國內(nèi)外管道3PE 防腐層修補技術(shù)標準對比分析

張曉慧， 郭 莉， 鞏忠旺

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣062658）

1 概 述

三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層 （3PE） 具有良好的耐土壤腐蝕性能、 力學性能和施工性。 3PE 的底層為FBE （熔結(jié)環(huán)氧粉末）， 與鋼管表面直接粘結(jié)， 具有很好的耐化學腐蝕性和抗陰極剝離性能； 中間層為膠粘劑， 其作用是將外層聚乙烯與底層環(huán)氧涂層粘結(jié)在一起； 面層為PE （聚乙烯）， 主要起機械保護作用。 3PE 作為一種重要的管道防腐形式， 廣泛應用于西氣東輸管線、 陜京管線、 中緬管線、 中俄東線、 唐山LNG 管線等國內(nèi)外重點管線工程中。

在3PE 防腐管的生產(chǎn)、 檢驗過程中， 因各種原因會出現(xiàn)漏點、 氣泡、 表面雜質(zhì)等缺陷或缺欠； 在倒運、 施工過程中， 也難免會發(fā)生磕碰傷、 劃傷等情況； 為了保證防腐層的連續(xù)性， 相關(guān)標準允許對損傷的防腐層進行修補處理。

應該如何處理？ 是否可以修補？ 什么樣的缺陷可以修補？ 修補的材料如何選擇？ 修補的質(zhì)量如何控制？ 修補后如何進行檢測？ 在國內(nèi)外的相關(guān)標準中， 對3PE 防腐層修補都有專門的規(guī)定，但要求卻不盡相同。

筆者對國內(nèi)外標準中關(guān)于3PE 防腐層修補要求進行比較， 分析這些標準中對修補范圍、 修補材料、 修補程序和修補質(zhì)量檢驗的差別和共同之處， 希望有助于提高國內(nèi)3PE 防腐層修補技術(shù)水平和修補質(zhì)量， 保證防腐層的使用壽命和管道運營安全。

2 國內(nèi)外管道3PE 防腐層標準

鋼質(zhì)管道3PE 防腐層國內(nèi)外標準匯總見表1。為了便于業(yè)內(nèi)人員對這些標準的使用和理解， 本研究將對這些常用標準進行對比分析。

表1 鋼質(zhì)管道3PE 防腐層國內(nèi)外標準匯總

表1 中， DIN 30670 標準最早發(fā)布于1991年， 是制訂最早的3PE 防腐標準之一， 最新版本是2014 年版； CSA Z245.21 標準由加拿大標準聯(lián)合會發(fā)布， 具有非常大的影響力， 許多其他的標準在不同程度上都參考和引用了該標準， 最早發(fā)布于1998 年， 最新版本是2018 年版。

由于上述兩個標準頒布較早， 被眾多國家認可和使用。 因此， 我國的SY/T 0413—2002 （已于2010 年廢止） 也是參照以上兩個標準制訂的，后來在此基礎上制訂了GB/T 23257—2009， 目前最新版本是2017 年版， 是目前國內(nèi)工程中廣泛應用的標準。

ISO 21809 標準是后起之秀， 最早發(fā)布于2011 年， 最新版本是2018 年版， 但由于ISO 在國際的影響力較大， 目前已經(jīng)被國內(nèi)外管道防腐行業(yè)廣泛采用。

DEP 31.40.30.31-Gen.2011 和GS EP COR 220—2009 是國際上兩大石油公司的標準， 具有很強的代表性。

3 管道3PE 防腐層修補技術(shù)對比分析

3.1 修補范圍

國內(nèi)外標準對管道防腐層修補范圍的對比見表2。

由表2 可見， 各標準對允許修補范圍的界定不統(tǒng)一， 在關(guān)注點上也有所區(qū)別。

大部分的標準對缺陷的大小和數(shù)量比較關(guān)注， ISO 21809-1:2018 和DIN 30670:2012-04要求一致， 均為缺陷面積≤10 cm2且每米不超過1 個缺陷； CSA Z245.21-18 要求漏點數(shù)量不超過2 個且長度≤300 mm； GS EP COR 220—2009 對缺陷大小要求相對寬松， 每管最大允許缺陷數(shù)為3 處， 缺陷面積≤50 cm2。

表2 國內(nèi)外標準對管道防腐層修補范圍對比

GB/T 23257—2017 對缺陷大小的劃分最為詳細， 分為直徑不超過10 mm 的漏點或損傷深度不超過管體防腐層厚度50%的損傷、 小于或等于30 mm 的損傷和大于30 mm 的損傷3 種情況， 但后2 種的修補方法多用于施工現(xiàn)場的較大損傷， 對于涂敷廠內(nèi)而言， 可修補的范圍僅限于第一種， 要求可以說是最為嚴格的。

