長輸管道防腐補口施工質量的數字化管理*

朱煒 代炳濤 黃秀娟 高龍 盤勝輝

1艾圖科（上海）防腐技術有限公司

2廊坊中油朗威工程項目管理有限公司

隨著我國科技的快速發展，數字化技術在生產和生活中得到普遍應用。數字化管道技術是當今長輸油氣管道工程領域中的前沿技術，通過應用大數據技術可以使數字化管道在勘察、設計、建設和運營的過程中更具高效性和專業性，從而使數字化管道的管理更加方便[1-4]。長輸油氣管道的數字化管理，特別是防腐補口施工質量的數字化管理，因其特殊性和復雜性，仍處于探索階段，未能真正應用到現場防腐補口施工中。針對防腐補口施工質量的現狀，提出防腐補口施工質量的數字化管理模式。

1 技術思路

1.1 防腐補口施工質量控制存在的問題

在整個管道外防腐施工中，補口防腐是保證管道防腐完整性的重要工藝，也是整條管道防腐涂層質量最薄弱的環節。目前我國的長輸油氣管道防腐補口涂層多采用輻射交聯聚乙烯熱收縮帶（套）和配套環氧底漆的方式[5]。該防腐涂層大多數是由底層無溶劑環氧漆、中間層膠黏劑、外層收縮帶聚乙烯基材三種不同材料構成的。施工人員在施工現場通過加熱手段（火焰烘烤和/或中頻感應加熱設備）對鋼管表面進行包覆，在補口防腐施工完成后24 h進行補口質量的檢驗，包括外觀、漏點和剝離強度等內容[6]。因此，防腐補口施工質量受人、機、料、法、環、測等因素的影響尤為突出。

圖1 防腐補口涂層施工工藝過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction process of anticorrosive joint coating

表1 防腐補口施工工藝要求Tab.1 Construction process requirement of anticorrosive joint coating

圖1是防腐補口施工工藝過程示意圖。在整個施工過程中，每一環節的質量控制是由監理單位根據防腐補口技術規范和工藝規程進行現場管控的。表1 是現行國內補口施工中所使用的Q/SY 1700—2014《熱熔膠型熱收縮帶機械化補口施工技術規范》對施工工藝各環節的要求[7]。由表1 可知，無論是按照產品說明書還是按照工藝規程，給出的參數值范圍都比較大。比如，某項目的工藝規程上規定“加熱回火溫度為175～190 ℃，加熱5～8 min”，這些大范圍的參數值必然給施工單位和監理單位帶來極大的困擾；而參數的記錄是零散的、按一定頻率進行的，特別是加熱時間和加熱溫度等重要參數，不能得到及時的歸整處理；對技術參數的判斷結果很大程度上依賴于現場人員的經驗和專業水平，帶有主觀性判斷；而且補口質量的檢驗主要從外觀、漏涂點和剝離強度等方面進行，并不能真正有效地控制施工質量。此外，國內現行有效的技術標準中，并未考慮到防腐涂層中三種材料各自的特性，未對材料與加熱設備的匹配性作出相關規定。對加熱設備只作簡單要求，比如中頻感應加熱設備的溫度場分布應滿足熱收縮帶補口施工的要求，未能提供具體的、可控的執行要求，因此對防腐補口施工缺乏指導意義。這就造成補口材料在施工時，合格的材料頻繁出現單層甚至是多層的失效。在施工過程中由于不恰當地加熱，導致熱收縮帶基材過度老化，熱熔膠開裂；鋼管表面預熱溫度過高，環氧底漆出現快速流淌和固化，導致涂層表面鼓泡、厚度不均等異常情況（圖2）。

此外，中頻感應加熱設備作為最重要的加熱手段，與傳統手工烘烤相比，具有高效、加熱均勻、環境適用性廣、可靠性高等特點，特別適用于大管徑管道補口施工。但是，由于補口加熱區域含有鋼表面和帶主干線涂層的搭接區域，中頻感應加熱設備對這兩個區域的加熱情況是不一樣的。比如溫降速度和溫度保持時間，即使同一臺設備對補口區域進行加熱，也會有不同的有效加熱寬度和內外壁溫差等情況發生。施工單位在施工時并未考慮這些差異性，更不用說設備是否能滿足三種補口材料的施工要求了，這就使得加熱不均勻，局部區域溫度偏低，出現粘接失效，如圖2（d）所示。

圖2 施工不當導致防腐補口涂層出現異常情況Fig.2 Abnormal cases of anticorrosive joint coating caused by improper construction

