新型補口材料在埋地管道補口修復中的應用

李玲杰，韓文禮，林 竹，徐忠蘋，楊耀輝，張彥軍

(中國石油集團工程技術研究院 天津300451)

新型補口材料在埋地管道補口修復中的應用

李玲杰，韓文禮，林 竹，徐忠蘋，楊耀輝，張彥軍

(中國石油集團工程技術研究院 天津300451)

埋地管道補口失效主要是由于補口防腐層質量問題、補口施工質量問題和補口防腐層在使用環境中的老化失效所導致。介紹了幾種新型補口材料在西部某管道補口修復和施工中的成功應用，對補口修復后防腐層的安裝質量進行了檢測與評價，跟蹤了管道運行1年、3年、4年后補口防腐層的性能，并分析了結果。

埋地管道 補口防腐層 修復 開挖檢測

0 引 言

熱收縮帶補口在國內 3,PE管道中大量應用，技術比較成熟。但是在實際工程施工中，由于施工工序、工藝、施工環境和水平的不同，熱收縮帶補口質量存在一些問題，嚴重影響了管道的使用壽命。[1]為此，在國內外長輸管道工程中，對已出現問題補口進行修復并尋求更好的補口修復方式是解決補口問題的一個途徑。[2]近年來，管道補口領域呈現出多樣化發展趨勢，新型補口修復材料發展迅速，并且在實際工程中得以應用。正確使用補口修復方式和材料，提高施工質量并對修復補口防腐層進行合理的開挖檢測，對整個管道的穩定運行至關重要。[3]

1 埋地管道補口失效原因

1.1 產品質量問題

在近幾年的管道建設工程中，對熱收縮帶產品采取了嚴格的抽檢制度，發現了一些不合格產品。例如：有的產品批次尺寸不夠，有的產品熱老化指標不合格(包括國外品牌)，還有的產品拉伸強度不合格，有的在烘烤過程中出現熱收縮帶爆裂現象等。這些問題主要是生產管理上存在問題，導致產品質量穩定性差。

1.2 施工質量問題

在對某工程某標段防腐補口質量的調查中，同時開挖檢查了同一施工單位采用幾個廠家(兩家國外、一家國內)生產的熱收縮帶施工的防腐補口。結果發現：在抽查的3種產品各2、3和5個補口(每個補口檢查對鋼管和3,PE防腐層各2處，共 4處)的剝離強度中，分別有一處的剝離強度低于規范要求。從調查結果看，所調查的補口總體質量情況滿足施工規范的要求，但每種材料的補口都存在剝離強度不合格的部位，顯然不是材料問題，而是施工問題。在工程質量檢查中也發現了一些沒有嚴格執行操作規程而造成的施工質量問題。

施工質量問題的出現主要是由于熱收縮帶產品的施工要求為手工操作，施工質量很大程度上受到操作人員的技術水平和責任心的影響，收縮帶材料質量好，不等于安裝后質量好。

1.3 熱收縮帶補口防腐層在使用環境中的失效

熱收縮帶補口防腐層的基本組成為環氧底漆＋熱收縮帶復合結構，兩者通過熱熔膠粘結成為一體，從而實現對管體補口部位的絕緣保護，因此熱熔膠的性能是決定熱收縮帶補口有效性的關鍵因素。如圖 1為補口熱收縮帶在10點位置 PE搭接處出現翹邊情況，剝除熱收縮帶后，發現無溶劑環氧底漆脫落嚴重，熱收縮帶與無溶劑環氧底漆同時失效導致管體腐蝕嚴重。

2 在役埋地管道補口修復新型材料技術

為解決埋地管道補口失效的問題，國內外管道外防腐層補口技術已經向多樣化方向發展，粘彈體膠帶、[4]熱縮壓敏帶、[5]無溶劑環氧涂層、[6]機械化噴涂聚氨酯[7]等材料也開始應用于管道失效補口修復施工過程中。

圖1 補口熱收縮帶翹邊及管體腐蝕情況Fig.1 Pipe corrosion situation and warped edge of heat shrinkable sleeve

2.1 粘彈體膠帶＋外護帶防腐層簡介

粘彈體膠帶是將一種永不固化的粘彈性聚合物復合在聚乙烯薄膜上制成的冷纏膠帶，施工便捷，粘結良好。粘彈體膠帶由于機械強度低，所以必須采用配套的外防護帶以提高防腐層的整體機械強度，外護可采用熱縮壓敏帶、環氧玻璃鋼等，在戈壁、礫石段等土壤剪切力較大的地區應使用強度較高的玻璃鋼外護。西部某管道自 2008年起在管道外檢測、補口檢測以及隧道內補口檢測中采用“粘彈體＋冷纏帶”進行了補口或大缺陷的修復。

2.2 無溶劑聚氨酯防腐層簡介

無溶劑聚氨酯涂料用于3,PE管線的補口在國外已經有近15年的應用歷史，補口管道里程達 25,000,km。無溶劑聚氨酯涂料低溫下可施工，固化時間短，可配成彈性體或剛性體，一次涂敷厚度可達 1.2,mm，易補傷、有韌性、耐磨、抗沖擊、化學穩定性好。管體PE搭接部位如進行表面極化處理可提高聚氨酯補口涂層的粘結性能。其現場施工方式一般為手工噴涂或機械自動噴涂，自動噴涂需要專用設備。