而德國標準DEP 31.40.30.31-Gen.2011， 主要關(guān)注于缺陷處的涂層厚度， 按照“深度小于總涂層厚度的20%” 和 “深度大于總涂層厚度的20%但未露出金屬表面” 進行了區(qū)分， 數(shù)量不超過2 個； 并對露出金屬表面的嚴重缺陷做出了大小要求， 不超過40 cm2。

值得一提的是， CSA Z245.21—2018 標準中還特別針對滿足試驗要求但厚度不足的防腐管提出了“復凃法” 的修復方法。 作為制定較早， 影響力極大的通用國際標準， 在多次的改版中， 仍將“復凃法” 予以保留， 可見是有著多年實踐依據(jù)的。 但國內(nèi)標準一直沒有關(guān)于“復凃法” 的具體實施方法和檢測要求， 在目前的防腐層生產(chǎn)中是不被允許的。

3.2 修補材料

國內(nèi)外標準對管道防腐層修補材料要求也有所不同， 具體對比結(jié)果見表3。

表3 國內(nèi)外標準對管道防腐層修補材料對比

從 表3 可 見， GB/T 23257—2017 的B、 C類缺陷和DEP 31.40.30.31-Gen.2011 的C 類缺陷在修補中屬于較嚴重缺陷， 需要用到補傷片、 熱收縮帶和液體涂料等材料。 在GB/T 23257—2017 中對補傷片和熱收縮帶的材料性能和補傷程序都有非常詳細的規(guī)定， 補傷材料相對成熟。

CSA Z245.21-18 的B 類缺陷是針對厚度不足的防腐管采用“復凃法” 進行修復， 修復材料與原防腐材料相同。

DEP 31.40.30.31-Gen.2011 的A 類缺陷， 是針對 “深度小于總涂層厚度的20%” 的缺陷進行打磨修復， 不需要外來修補材料。

除此之外的其他缺陷主要針對的是生產(chǎn)過程中的表面缺陷、 破壞性試驗的缺陷和運輸過程中的磕碰傷、 劃傷等， 修補材料主要為熱熔修補棒和聚乙烯粉末， 這涉及到了以上的每一個標準。各標準中對它的要求主要是與涂層相容、 制造商推薦、 滿足設計溫度等， 目前并沒有任何一個標準對熱熔修補棒的性能做出明確要求。

但在修補過程中， 修補材料的性能無疑是十分重要的。 3PE 所用的聚乙烯是一種對環(huán)境應力開裂極為敏感的材料， 較高的鋼管內(nèi)壓、 外界腐蝕介質(zhì)侵蝕、 溫度及環(huán)境應力都會不同程度的造成聚乙烯層性能的下降， 最為明顯的是溫度的影響。 相關(guān)學者曾對不同加熱時間、 不同加熱溫度條件下聚乙烯的斷裂伸長率和拉伸強度性能影響進行了試驗， 結(jié)果見表4。

表4 不同加熱時間、不同加熱溫度對聚乙烯層性能的影響

通過試驗數(shù)據(jù)可以得知， 3PE 層在直接加熱的情況下， 隨著加熱時間的延長， 聚乙烯的性能不斷下降。 當溫度控制在110 ℃左右而時間控制在30 min 以內(nèi)時， 聚乙烯的性能基本可以達到標準要求； 在150 ℃條件下加熱10 min 后， 聚乙烯的性能已不能達到標準要求； 在200 ℃條件下加熱7 min 后， 聚乙烯的性能已不能達到標準要求； 在250 ℃條件下加熱5 min 后， 聚乙烯的性能下降明顯， 已不能達到標準要求； 隨著加熱時間的延長， 聚乙烯還會出現(xiàn)變色及碳化等現(xiàn)象。

聚乙烯是一種高分子量材料， 其熔融粘度相當高， 熔化后對其他材料的浸潤性也很差。 為了保證修補后聚乙烯層的性能， 這就對外來的修補材料提出了要求： 首先， 修補材料應與聚乙烯具有相容性， 其分子鏈結(jié)構(gòu)應該與聚乙烯相似； 其次， 修補材料應易熔融， 避免修補過程中長時間高溫對修補材料的涂層性能的影響； 再次， 修補材料熔融后應具有較小的粘度， 保證足夠的浸潤效果。

目前， 國內(nèi)最常用的熱熔修補棒為Covalence 公司的PE-MELT-STICK， 在其產(chǎn)品介紹中有關(guān)于軟化點、 剪切強度、 剝離強度和適用溫度的說明。 但由于目前沒有相關(guān)的修補材料的標準， 作為涂敷廠家也無法對其產(chǎn)品性能進行驗收。 建議今后能夠?qū)π扪a材料進行研究， 并完善相關(guān)標準。