防腐補口涂層失效是由于缺乏具有可操作性的工藝參數指標造成的，目前國內工程建設對控制防腐補口施工質量的管理模式仍處于粗放式管理，主要表現在：各施工工藝程序的質量控制主要依賴施工單位、監理單位的現場把控，缺乏準確的數據依據及有效的數據管理手段；依賴于人員的經驗，存在很多主觀判斷，導致對過程控制不到位；各施工單位、監理單位各自為戰，從業主角度無法做到統一協調管理；各標段的過程數據主要靠Excel 軟件各自管理，每隔一段時間才進行歸檔，無法實現數據及時更新、專業處理；熱收縮帶的安裝工藝缺乏有效的管理手段，導致加熱過程中膠黏劑粘接失效、材料老化、補口密封性較差；中頻感應加熱設備的加熱特性不清晰，與各種防腐材料的匹配性欠佳，設備參數任意變更，以上諸多因素最終導致補口防腐層的質量事故頻繁發生。

1.2 數字化管理體系的提出

針對上述存在的問題，工作人員應該積極改變目前的狀況，提升防腐補口施工質量的管理水平，將補口施工的質量控制從經驗和人為判斷轉向數字化，推行補口施工質量的數字化管理體制。圖3是根據目前防腐補口施工工藝的現狀，結合數字化管理技術，提出的防腐補口施工質量的數字化管理體系。在補口施工開工前，按施工工藝規程進行工藝評定試驗（PQT）驗證，確認施工人員、加熱設備、補口材料滿足實際工程的要求；補口施工時，各個施工標段的現場施工記錄、監測記錄（包括工況條件、環境）及時傳輸至防腐補口施工質量控制實時數據庫；補口施工完成后，進行補口質量檢驗，同時將記錄上傳；數據經快速處理和分析后，及時反饋給管理區和施工現場。可見，防腐補口施工質量的數字化管理體系綜合考慮了人、機、料、法、環、測等因素，為補口施工提供詳細的動態監測數據，并經過大數據處理系統直接將分析結果傳輸給施工現場和管理層，使數據信息處理更全面、更專業、更高效。

圖3 防腐補口施工質量的數字化管理體系Fig.3 Digital management system for construction quality of anticorrosive joint coating

2 研究方法與應用效果

大數據的處理需要依靠完整、準確的數據作為支撐，即需要有效施工工藝參數的確立。在油氣管道補口施工前，通過實驗研究獲得補口材料（膠黏劑、無溶劑環氧漆和基材）的施工特性，即它們的極限可加熱溫度和膠黏劑有效粘接溫度，然后根據補口材料的施工特性，選擇加熱設備，在模擬補口的管段上確認該加熱設備的加熱溫度、加熱時間和熱分布曲線等相關技術數據；再進行PQT，使用經過確認的人、機、料在施工管道上進行熱收縮帶的模擬安裝，然后將安裝后的補口送往第三方實驗室進行相關性能的檢測和評估；符合技術要求后，將這些工藝參數數據運用到現場施工質量管控中。在施工現場，施工記錄、監測記錄、圖像和曲線等實時傳送到數據庫，根據已確立的施工工藝參數，經過大數據處理，及時反饋到施工現場，有效地實現對補口施工質量的控制。

2.1 確立有效施工工藝參數的方法

目前有效施工工藝參數的確立還沒有相關資料提出具體的實施方案。結合現場防腐補口的施工情況和課題研究成果，提出確立施工工藝參數的方法。

2.1.1 補口材料的施工特性

由于防腐補口使用的補口材料（膠黏劑、無溶劑環氧漆和基材）均為有機高分子材料，而有機高分子材料因其分子結構的關系容易受熱不穩定，尤其是不恰當地加熱會導致高分子材料出現熱（氧）老化、熱降解等，導致材料的分子結構和使用性能發生改變。因此，在進行補口施工之前，工作人員必須知道所施工的補口材料的極限可加熱溫度，以防止因過度加熱而導致材料過早出現老化、性能衰減。

根據國際標準ISO 11358—1的檢測方法，對補口材料的極限可加熱溫度進行檢測[8]。環氧涂層、膠黏劑和基材分別在氮氣中及在指定的溫度條件下，一般以50 ℃為起始檢測溫度，每間隔10 ℃作為1 個溫度點，測出材料在30 min 內總的熱失重量，以此建立溫度與熱失重量的關系曲線，該曲線的雙切線交點所對應的溫度點作為該材料的極限可加熱溫度Tc（圖4）。以圖4 中的補口涂層材料為例，由交點可知，環氧涂層、膠黏劑和基材的極限可加熱溫度分別為185、145 和190 ℃，則最小極限可加熱溫度為145℃。因此在補口施工時，加熱溫度不能超過環氧涂層、膠黏劑和基材這三者的極限可加熱溫度的最小值，否則，材料將過早出現老化衰減。

