管道运输是石油天然气最为经济和方便快捷的一种运输方式,随着国民经济建设的高速发展,以及石油天然气工业的快速发展,我国油气管道建设取得了长足的进步。目前,长输管道已达2万多km,管道安全也已经成为我国人们重点关注的问题。其中,管道的腐蚀是造成管道安全事故的主要原因之一,而管道外涂层补口更是关系到整条管道的防腐层质量。据调查,腐蚀多发生在管道之间的补口、补伤和弯头等部位。如中原油田至洛阳输油管道、花土沟至格尔木输油管道、沈阳至抚顺输油管道等都是由于防腐层补口质量问题,投产1~2年就发生多起腐蚀穿孔漏油事故,造成了巨大的经济损失[1]。埋地钢管采用的是加强级或特加强级防腐,设计寿命是30~50年。而管道的防腐补口是埋地钢制管道防腐工程的重要环节,补口质量的高低是决定管道防腐成败的关键。管道的补口、补伤不合格,管道埋地后3~5年就会穿孔,将会导致整条管线报废,因此,管线补口涂层技术对管道使用寿命和运行安全起着至关重要的作用。

    1·常用的补口材料

    目前,我国埋地钢质管道主干线外防腐层主要采用熔接环氧粉末(FBE)和三层聚乙烯(3PE),3PE结构防腐层目前是我国埋地钢质管道外防腐的首选,它结合了高密度聚乙烯包覆和熔结环氧粉末的优点。该体系环氧粉末与钢管表面结合牢固,利用高密度聚乙烯抗机械损伤,两层之间特殊的胶粘剂层使三者形成分子键结合的复合结构,从而实现了防腐性能、力学性能的良好结合。

    根据Q/SYXQ5—2002《西气东输管道工程现场防腐补口补伤施工及验收规范》[2]规定,采用熔结环氧粉末涂料、液体环氧涂料(无溶剂型)和热收缩套用于管道的补口。补口材料及结构应与主体防腐层一致,补口后应达到主体防腐层的各项性能指标。下面分析这三种补口材料的优缺点。

    1.1熔结环氧粉末补口

    熔结环氧粉末(FBE)补口采用现场喷砂除锈、静电加热喷涂工艺,一次成膜。这种补口的优点是:熔结环氧粉末涂层对管道基体附着力强,抗土壤应力能力好,综合防腐效果好。缺点是:抗机械破坏能力较差,对管道的表面处理要求高,难度大,施工要求严格,常见的质量问题是环氧粉末未熔化、未固化及搭接部位粘结失效,造成漏点较多,补口质量很难达到要求。

    1.2液态环氧涂料(无溶剂)补口

    主要用于管道环焊的接口处和弯头处。这种补口的优点是:能够在常温的条件下进行防腐施工,既可手工涂覆又可机涂,质量容易保证,形成的涂层坚硬、光滑,具有良好的耐酸碱性,维护方便。

    缺点是:不能用于PE的补口(与PE不粘结),受环境和操作人员的熟练程度影响较大,特别是冬季施工易产生漏点[3]。另外,与石油沥青类似,液态环氧涂料与FBE都属可渗透性涂层,补口处的液态环氧涂料和FBE都存在漏点,漏点处的粘结强度降低,易发生阴极剥离,在漏点附近起泡,从而形成高pH值下的应力腐蚀开裂[4]。

    1.3热收缩套(带)补口

    热收缩套(带)目前应用最为广泛,可在100℃下使用。这种补口的优点是:可以用于3PE和FBE补口。缺点是:在施工过程中,对管体预热温度和热收缩套(带)的加热温度要求高,管体预热温度不够或热收缩套(带)加热不够,热熔胶未熔融都将大大影响粘结性能,从而容易造成热收缩套(带)内外表面起皱、失粘,导致粘结密封不良;热收缩套(带)温度过高又将使外层聚乙烯焦化,破坏补口的完整性;要保证热收缩套(带)的均匀收缩,对操作人员的技术要求较高;热收缩套(带)在施工过程中还必须有加热装置。有资料表明,热收缩施工合格率在50%左右,对全部采用热收缩套补口的某条长110km的三层聚乙烯防腐管道的调查,有漏点的补口高达80%,由于补口失败,导致管道严重腐蚀[5]。