3.3 修補程序

國內(nèi)外標準對管道防腐層修補程序?qū)Ρ纫姳?。

由表5 可見， GB/T 23257—2017 中對B、 C類的缺陷修補程序規(guī)定的非常詳盡， 但對于熱熔修補棒和聚乙烯粉末的修補程序卻沒有詳細介紹； 其他標準中也沒有對修補程序做出詳細說明。 由于缺少規(guī)范的修補程序， 就可能會造成一些不合適的修補行為。

表5 國內(nèi)外標準關(guān)于管道防腐層修補程序?qū)Ρ?/p>

采用聚乙烯粉末修補程序通常為， 先用刀修理PE 防腐層上的破損處， 用膩子刀將聚乙烯粉末用火焰熔融， 涂在烤熱的凹陷處， 將表面涂平。 但由于聚乙烯專用料的熔融粘度太高， 融化后能用膩子刀施工的溫度約在350 ℃以上。 聚乙烯在250 ℃下加熱5 min 后性能己不能達到標準的要求， 時間再長會出現(xiàn)變色及碳化現(xiàn)象。 可以想象， 在350 ℃以上的溫度下聚乙烯粉末老化相當迅速， 裂解的程度相當嚴重， 同時受火焰的影響， 缺陷部位及附近的聚乙烯也遭受到不同程度的急劇老化， 導致修補剛剛完成后涂層表面很平整、 光滑， 待充分冷卻后表面出現(xiàn)龜裂。

而熱熔修補棒是熱熔性材料， 其熔融粘度可以在相當寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)， 熔融粘度較低的熱熔修補棒易于對被粘母材產(chǎn)生浸潤， 與PE 能產(chǎn)生良好的粘接， 且施工溫度相對低、 時間短， 使修補材料和防腐層受熱老化的程度減輕， 同時熱熔膠修補棒便于攜帶， 易于施工， 是比較適合的修補材料。 在修補過程中需要對加熱時間及加熱溫度等參數(shù)嚴格控制。

不管采用哪一種修補材料和修補程序， 修補處的性能始終低于管體防腐層。 個人認為對不影響防腐層試驗性能的表面缺欠， 原則上應能不修補就不修補； 對深度小于總涂層厚度的20%的缺陷， 應該參考DEP 31.40.30.31-Gen.2011 中A類缺陷的處理方式， 打磨以使其與周圍涂層平滑融合； 對深度大于總涂層厚度的20%的缺陷，按照規(guī)定程序進行修補。

3.4 修補質(zhì)量檢驗

國內(nèi)外標準對管道防腐層修補質(zhì)量檢驗對比見表6。

由 表6 可 見， ISO 21809-1:2018 和DEP 31.40.30.31-Gen.2011 這兩個標準對修補質(zhì)量的檢驗未給出明確規(guī)定， 主要依據(jù)涂敷廠家提供的APS 和ITP 文件進行檢驗。

其他標準對修補質(zhì)量的檢驗， 主要是對修補處進行漏點檢測， 要求修補處應無漏點， 在檢漏電壓稍有區(qū)別。 其中GB/T 23257—2017 還對修補處外觀質(zhì)量作了要求。

GB/T 23257—2017 中對B、 C 類缺陷的修補質(zhì)量檢驗和CSA Z245.21-18 中對B 類的缺陷的“復凃法” 的檢驗則增加了剝離強度的要求。

表6 國內(nèi)外標準關(guān)于管道防腐層修補質(zhì)量檢驗對比

4 結(jié) 論

（1） 經(jīng)對比分析， 國內(nèi)外3PE 防腐標準在修補范圍、 修補材料、 修補程序、 修補質(zhì)量檢驗均存在一定的差異。 目前國內(nèi)的重大管道項目，如中俄東線， 唐山LNG 等， 均采用GB/T 23257—2017 標準要求進行修補作業(yè)。

（2） 建議對修補材料的性能進行深入研究，并完善相關(guān)標準， 規(guī)范修補作業(yè)程序， 對涂層修補起到指導和提高的作用。

（3） 由于修補過程對鋼管原有防腐層造成了二次損傷， 造成修補處的防腐層性能始終低于管體防腐層， 因此對于缺欠不建議修補； 對深度小于總涂層厚度的20%的缺陷， 應該參考DEP 31.40.30.31-Gen.2011 中A 類缺陷的處理方式，打磨以使其與周圍涂層平滑融合。

（4） 3PE 防腐管在生產(chǎn)、 檢驗過程中， 應通過調(diào)整傳動線、 壓（托） 輥等方式盡量減少表面缺陷或缺欠； 在倒運、 施工過程中， 做好防護措施， 減少發(fā)生磕碰傷、 劃傷等情況的發(fā)生； 從源頭減少缺陷或缺欠的發(fā)生， 提高涂層整體質(zhì)量。