.6.

[2]徐曉秋.聚合物的粘附：弱邊界層的重要性[J].化學與粘合，1995（4）：239-241.

[3]陳海嶠.聚乙烯管內壁極化處理[J].油氣儲運，1991，10（1）：27-31.

表4 外管式和內板式吊耳對比

摘除索具的操作平臺非常重要，大多數情況下采用何種形式的吊耳與是否有平臺有決定性關系。如果能利用設計院設計的正式平臺直接人工摘索具，這種情況下采用內板式吊耳是最優的；如果不能利用設計院設計的正式平臺摘除索具，那么，要么搭設臨時平臺焊接內板式吊耳，要么設置外管式吊耳，最不可取的是設置內板式吊耳而用吊籃摘除索具，高空作業利用吊籃摘除索具很危險[5]。

綜上所述，在不考慮吊車能力、索具起重量、手段用料量、焊接量等的情況下，若可以用正式平臺摘除索具，則設置內板式吊耳為最優；若不能利用正式平臺摘除索具，則設置外管式吊耳為最優，而設置內板式吊耳次之。如果遇到吊車能力、索具起重量和工期很敏感的情況，就要綜合分析出適合本次吊裝的吊耳形式。

3 結束語

吊裝再生器筒體具體采用何種形式的吊耳，要具體問題具體分析，不能千篇一律或一味模仿。要根據筒體直徑、質量、平臺位置、吊車能力、凈空、手段用料量等諸多因素，以及兩種形式的吊耳所涉及的不同施工面所占的比率大小，選擇最適合該再生器吊裝的吊耳形式。采用何種吊耳形式一般都會有利有弊，那么在最安全可靠最容易實施的前提下，把缺點降到最低，設計出性價比最高的吊裝方案。

參考文獻

[1]SH/T3536-2011，石油化工工程起重施工規范[S].

[2]SH 3515-2003T，大型設備吊裝工程施工工藝標準[S].

[3]GB 50798-2012，石油化工大型設備吊裝工程規范[S].

[4]葛慶棟，鄭浩，賈桂軍.大直徑重型薄壁圓筒體立式吊裝工藝簡述[J].石油化工建設，2014，40（1）：45-48.

[5]SY6279-2008，大型設備吊裝安全規程[S].

作者簡介：

任旭鵬（1986-），男，山東青島人，工程師，2008年畢業于大慶石油學院過程裝備與控制工程專業，現從事石油煉化、化工設備的吊裝方案編制工作。

收稿日期：2015-04-30

Combined PolarizationTreatmentof3L PEPipes and Engineering Application

BAO Xinyuan1，ZHANG Qian2，JIAZhen2，WEIDongfeng3，ZU Zhiying1
1.Xinjiang Pengyuan New Materials Co.，Ltd.，Wulumuqi830000，China
2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Wushenqi017300，China
3.Shandong ShengliSteelPipes Co.，Ltd.，Zibo 255080，China

There is a weak interface between the high density polyethylene layer and the hard polyurethane foam layer in 3LPE structure of anticorrosion pipe.In order to meet the shear strength requirement of the anticorrosion pipe for directional drilling crossing，the most applied method is to conduct polarization treatment of the high density polyethylene layer.The process flow，equipment and inspection method of polarization treatment of 3LPE pipe by applying combined blasting and flame heating process are introduced.The mechanism of the combined blasting and flame heating process and its effect on adhesion are also discussed，The tests and engineering application show that for polarization treated 3LPE pipes，the surface tension of polyethylene layers is greater than 5.4×10-2N/m；Axialshear strength is greater than 0.3 MPa and tangential shear strength is greater than 0.37 MPa at normaltemperature of（23±2）℃；The crossing pipeline section constructed with this kind of pipes can bear the pullback forces during directional drilling and meet design specifications.All directional drilling projects in Yantai-Zibo Pipeline Project adopt this kind of pipes and no any quality problem is found.

3LPE pipe；combined polarization；blasting；flame heating；adhesion

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.06.018

鮑新愿（1961-），男，河北石家莊人，高級工程師，1990年畢業于天津大學機電一體化工程專業，現主要從事管道防腐絕熱技術的開發和管理工作。

2015-05-26