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十幾年來,我國(guó)管道防腐層技術(shù)得到了很大發(fā)展,特別是煤焦油瓷漆、三層聚乙烯、熔結(jié)環(huán)氧粉末等防腐層得到了廣泛應(yīng)用,各種防腐層涂敷作業(yè)線或涂敷機(jī)具的引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)化均已完成,出現(xiàn)了眾多的專業(yè)化鋼管防腐層涂裝公司。與此同時(shí),對(duì)防腐層技術(shù)的評(píng)價(jià)和選擇準(zhǔn)則的研究進(jìn)一步深化,取得了令人矚目的成績(jī)。然而,一些非技術(shù)因素已影響了管道工程覆蓋層防腐技術(shù)的應(yīng)用,造成了某些技術(shù)上的認(rèn)識(shí)混亂,需要認(rèn)真對(duì)待并加以澄清。
一、管道外防腐層材料的應(yīng)用概況
我國(guó)油氣管道已經(jīng)采用的防腐層材料有石油瀝青、煤焦油瓷漆(CTE) 、擠出聚乙烯(包括2PE與3PE) 、熔結(jié)環(huán)氧(FBE) 、泡沫夾克、環(huán)氧煤瀝青和聚乙烯膠帶等。
石油瀝青一直是我國(guó)地下管道的基本防腐層,曾占據(jù)長(zhǎng)輸管道防腐層的統(tǒng)治地位。20 世紀(jì)80 年代泡沫夾克管在中洛線、花格線及阿塞線中應(yīng)用,由于管道出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕和該技術(shù)存在的缺陷而被限制使用。1995年煤焦油瓷漆防腐層開始在輪庫復(fù)線、靖西等管道中應(yīng)用。3PE在陜京輸氣管道、蘭成渝成品油管道和澀寧蘭管道中得到很好的應(yīng)用,使煤焦油瓷漆與3PE位居新建油氣長(zhǎng)輸管道防腐層用量的一位和第二位,而石油瀝青的用量大大降低,FBE開始規(guī)模應(yīng)用。1985～1999年我國(guó)管道外防腐層材料用量統(tǒng)計(jì)見表1。
2001年,以西氣東輸管道建設(shè)為標(biāo)志,先進(jìn)的管道覆蓋層在我國(guó)完全占據(jù)統(tǒng)治地位。西氣東輸干線管道(Ф1016 mm,4000 km)全部采用3PE ,彎頭部分采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末(2DPS)。西南成品油管道有1200 km 采用3PE ,700 km 采用FBE ,甬滬寧管道(650 km) 全部采用FBE,忠武輸氣管道(900 km)全部采用3PE 覆蓋層。此外,將在蘇丹輸油管道應(yīng)用的三層聚丙烯(3PP)已在涂裝廠開始生產(chǎn)并運(yùn)往蘇丹施工現(xiàn)場(chǎng)。
二、管道外防腐層的性能要求
不同種類的防腐層具有不同的使用壽命,在不同環(huán)境下,防腐層的使用壽命也不相同。
1、地下鋼結(jié)構(gòu)防腐層性能要求
地下鋼結(jié)構(gòu)防腐層應(yīng)具有在土壤中長(zhǎng)期穩(wěn)定的性能,一般應(yīng)具備良好的電絕緣性、與鋼基體牢固的粘結(jié)力、透氣性低、優(yōu)越的抗水汽滲透性、耐各種環(huán)境土壤腐蝕性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度高、耐土壤應(yīng)力作用能力強(qiáng)、與陰極保護(hù)的匹配性好等特性。
具有這些性能特點(diǎn)的防腐層能夠獲得良好的表現(xiàn),即在地下環(huán)境中能夠長(zhǎng)時(shí)期保持穩(wěn)定,覆蓋層材料老化緩慢；牢固地與鋼基體粘結(jié),可以有效地阻隔腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼基體的接觸；能夠與陰極保護(hù)相匹配,對(duì)保護(hù)電流的屏蔽作用小。
2、防腐層的選擇
