海底管道內表面整體預處理技術研究

苗 升

中石化勝利油建工程有限公司，山東東營 257073

管道的整體內防腐技術包括整體預處理技術與整體涂層涂敷技術，其主旨是在海底管道內壁一次涂敷一層完整的內防腐層，提高管道內防腐整體質量。防腐層涂敷之前，管道內表面的清潔度至關重要，直接影響后續的涂層質量。因此，海底管道內表面的整體預處理技術是防腐層涂敷前的重要步驟，也是防腐層涂敷質量的重要保證。

管道的整體內防腐技術是在管道內壁擠涂技術[1]的基礎上發展起來的，目前該技術在國外已廣泛應用于陸上長輸管道的內涂層修復，但是對于海底管道，該技術的應用尚不廣泛，從公開資料上僅能查閱到少數幾例將整體內防腐技術應用于海底管道的施工案例。從國內來看，只有少數幾家單位聲稱具備陸地管道整體內防腐施工能力，但其施工工藝和技術水平與國外相比尚有很大差距。

由于海底管道施工工況的特殊性，傳統的管道內防腐施工工藝在很多情況下已經無法滿足新建海底管道的質量要求。海底管道整體內防腐技術是未來管道防腐施工技術的主要發展方向之一，該項技術的研究和推廣，將填補國內海底管道防腐施工領域的一項空白，提高我國企業技術實力和市場競爭力，具有很大的經濟效益和社會效益。本文采用理論研究與試驗相結合的方法，研究了海底管道內表面預處理技術，主要包括管道內表面化學清洗預處理工藝、與工藝相配套的工裝設備以及專用清洗藥劑配方。

1 管道內表面預處理工藝及配套工裝設備的研究

管道內表面預處理工藝一般包括機械清潔和化學清洗[2-3]兩部分。機械清潔過程即用清管球將固體雜質從管內推出，此為常規做法，不再贅述。本文將重點介紹化學清洗工藝。

1.1 管道內表面化學清洗工藝研究

1.1.1 清洗工藝系統組成

根據海底管道整體內防腐預處理及涂敷工藝的需求，對專用施工裝備的工藝流程進行了專門設計，最終形成了如圖1和圖2所示的現場設備的工藝流程。

圖1 管道首端工藝流程

圖2 管道末端工藝流程

該工藝系統既能用于機械清潔、化學清洗，還能用于后續的防腐層涂敷，即該工藝系統可用于管道內防腐施工的整個過程。該工藝系統的創新點在于不需利用泵來注入化學藥劑，避免了化學清洗使用的腐蝕性藥劑對輸送泵造成腐蝕。該工藝系統在化學品混合罐的頂端設置一套真空吸引裝置，通過壓縮空氣氣流在化學品混合罐中制造真空或正壓，從而實現液體的自動吸入和排出。

1.1.2 清洗施工流程

化學清洗預處理施工流程[4]大致分為四個步驟：

（1）酸洗除銹。首先，向發球筒內裝入兩枚耐化學腐蝕清管器，并夾注配置好的酸洗藥劑，啟動空氣壓縮機推動清管器和夾注段穿過管道。其次，為避免酸洗藥劑中的酸在清除銹蝕后繼續腐蝕管道本體，藥劑中必須加注足量的緩蝕劑；在將藥劑注入管道之前，應使用滴定法確定藥劑中酸的濃度。再次，進行酸洗時，應精確控制夾注段運行的速度，使管壁與酸液的接觸時間控制在120 s左右，酸洗過程中夾注段的運行速度應控制在0.5 m/s 左右。最后，夾注段到達收球端后，取樣并檢測排出酸液的濃度，并用離心機分離確認樣品中固體雜質的含量，若樣品中酸的濃度與原溶液相差不超過3%（體積分數），且樣品中固體物質的含量小于2%（質量分數），則酸洗過程結束。