    2·新型防腐及补口材料———聚脲涂料

    聚脲涂料是一种新型高效的双组分、喷涂施工的弹性材料,是由异氰酸酯组分(简称A组分)与氨基化合物组分(简称R组分)反应生成的一种弹性体物质。

    聚脲是经喷涂设备高温高压状态下喷涂施工的,几秒内就可凝胶,其固化不受湿度或温度影响。聚脲涂层是柔韧、牢固、一体无缝的弹性薄膜,具有良好的防水、耐化学腐蚀、抗冲击和耐磨性能。同时,又具有高抗张强度和良好的柔韧性、延伸率,能避免因基材移动而产生的开裂现象。

    聚脲涂料用于管道外防腐和补口、补伤,是一种理想的选择。国际上主要的管道公司都非常看好聚脲的优越特点,因为它不仅拥有独特的性能,而且施工工艺简单。直管部分可在工厂预制完成,接头、弯头和修补处在现场喷涂连接。其中聚脲连接面经特殊处理后能保持高分子链的连续性和完整性,使整个管道系统密封完整且一体无缝。图1为聚脲喷涂设备,图2为钢管的聚脲防腐现场。

    2.1聚脲涂料的性能

    聚脲涂料的性能主要包括:①化学性能稳定在酸、碱、盐等化学介质的作用下不易变质失效能耐浓度为10%的强酸、40%的强碱,耐盐性能稳定,可以在海洋环境下使用;②机械强度高,粘结力强,抗岩石冲击、土壤应力能力强,搬运吊装过程中不易损伤;③疏水材料,抗渗水性强,施工时不受潮湿或寒冷表面影响;④抗阴极剥离性能好,能与电法保护配合使用(若单独使用,亦有很长的使用寿命);⑤在海洋环境下使用不会受海贝类生物的侵蚀;⑥施工方法简便,底材无需加热,即便在-50℃下也可照常喷涂,而且喷涂完之后即可搬运;⑦适用温度范围广泛,工作温度为-50℃~121℃;间歇温度可高达149℃,不会因温度的变化而开裂;⑧环保型材料,对生态环境无污染。

    聚脲涂料的湿态、干态的性能以及固化时间见表1~表3。  

    2.2聚脲涂料与同类产品的性能比较

    聚脲涂料与其他防腐产品的各项性能对比见表4。

    2.4聚脲涂层的试验情况

    为了研究聚脲涂料的性能,我们参照SY/T4013—2002《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》在中国石油管道公司管道科技研究中心进行了试验,试验结果见表5。从表5可以看出,聚脲防腐层各项试验结果均满足标准要求。

    我们又在中国石油天然气集团公司防腐保温产品质量监督检验中心进行了针对PE、钢、FBE的剥离强度试验,在23℃±2℃的情况下,剥离强度分别为80N/cm、85N/cm和82N/cm。可以看出,聚脲涂层不论是对钢管,还是对PE和FBE均具有良好的黏结性能。

    聚脲涂层集优异的物理性能、防腐性能和施工性能于一体,可以作为一种很好的管道防腐、补口和修复材料。据不完全统计,浙江余姚热力公司蒸汽管道、上海大众汽车公司蒸汽管道、无锡协联热电厂埋地管道、山东管道煤气公司煤气管道、山东成山公司原油管道、大庆油田原油管道、新兴铸管公司供水管道等已经使用聚脲涂层作为管道的防腐层。

    3·结语

    通过对管道防腐补口材料进行对比,聚脲涂料作为一种新型的防腐和补口材料,凭借其优异的综合性能和施工工艺可以用于长输管道的防腐和补口。聚脲涂层在油气长输管道的应用,国外已有近10年的时间,取得了非常好的防腐效果和经济、社会效益,我国在这方面的研究和应用才刚刚起步。