圖4 環氧涂層、膠黏劑和基材的溫度與熱失重的關系曲線Fig.4 Relation curve of temperature of epoxy coatings，adhesives and backings and thermal weight loss

對補口材料進行加熱，主要目的是促使膠黏劑能夠熔融粘接，即讓熱收縮帶膠黏劑與底層環氧涂層（底漆層）和主干線聚乙烯層（PE 層）搭接處形成粘接。膠黏劑與這兩種底材形成有效粘接時的最低溫度稱為膠黏劑的有效粘接溫度Tθ。根據歐洲標準EN 828 的檢測方法，對該溫度進行檢測[9]。以不同的鋼管預熱溫度與膠黏劑的烘烤溫度來模擬現場安裝條件，控制20 min作為保溫時間，測試膠黏劑分別在PE 層表面和底漆層表面的接觸角；根據接觸角判斷膠黏劑對不同表面的潤濕特性，然后通過控溫模擬安裝得到補口涂層系統，并經剝離實驗驗證，確認膠黏劑的粘接有效性。當控溫模擬得到補口涂層系統的剝離破壞形式呈現膠黏劑內聚破壞時，該系統所使用的鋼管預熱溫度和膠黏劑的烘烤溫度則為膠黏劑的有效粘接溫度Tθ。

2.1.2 中頻感應加熱設備的加熱特性

中頻感應加熱設備是利用電磁原理使鋼管產生熱量，底漆層和PE 層的溫度是從鋼管表面傳遞而來[10]。因此，中頻感應加熱設備應滿足熱收縮帶在不同部位（底漆層和PE 層）的安裝溫度要求，中頻加熱線圈的加熱情況將直接影響熱收縮帶補口的安裝質量。影響中頻感應加熱設備的加熱質量工藝參數，包括加熱功率、加熱時間、加熱溫度的持續時間、線圈的分布情況以及線圈的有效加熱寬度等。在補口施工之前，應對中頻感應加熱設備進行調試，獲取補口部位的溫度分布曲線、溫降曲線等加熱特性曲線（圖5）。在實際工程的模擬補口管段上測試中頻線圈的加熱情況，獲取補口區域的溫度分布情況和溫降曲線，使得加熱溫度和溫度持續時間滿足補口材料的極限可加熱溫度Tc和有效粘接溫度Tθ，有效加熱寬度與補口寬度匹配。同時應記錄中頻感應加熱設備的參數，如電流、功率、線圈的匝數、距離等。在補口施工過程中，不得更換中頻感應加熱設備；若更換設備或補口鋼管參數（如管徑、壁厚）發生變化，應重新獲取其加熱特性曲線，確保中頻感應加熱設備的加熱特性與補口材料的施工特性相匹配，確保補口施工質量得到有效管控。

圖5 中頻感應加熱設備的加熱線圈和溫度檢測Fig.5 Heating coil and temperature detection of mediamfrequency induction heating equipment

2.2 應用效果

2017 年底，北京新機場項目供油工程津京第二輸油管道項目開始投入建設。由于該項目是國家的重點工程，管道埋設地區環境特殊，管道防腐補口施工質量將直接關系到北京新機場輸油管道的安全，因此采用數字化管理體系管控防腐補口施工質量。在防腐補口施工前，補口材料的施工特性和中頻感應加熱設備的加熱特性在實驗室研究和PQT中得到有效驗證，并將特征性參數文件提交給施工單位和監理單位，以便指導現場補口施工和質量管控。如圖6所示，防腐補口施工質量的數字化管理體系在北京新機場項目應用中成效顯著，它完善了項目關鍵人員、機具設備的信息，實施了對人員、機具設備的信息化管控，有效提高了施工質量管理水平，為今后全面實現油氣管道補口施工質量數字化管理奠定了堅實基礎。

3 結論

在防腐補口施工過程中，補口施工質量受到人、機、料、法、環、測諸多因素的影響，為了確保補口施工質量，減少因不合理的施工工藝而導致防腐涂層失效，必須依托現代科學技術，建立防腐補口施工質量的數字化管理體系。大數據的采集主要依靠施工前通過實驗研究獲得補口材料（膠黏劑、無溶劑環氧漆和基材）的施工特性，然后根據所選的加熱設備在模擬補口的管段上進行補口材料的安裝以獲取相關技術數據，進而進行PQT以確立有效施工工藝參數。通過大數據處理有效地實現對補口施工質量的控制。數字化管理體系的初步成功說明其具有可行性和重要性，將其推廣至更多管道建設項目中，有利于對補口施工質量進行全方位、科學、高效地管控，保證管道補口安全運行。

圖6 北京新機場項目防腐補口施工質量的管理體系Fig.6 Management system of anti-corrosive joint coating construction quality for the Beijing new airport project