HDPE內襯技術在腐蝕性介質管道中的應用

宋海英 王銘偉

摘 要：普通的碳鋼管道在腐蝕性介質中極易失效穿孔，采用非金屬內襯技術是目前廣泛應用的碳鋼管道保護技術之一。利用HDPE的低密度、高強度、高韌性、高耐磨性、長壽命及優良的耐蝕性等特點，將其作為襯里材料加在碳鋼管道內部可以有效阻擋腐蝕介質的侵蝕，是近年來發展起來的新技術，并在多個項目獲得成功應用。該技術根據實際情況的不同可以作為預制管時用也可作為現場修補手段使用。該文對常用碳鋼管道HDPE內襯技術及其特點分別進行了介紹。

關鍵詞：HDPE 管道 內襯 腐蝕

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0006-02

Abstract： Carbon steel pipelines are sensitive to pittings in corrosive solutions， polymer lining is one of the most widely used internal protection techniques for carbon steel pipe. HDPE is a kind of polymer with low density， high strength， high abrasion resistance， long service time and corrosion resistance. It's an effective lining material to prevent carbon steel pipeline corrosion. The application of HDPE lining in steel pipeline is a novel process which has been successfully used in several projects. HDPE lining can be used in prefabricated pipeline or be applied as repair measure base on site situation. The fabrication process and characters of HDPE lining techniques are introduced.

Key Words： HDPE； Pipeline； Lining； Corrosion

隨著油氣田的開采，其含水量和含鹽量不斷增加，腐蝕性也日益增強，傳統的碳鋼或不銹鋼材質管線難以抵御腐蝕性介質的侵蝕。對此目前的改進措施有升級金屬材質，如采用鎳合金、鈦合金或金屬復合管等，但這樣做成本昂貴。也有采用純非金屬，如玻璃鋼管道、水泥管道、聚乙烯（Polyethylene，簡稱為PE）管道等，但這些非金屬管道由于脆性或承壓能力較低等原因仍無法有效替換部分金屬管道。且上述方法都無法對已有舊管線進行維修和修補。

高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡稱為“HDPE”），是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有極佳的耐腐蝕性。近年來隨著材料加工技術的進步，HDPE內襯技術在油氣管道中得到廣泛的應用。HDPE內襯碳鋼管道同時利用了碳鋼管道的高強度和HDPE層的耐腐蝕性，且有專用施工設備可以對已有的碳鋼管線進行HDPE內襯鋪設和修補，實現對已有管道的非開挖修復，大大降低工程量和施工費用。該技術還可用于市政的供水、煤氣、排污等管線，避免城市馬路的“開膛破肚”給居民的生活和交通帶來極大的不便，況且有的地方由于交通、地面建筑、繁華地區和受保護地區是不允許開挖的，這就亟待非開挖修復管道技術的出現。

1 HDPE內襯碳鋼管道的特點

與碳鋼管道相比，HDPE內襯碳鋼管道主要有如下優點。

（1）內襯材料HDPE的摩擦系數僅為鋼的1/20[1]，其耐磨性是普通金屬的3～5倍，可以有效降低通球過程中對管道內壁的損傷。

（2）滲透性極低：僅為低密度聚乙烯的1/5，可有效杜絕腐蝕介質對金屬基體的侵蝕。

（3）密度：0.94～0.97 g/cm3，單位重量輕，便于施工和運輸。

（4）拉伸屈服強度約30 MPa，斷裂伸長率大于400%，肖氏硬度約60～70，具有較好的強度、韌性和硬度，在施工及運行過程中不易損壞。

（5）體積電阻>1016Ω·m，耐腐蝕能力強，對酸、堿、鹽等眾多物質具有很好的耐腐蝕性。

（6）防結垢，可有效避免結垢引起的腐蝕和流體阻力增大。

（7）壽命可長達50年。

同時，HDPE內襯碳鋼管道技術也存在部分技術難度和局限性，例如焊口處由于溫度較高必須進行焊后補口處理，且原位補口難度較大；由于HDPE材料耐溫性較差，高溫下內襯管容易與碳鋼管道分離導致失效[2]，因此操作溫度高于80℃的管道不適合采用HDPE內襯技術進行保護。

2 HDPE內襯碳鋼管道的施工方法

2.1 工廠預制HDPE碳鋼內襯管生產工藝

工廠預制HDPE碳鋼內襯管的主要生產設備包括：塑料擠出機、定徑套、冷卻槽、牽引機、切割機等[3]。工作時由塑料擠出機擠出料坯，定徑套在牽引機驅動下在管道內壁形成薄膜，由冷卻定型裝置在一定差壓作用下將HDPE薄膜固定在管線內壁，經切割機裁剪后形成成品。塑料擠出機拉伸比介于1.25到1.55之間。定徑套最好選擇前段有水環或水眼的設備，以避免在牽引速度較快的情況下由于料坯未充分冷卻而形成裂紋、麻點等缺陷。擠出成型過程應采用適宜的冷卻方式和冷卻水溫對高溫管坯進行冷卻定型。