2.3 無溶劑環氧防腐層簡介

無溶劑環氧涂料主要以改性環氧樹脂為主要成膜物，可利用活性稀釋增韌劑實現無溶劑化，具有良好的粘接力、化學穩定性和機械性能。無溶劑環氧涂料用于埋地管道補口修復在國外已經有10多年的應用歷史，加拿大SPC公司是國外該領域的典型代表。近年來其在國內油氣管道工程項目中也已得到應用。

3 埋地管道補口修復新型材料實驗室性能檢測與評價

由于補口材料的類型不同，其檢測項目、實驗方法及技術指標也隨之不同，國外通用的外防腐層補口標準主要有ISO,21809—3《石油天然氣工業管道輸送系統用埋地管道和水下管道外防腐層補口技術標準》等。

3.1 “粘彈體＋外護帶”補口材料測試結果

實驗室檢測的“粘彈體＋外護帶”類型包括“粘彈體＋環氧玻璃鋼”、“粘彈體＋進口熱縮壓敏帶”兩種類型，主要對該結構外護的抗沖擊性能、粘彈體與鋼/3,PE搭接區的粘結性能進行了測試與評價，其實驗室檢測結果如表1、圖2所示。

表1 粘彈體＋外護帶補口材料實驗室檢測數據表Tab.1 Test result of “visco-elastic material＋outer protecting” repair material

圖2 “粘彈體＋外護”結構實驗室測試結果Fig.2 Test result of “visco-elastic material＋outer protecting” repair material

由試驗結果可知：“粘彈體＋外護”結構的檢測項目達到性能指標要求，表現出良好的粘接性能和覆蓋性能。同時，該結構有良好的耐干、濕熱老化行為，50,℃、0.5,MPa、28,d強化熱水浸泡后的剝離強度值均未見明顯變化，且與PE粘結密封性能穩定。

3.2 無溶劑聚氨酯補口材料實驗室測試與評價

本文所采用的無溶劑聚氨酯涂料分為噴涂型和刷涂型兩種制樣方式，其實驗室檢測結果如表2所示，試驗典型照片如圖3、4所示。

表2 無溶劑聚氨酯涂料實驗室檢測數據Tab.2 Test result of “polyurethane” repair material

圖3 無溶劑聚氨酯涂層在不同溫度下(28,d)的陰極剝離測試結果Fig.3 Cathodic debonding test results of “polyurethane”repair material after 28,days

圖4 無溶劑聚氨酯涂層對鋼/PE剝離強度測試結果Fig.4 Peel strength test results of “polyurethane”repair material

由試驗結果可知：無溶劑聚氨酯涂料抗沖擊性能和陰極剝離性能達到指標要求，但粘接強度相對技術指標要求有所偏低。

3.3 無溶劑環氧涂料實驗室測試與評價

本文所采用的無溶劑環氧涂料為西部某管道埋地管道補口修復用補口涂料，其實驗室檢測結果如表 3所示，試驗典型照片如圖5、6所示。

圖5 無溶劑環氧涂層粘接強度測試結果Fig.5 Peel strength test results of “solvent free epoxy coating” repair material

表3 無溶劑環氧涂層實驗室檢測數據Tab.3 Test result of “solvent free epoxy coating”repair material

圖6 無溶劑環氧涂層在不同溫度下(28,d)的陰極剝離測試結果Fig.6 Cathodic debonding test results of “solvent free epoxy coating” repair material after 28,days

由試驗結果可知：經檢測西部某管道補口涂層的各項性能均達到預定技術指標的要求。

4 在役3,PE管道補口修復現場試驗結果

2010年，對西部某管道的52道試驗口進行了補口修復現場試驗，采用了“粘彈體＋熱縮壓敏帶”、無溶劑環氧補口材料及結構；2011年，選取60,km管道進行了機械化噴涂聚氨酯補口施工。2014年5月，對在役埋地管道3,PE外防腐層使用過的不同補口修復材料及修復效果定期進行全面跟蹤檢查，以掌握各種補口修復技術的長期使用性能，為埋地管道補口修復提供指導，檢測項目包括外觀、粘接強度、剝離強度、防腐層對管體的保護效果等。

4.1 “粘彈體＋外護”補口檢測結果

對 2011年修復的“粘彈體＋熱縮壓敏帶”結構(3道)、2013年修復的“粘彈體＋外護”結構(5道)補口進行檢測評價。開挖檢測結果表明：①2013年修復的“粘彈體＋熱敏壓縮帶”結構補口防腐層埋地 1年后防腐性能無明顯變化，補口表現為整體保護有效；②2011年修復的“粘彈體＋熱敏壓縮帶”結構補口防腐層埋地運行 3年后，防腐性能無明顯變化，補口表現為整體保護有效；③2013年修復的“粘彈體＋環氧玻璃鋼外護”結構補口防腐層經過 1年后防腐性能無明顯變化，補口表現為整體保護有效。