為了保障防腐層的有效性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性,在選擇防腐層時(shí)需要考慮防腐層所處的環(huán)境及運(yùn)行工況、防腐層的技術(shù)性能、配套補(bǔ)口技術(shù)、防腐層涂裝作業(yè)條件與管道敷設(shè)施工條件、防腐層的合理壽命與合理的一次投資與二次投資、防腐層材料的應(yīng)用歷史等因素。
三、管道外防腐層選用存在的問題
管道防腐層出現(xiàn)的腐蝕問題有些歸于防腐層的選用,有些則是由于覆蓋層及涂裝技術(shù)存在缺陷。
補(bǔ)口技術(shù)選用存在的問題,主要反映在與管體防腐層的結(jié)合、性能匹配以及補(bǔ)口施工等問題上,導(dǎo)致管道防腐層過早出現(xiàn)失效；管道安裝條件通常得到設(shè)計(jì)方的關(guān)注,但涂裝作業(yè)條件沒有得到業(yè)主充分重視而難以控制涂裝質(zhì)量；壽命越長(zhǎng)的防腐層一般投資越大,其選擇有向頂級(jí)看齊的傾向；新類型材料的使用有泛濫之慮。
1、防腐層配套補(bǔ)口技術(shù)的局限性
(1) 瀝青類防腐層的補(bǔ)口
傳統(tǒng)石油瀝青、煤焦油瓷漆防腐層采用環(huán)氧類、聚氨酯類涂料進(jìn)行補(bǔ)口,存在管體覆蓋層和補(bǔ)口覆蓋層之間的粘結(jié)力不足問題；補(bǔ)口帶防腐層不能達(dá)到管體覆蓋層性質(zhì)和性能要求,而且同鋼管基材的結(jié)合質(zhì)量較差。澆涂補(bǔ)口質(zhì)量可靠,但國(guó)內(nèi)只能采用手工澆涂,勞動(dòng)條件惡劣。
(2) 聚烯烴類防腐層的補(bǔ)口
3PE、3PP等防腐層的補(bǔ)口可以采用重防腐液體涂料,但也存在液體涂料和聚烯烴防腐層之間的粘結(jié)問題；熱縮套補(bǔ)口的技術(shù)要求很高,尤其是大口徑管道的補(bǔ)口,因達(dá)不到要求而容易產(chǎn)生小空鼓和粘結(jié)缺陷。3PE防腐層的壽命更多地取決于補(bǔ)口防腐層,預(yù)期使用壽命受到影響。
(3) 熔結(jié)環(huán)氧粉末覆蓋層的補(bǔ)口
熔結(jié)環(huán)氧粉末覆蓋層的補(bǔ)口技術(shù)為成熟,包括粉末噴涂補(bǔ)口和無溶劑環(huán)氧涂料補(bǔ)口,可以保證管體防腐層的預(yù)期使用壽命。
各種補(bǔ)口防腐質(zhì)量狀況的改善,需要引入聚氨酯/聚脲等快速固化成型的無溶劑液體涂料及雙組分加熱噴涂設(shè)備,但這些先進(jìn)技術(shù)裝備必須由專業(yè)化的防腐公司來掌握與應(yīng)用。
2、防腐層涂裝作業(yè)條件與質(zhì)量控制
鋼管防腐涂裝質(zhì)量取決于管道防腐廠的條件。但有些防腐廠的裝備條件不具備,有些缺乏必要的生產(chǎn)技術(shù)人員,從而無法達(dá)到防腐施工的工藝要求,給質(zhì)量控制造成了很大的困難。一些不合格防腐層流入管道安裝現(xiàn)場(chǎng),導(dǎo)致一些問題無法解決,有的甚至無法發(fā)現(xiàn),如局部層下粘結(jié)力喪失的問題。業(yè)主應(yīng)當(dāng)對(duì)管道防腐承包商的資質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān),對(duì)其裝備條件進(jìn)行周密的考察。
3、防腐層材料的應(yīng)用歷史
防腐層的選擇應(yīng)根據(jù)防腐層的應(yīng)用歷史進(jìn)行選擇,但這一點(diǎn)往往被忽視。管道防腐層的品種穩(wěn)定周期很長(zhǎng),新品種從試驗(yàn)到規(guī)模應(yīng)用的周期也比較長(zhǎng)。管道防腐應(yīng)當(dāng)避免新類型材料的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),不能單憑試驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)選擇防腐材料和防腐層,因?yàn)槟壳斑€沒有科學(xué)方法來預(yù)測(cè)防腐層在運(yùn)行中的表現(xiàn)及使用壽命。因此,對(duì)設(shè)計(jì)人員而言,選擇具有長(zhǎng)期良好運(yùn)行記錄的防腐層尤為重要。目前補(bǔ)口技術(shù)和材料的選擇比較混亂,部分管道的使用壽命受到了較大的影響。