（2）堿液中和。其一，向發球筒內裝入兩枚耐化學腐蝕清管器，并夾注堿性中和劑溶液，啟動空氣壓縮機推動清管器和夾注段穿過管道，對酸洗后的管道進行中和。其二，中和后應使用清潔水進行夾注漂洗，漂洗段到達管道末端后進行取樣檢測，樣品中的固體物質質量分數應不高于2%，Cl-質量分數應小于0.03%，pH 值在7 ～10 之間。若樣品檢測無法達到上述要求，應繼續使用清潔水進行夾注清洗，直至達到要求。通常酸洗與中和過程需重復進行2 ～3 次。

（3）鈍化及閃銹抑制。首先，向管道內夾注體積分數為10%HCl 溶液進行管道最終的弱酸清潔。其次，向管道內夾注復合鈍化液進行管道的鈍化處理并抑制閃銹生成。鈍化時應控制夾注段運行的速度，使管壁與鈍化液的接觸時間控制在120 s 左右。

（4）管道整體干燥。首先，化學清洗結束后，應立即對管道進行整體干燥；若現場條件允許，應優先考慮使用溶劑干燥法配合干空氣法進行管道整體干燥施工，以提高干燥施工的效率，避免管道返銹；干燥劑通常為甲醇、乙二醇、丁酮或二氯甲烷等。其次，溶劑夾注段到達管道末端時，應將排出的廢液收集至密閉的危險廢液收集罐中。再次，溶劑夾注干燥后，應立刻向管道內通入大量干燥空氣進行干燥施工。

1.2 配套工裝設備研究

結合確定的預處理清洗工藝，研制了整體內防腐專用清管器、專用收發球筒、化學品混合罐、排氣緩沖罐等設備。

1.2.1 專用清管器

（1）專用涂敷器。涂敷器主要用于管道化學清洗和內涂層涂敷施工，管道涂敷器分為導向式涂敷器（見圖3）和多層板式涂敷器（見圖4）兩種，施工時成對使用。化學清洗時，兩個涂敷器中間注有化學藥劑，兩個涂敷器推動化學藥劑段在管內運行，使藥劑與管內壁充分接觸，完成清洗過程。整體內涂敷施工時，兩個涂敷器之間為液體涂料，涂敷器和涂料段在管內運行時，涂料從多層板式涂敷器與管壁之間的間隙溢出，經過涂敷器上多片柔性刮板的反復刮涂均勻牢固地附著在管壁上。

圖3 導向式涂敷器

圖4 多層板式涂敷器

（2）彈簧臂式鋼絲刷清管器。彈簧臂式鋼絲刷清管器[5]（見圖5）主要用于管道機械清潔和化學清洗施工。彈簧臂式鋼絲刷清管器可以在管道內雙向移動，安裝在彈簧臂上的鋼絲刷在清管器運行的同時對管壁進行刷洗，一方面使管壁上牢固附著的積垢松動，另一方面促使化學清洗藥劑滲透進入積垢內部，提高藥劑的清洗效率。

圖5 彈簧臂式鋼絲刷清管器

1.2.2 專用收發球筒

在管道整體內防腐施工過程中，需要在兩個清管器之間加注各種化學藥劑形成夾注段。夾注段運行到管道尾端后，需要先排出化學藥劑，然后才能取出清管器。為此設計制造了專用收發球筒，見圖6～7。

1.2.3 化學品混合罐

化學品混合罐（見圖8）用于化學清洗時各類化學藥劑的現場配置和臨時儲存。該化學品混合罐的頂端設置一套真空吸引裝置，通過壓縮空氣氣流在化學品混合罐中制造真空或正壓，從而實現液體的自動吸入和排出，無需用泵輸送。

1.2.4 排氣緩沖罐

管道整體預處理及涂層涂敷過程中會有大量空氣排出，氣流量較大，也會將管內的灰塵、泥土及管壁殘留的化學藥劑等一同夾帶排出。因此需要在管道末端的排氣流程設置排氣緩沖罐（見圖9），使灰塵、泥土和液體藥劑沉積、停留在緩沖罐中，防止其夾帶排出，從而避免污染周邊環境。