4.2 噴涂聚氨酯補口檢測結果

本次研究，對 2010年“噴涂聚氨酯”試驗修復補口(2道)、2011年“噴涂聚氨酯”試驗修復補口(3道)、2013年某管線新建“噴涂聚氨酯”結構補口(3道)進行檢測評價，開挖檢測結果表明：“噴涂聚氨酯”結構補口防腐層經過埋地1年、3年、4年后，所檢部位的涂層未發生變色、起泡等老化現象，經檢測補口防腐層性能未發生明顯變化，補口部位處于防腐層正常保護狀態。但補口防腐層對鋼管的附著力與現行標準(ISO 21809-3、Q/SY GJX 140-2012和SY/T 4106-2005)相比，數值偏低，低于10,MPa的標準要求。

4.3 “無溶劑環氧＋外護”結構

對2011年、2013年修復的“無溶劑環氧＋外護”結構補口(8道)進行檢測評價，開挖檢測結果表明：①2013年修復補口，“無溶劑環氧＋熱縮壓敏帶”結構補口防腐層經過 1年后防腐性能無明顯變化，補口表現為整體保護有效，但有的補口存在無溶劑環氧涂層厚度偏低的現象，建議加強補口修復時的過程控制，對施工過程的關鍵控制點加大檢查密度和力度，以保證補口修復質量；②2011年修復補口，“無溶劑環氧＋熱縮壓敏帶”結構經埋地運行3年后，有1道口(1-1#)出現了外護熱縮壓敏帶下垂現象，外護保護作用失效，但內層無溶劑環氧涂層未發生變色、起泡等老化現象，經檢測補口防腐層性能未發生明顯變化，內層環氧對鋼管的保護有效。

5 結 論

①防腐層質量問題、施工質量問題和防腐層在使用環境中的失效是導致埋地管道補口失效的主要原因。②新型補口材料復合結構比單一結構更適合于 3,PE防腐層補口的修復，防腐層初始及埋地1年、3年、4年后防腐層性能穩定。③“粘彈體＋外護”結構補口實驗室檢測性能達到指標要求，現場開挖檢測結果表明，該種結構與 3,PE防腐層匹配性良好，適合于補口修復的單點作業。④“噴涂聚氨酯”結構補口技術的現場施工機械化作業程度高，現場施工難度較大，防腐層現場檢測需待涂層固化后進行，較適合作為新建管道的補口，不適合補口修復的單點作業。現場檢測結果表明，涂層未發生變色、起泡等老化現象，補口部位處于防腐層正常保護狀態，但補口防腐層對鋼管的附著力數值偏低，與實驗室檢測結果一致。⑤“無溶劑環氧涂料＋外護”補口結構對施工條件要求較高，可在機械化施工可行的管段使用。■

［1］ 張自力，韓鐘琴，崔超，等. 我國長輸管道熱收縮帶補口應用現狀與存在的問題[J]. 現代涂料與涂裝，2010，13(6)：64-66.

［2］ 孫慶峰. 3,PE管道的防腐補口方式[J]. 油氣儲運，2011，30(4)：305-307.

［3］ 吳淑貞，馬金濮. 管道防腐補口技術的進展及施工要求[J]. 石油和化工設備，2010，13(3)：39-42.

［4］ 張偉，蔡青青，張勇，等. 粘彈體防腐膠帶在管道環焊縫補口大修中的應用[J]. 管道技術與設備，2011(2)：42-44.

［5］ 葉春艷，張鵬，賈世民，等. PRI-SZCY熱縮壓敏帶在管道補口中的應用[J]. 石油工程建設，2012，38(4)：51-52.

［6］ 陳守平，顧玉佳，孫衛松. 3,PE表面處理與雙層改性環氧涂層補口結構試驗[J]. 石油工程建設，2012，38(5)：43-45.

［7］ 吳艷陽，郭生武，陳開勛. 埋地鋼質管道補口材料的選擇[J]. 全面腐蝕控制，2003，17(3)：31-34.

Application of New Field Joint Coatings in the Rehabilitation of Buried Pipelines

LI Lingjie，HAN Wenli，LIN Zhu，XU Zhongping，YANG Yaohui，ZHANG Yanjun
(CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China)

The failure of commonly used field joint coating(heat shrinkable sleeve)in 3,PE pipeline was due to poor FJC coating material quality，poor construction quality and failure of coatings in service environment．Some new FJC materials，such as visco-elastic tape，solvent-free epoxy coating and spray-applied liquid polyurethane were introduced in this paper．Application cases of these new FJC coatings in a long distance pipeline in Western China were also introduced．The evaluation and assessment of rehabilitation quality were carried out and the performance of field joint coating was tracked after 1 year，3 years and 4 years respectively and relative results were analyzed.

buried pipeline；field joint coating；rehabilitation；pipeline inspection

TE988

：A

：1006-8945(2015)10-0055-04

2015-09-18