工廠預制HDPE碳鋼內襯管工藝有如下特點。

（1）整套工藝流程在工廠內部完成，流程參數易控制和調整，質量有保障，產品可靠性高。

（2）可實現流水線作業，生產效率高。

（3）不受環境因素影響。

（4）工廠內無法實現環焊縫補口，仍需現場進行補口作業。

2.2 碳鋼管道HDPE局部內襯修補法

除了工廠預制，HDPE內襯技術還可以用于已有碳鋼管道的修補和維護[4]。HDPE內襯修補技術具有施工簡單、快捷、開挖少、工期短等特點[5]，目前已在很多項目得到成功應用[4，6]。該工藝的實施主要有如下步驟。

2.2.1 管道清理

雖然對于新管道通常不需要清洗，現存管道卻可能需要，一旦管道停止運行，鐵銹等雜質極易在管道中沉積，需要將管道用法蘭連接以便清洗。任何對內襯管進入管道構成阻礙的有影響的烴類和腐蝕結垢產物必須予以考慮。如果需要清洗，通常使用通球或吹掃來完成。每段需要修補的管線管道端部需將鋼管開挖并斷開，焊接上鋼法蘭。安裝管段劃分的首要決定因素是彎頭和其他例如地形，可到達程度和管道清洗狀況，注意不能超出可達到的安裝長度。在內襯管安裝中禁止出現的管件和過量的彎頭會引起拉應力的增加[8]，必須移除，用內襯法蘭或適配的彎頭替代。理想彎頭的曲率半徑近似于50倍管道直徑。

2.2.2 內徑核實

完成管道（開挖）切割、鋼法蘭安裝并將所有限制因素被移除以后，需要對管道口徑進行核實以確保后續HDPE內襯施工路徑暢通。用一定外徑的清管器通過鋼管可獲得無障礙的管道內膛。定徑清管器體由鋼制成，可清除焊瘤、鐵銹等殘渣。如通球遇到障礙阻擋說明該處存在影響HDPE內襯施工的雜質，需要清除處理。

2.2.3 HDPE內襯管安裝

根據修補的每處管段長度和內徑選取HDPE管。內襯管由熱熔焊接連接——襯管端部加熱至熔融溫度，在一定壓力下連接并冷卻。焊口檢查并去除外部卷邊焊縫。將特殊制造的鋼法蘭焊接在鋼管上，并將牽引頭熔接在內襯管端部。鋼纜通過機器人或壓縮空氣和清管器從管道另一端口穿入鋼管。將滾輪縮徑機置于內襯管穿入鋼管的管端法蘭處。用液壓滾輪縮徑機以3～6 m/min的速度將HDPE內襯管完全拉過管道。然后去除拉應力，內襯管逐步恢復接近于其原始直徑，與鋼管內壁緊密貼合。內襯管被拉出后固定在熔接位置上，進行管端部銑削、光面處理并與HDPE法蘭熔接。上述步驟完成后移除夾緊裝置，將HDPE法蘭縮入鋼管，與鋼法蘭相匹配。將鋼法蘭螺栓上緊，采用限位環以提供密封壓力。

2.2.4 試壓

所有內襯管修補施工完畢后，可對整條管線進行氣壓或水壓試驗，檢查修補處或法蘭連接處是否有泄漏。

2.2.5 清理收尾

根據實際情況或業主要求鋼法蘭進行外防腐，管線準備回填并投入使用。

從具體施工工藝上HDPE內襯修補技術還可細分為涂敷法、翻轉內襯法、O型冷拔法等。這些方法各有特點，如涂敷法最突出的特點是一次施工距離長，對管道要求低，可直接通過標準彎頭；翻轉內襯法采用熱固性樹脂增強了與金屬基體的結合強度；O型冷拔法牽引效果更明顯。冷敷法的缺點是對管道清潔度要求高，施工周期長；翻轉內襯法一次施工距離短，而且由于使用了有一定毒性的熱固性纖維樹脂材料，工藝更加復雜且不適用飲用水管道；O型冷拔法后期也需要加溫加壓以實現內襯材料與金屬內壁的貼合。實際應用中應根據現場的具體情況選擇適宜的施工方案。

3 結語

HDPE材料具有極好的耐蝕性、耐磨性、機械強度和韌性等優異性能，通過將HDPE作為內襯材料施加在金屬管道內表面可以有效綜合利用兩種材料的優勢：既可以利用HDPE層避免金屬管道受到腐蝕介質的侵蝕影響，同時也保持了金屬管道的高強度，滿足了管道對壓力的要求。將HDPE內襯技術應用到已有管道的修補上還可以簡化施工難度、加快施工進度，有效延長已有管線的使用壽命，避免管道泄漏的發生，具有較高的經濟效益和社會效益。在應用中可以根據實際情況選擇適宜的施工方案。

參考文獻

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