2 管道內表面預處理清洗藥劑研究

針對新建海底管道內壁的積垢情況和海底管道整體內防腐施工時的獨特工況，在實驗室內對專用酸洗液、鈍化液等進行了實驗研究[6]。

圖6 專用收發球筒設計示意

圖7 專用收發球筒實物

圖8 化學品混合罐實物

圖9 排氣緩沖罐實物

2.1 專用酸洗液的研究

對海底管道進行酸洗的主要目的是利用酸與管內壁表面的垢層發生化學反應，將難溶的積垢和腐蝕產物變為可溶性鹽并將其除去，為下一步涂層涂敷創造必要的條件。

與通常的工業管道化學清洗相比，海底管道清洗液與管道內表面的接觸時間短，清洗過程中酸會不斷損耗而無法進行補充，即清洗過程中酸洗液的有效濃度是不斷變化的，因此對其配方提出了較高的要求。

針對海底管道化學清洗的特殊工況，通過前期調研，選取兩種無機酸和三種緩蝕劑進行了反復實驗，最終確定了專用酸洗液的配方組成。

2.1.1 試片制作

參考HG/T 3523-2008《冷卻水化學處理標準腐蝕試片技術條件》[7]，制作含銹試片和潔凈基體試片，長50 mm、寬25 mm，無掛孔。

2.1.2 酸與緩蝕劑的組合選型實驗

酸與緩蝕劑的配方組合采用交叉實驗進行，考慮到試片銹蝕的不均勻性，每種配方均進行三組實驗，取三組實驗數據的平均值作為除銹速率和腐蝕速率，見表1。

除銹速率計算公式[8]：

式中：K 為試片在除銹液中的除銹率，g/（m2·h）；W1為浸泡前試片的質量，g；W2為浸泡后試片的質量，g；S 為試片的總面積，m2；t 為試片在除銹液中的時間，h。

表1 酸與緩蝕劑組合選型實驗數據

從實驗數據中可以看出，加入咪唑啉復合緩蝕劑[9]的酸液除銹速率最高，除銹效果最好，且腐蝕速率最慢。在兩種無機酸中，在同體積分數下硫酸比鹽酸除銹速率大，但是實驗過程中，硫酸酸洗有大量氣泡產生，析氫嚴重，說明基體破壞較為嚴重，還易發生氫脆現象。此外，硫酸稀釋為放熱過程，操作危險系數較高。綜合考慮施工效率與風險，采用鹽酸和咪唑啉復合緩蝕劑作為酸洗液的主要成分。

2.1.3 酸液與緩蝕劑的濃度選擇實驗

分別取體積分數為5%、20%、35%的鹽酸，質量濃度為1、3、5 g/L 的緩蝕劑進行組合實驗，分別記錄實驗現象并計算除銹速率，見表2。

整體來看，鹽酸濃度增大，除銹速率隨之增大，但同時基體的腐蝕速率也增大。比如鹽酸體積分數達到35%時，有大量氣泡冒出，緩蝕劑對基體的保護作用減弱，說明高濃度鹽酸可能擊穿緩蝕劑保護膜，基體與鹽酸反應較為嚴重。綜合考慮除銹速率和腐蝕速率，選取體積分數為20%的鹽酸作為本項目酸洗時的基準濃度。

由實驗數據看出，緩蝕劑濃度過低或過高，都影響除銹速率。緩蝕劑質量濃度在3 g/L 時，既能保證除銹速率，還能有效保護基體。

為保證清洗液均能迅速潤濕、滲透、溶解不同成分的積垢，能夠適應海底管道整體內防腐的特殊工況，清洗液內還需要加入表面活性劑、消泡劑等其他助劑。

2.1.4 酸洗液研究結果

經過多次實驗，最終確定了專用酸洗液的配方，經現場驗證表明，在環境溫度4 ℃時，與工件接觸時間120 s，酸洗液除銹速率為160 g/（m2·h），對金屬基體腐蝕速率為1.4 g/（m2·h），滿足了海底管道整體內防腐施工需求。

2.2 專用鈍化液的研究

鈍化液的作用是在酸洗完成后的管道內壁上形成一層鈍化膜，防止管道內壁在涂料涂敷前返銹。掛片酸洗后分別使用閃銹抑制劑、緩蝕劑、磷酸進行鈍化和緩蝕處理，置于干燥器中24 h 后在掛片表面刮涂一層液體環氧涂料，待涂層完全固化后，評估涂層附著力，并據此選擇酸洗后抑制閃銹的應對方案。實驗數據見表3。

表3 鈍化液實驗數據

通過優化復合鈍化液的成分，使鈍化可以在4 ℃的海床溫度環境下正常進行，鈍化后24 h 內管道內壁上不會產生閃銹，可以滿足下一步內防腐層涂裝的要求。

3 現場試驗

3.1 試驗管段的設置

為了驗證管道整體預處理技術的研究成果，在某場地內設置了海底管道模擬管段，見圖10。管道規格為D 219 mm×6 mm，總長度約240 m，彎頭曲率半徑為6D，與常見海底管道相同規格，管段兩端安裝有約6 m 高的垂直段，用于模擬海底管道兩端的立管。

圖10 試驗管段

模擬管段在管道的前段、中段、后段、管道兩端立管前、管道立管垂直段均設置有檢測短節，見圖11，施工過程中可隨時進行拆檢。

圖11 檢測短節

3.2 試驗關鍵點控制

清管器/涂敷器運行之前，需預先在管道內建立背壓。當液柱運行到立管位置時，調整清管器前后的壓力差，利用壓力差抵消液柱所受重力對清管器運行速度的影響，從而保證清管/涂敷器的運行速度穩定，見圖12。

（1）背壓計算。根據海底管道的積垢和銹蝕情況，估算機械清潔和化學清洗時藥劑的用量，再根據管道內徑和一次加注藥劑的數量計算出液柱的長度L液。根據管道的走向和高程，計算液柱長度范圍內的管道最大高差L差。則液柱運行過程中，受重力影響所造成的最大阻力轉換為壓強后為：P液=L差·ρ液·g，式中 g 為重力加速度，則管道內的預設背壓最低應不低于P液，考慮一定余量后圓整取值，即為施工時的管道背壓。

（2）背壓建立。管道內的背壓可以在管道機械清潔的過程中逐步建立。在管道機械清潔時，通過控制管道末端排氣閥的開度，一方面控制清管器的運行速度，另一方面逐漸在管道內保留一定壓力。清管器到達管道末端后，關閉收球筒前端的主截斷閥，排除收球筒內的殘存壓力后取球，保留管道內的壓力。

圖12 清管器運行控制原理示意

3.3 試驗結果

試驗管段在經過整體預處理（機械清潔+化學清洗）后，進行檢查、檢測。圖13 為預處理結束后目測管道內壁的情況，圖14 為最終除銹等級[10]鑒定結果。試驗結果表明，鋼管內壁表面光滑、平整，無油脂、污垢、鐵銹或其他附著物，呈現金屬光澤，除銹等級相當于Sa 2.5 級。

圖13 預處理后管道內壁情況

圖14 除銹等級評定

4 結束語

針對海底管道工況的特殊性，深入研究了海底管道內表面整體預處理施工工藝，研制了專用清管器、涂敷器、專用收發球筒、化學品混合罐、排氣緩沖罐等工裝設備，在實驗室內完成了專用清洗藥劑配方的研制，最終結合施工工藝、配套工裝，采用專用清洗藥劑進行了現場試驗，現場試驗結果表明，鋼管內壁表面光滑、平整，除銹等級相當于Sa2.5 級，滿足后續防腐涂裝要求。