四、防腐層材料的應(yīng)用問題及改進(jìn)措施
1、石油瀝青
石油瀝青防腐層不宜在沼澤、水下、鹽堿土環(huán)境中使用,其運(yùn)行溫度不能超過規(guī)定的使用溫度范圍。在植物根須繁茂的土壤中,石油瀝青防腐層被穿透的情況比較普遍。我國(guó)傳統(tǒng)石油瀝青防腐技術(shù)存在以下問題。
(1) 澆涂纏繞工藝
澆涂纏繞工藝與現(xiàn)代管道逐根連續(xù)涂敷工藝不同,前者為鋼管單根澆涂纏繞,管端防腐層質(zhì)量和外形的控制難度較高,容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷、玻璃布未浸透等問題,端頭外形也不規(guī)則,端面沒有坡面。
(2) 防腐層的保護(hù)
傳統(tǒng)技術(shù)直接采用瀝青作為涂料,纏繞玻璃布以增強(qiáng)防腐層的機(jī)械性能,用塑料布作外保護(hù)。國(guó)外通常采用添加有礦物填料的瀝青(稱為瀝青瓷漆) ,使用玻璃氈增強(qiáng)覆蓋層,防腐層表面保護(hù)采用浸過瀝青的玻璃氈或帶網(wǎng)格層的玻璃氈,使防腐層整體的一致性、機(jī)械性能、耐溫性能得到了很大改善。在存放和管道敷設(shè)時(shí),對(duì)于防腐層受陽光輻射出現(xiàn)變軟、變形的問題,可以通過使用防曬漆解決。
隨著國(guó)外澆涂作業(yè)線的引進(jìn),傳統(tǒng)鋼管瀝青防腐工藝將逐步得到改進(jìn),但防腐層材料技術(shù)仍不會(huì)變化。
2、煤焦油瓷漆
作為比較經(jīng)濟(jì)的防腐層,煤焦油瓷漆的實(shí)際使用壽命很長(zhǎng),現(xiàn)有的壽命記錄為100 年,目前在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的新建管道中仍在使用。煤焦油瓷漆存在的一些問題如下：
(1) 底漆涂裝
部分國(guó)產(chǎn)防腐作業(yè)線保留了石油瀝青作業(yè)線的底漆涂敷方法,其缺點(diǎn)是,鋼管螺旋送進(jìn),在除銹后,底漆隨即經(jīng)固定的刷子涂敷到管表面,底漆漆膜沒有經(jīng)過干燥就受到托輥的滾壓和破壞。一方面底漆層很難保持完整,另一方面除銹后的鋼管很難進(jìn)行除銹質(zhì)量檢查。
(2) 環(huán)境保護(hù)
煤焦油瓷漆在涂敷時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒和有害的煙氣,部分涂裝作業(yè)線的處理設(shè)施或運(yùn)行維護(hù)達(dá)不到規(guī)定要求,造成環(huán)境污染。盡管國(guó)內(nèi)主要的煤焦油瓷漆防腐廠對(duì)有毒煙氣實(shí)行了有效控制,但在環(huán)保方面的爭(zhēng)議,很大程度上制約了煤焦油瓷漆的進(jìn)一步應(yīng)用。
(3) 存放和搬運(yùn)問題
在夏季曾出現(xiàn)煤焦油瓷漆防腐層軟化變形、防腐層之間粘連的情況。通常要求在煤焦油瓷漆防腐層上涂防曬漆,并盡可能選擇使用溫度等級(jí)高的瓷漆,否則暴曬可使黑色瓷漆的溫度升高(可能高于氣溫25～30℃)；長(zhǎng)期暴曬還可能造成輕組分遷移、芳香族苯環(huán)遭受破壞,致使防腐層老化、龜裂。此外,在冬季,為了避免防腐層產(chǎn)生裂紋或開裂,瓷漆防腐層不能在低于低靜置溫度的氣溫條件下放置。
3、熔結(jié)環(huán)氧
在所有管道覆蓋層當(dāng)中,熔結(jié)環(huán)氧的粘結(jié)力大,機(jī)械強(qiáng)度非常高,具有好的陰極保護(hù)可靠性,通常沒有陰極電流屏蔽問題。其主要缺陷有以下兩個(gè)。
(1) 溫度限制
由于具有一定的親水性,熔結(jié)環(huán)氧防腐層運(yùn)行溫度一般限制在-30～100℃,在地下水浸沒或極度潮濕的地段,運(yùn)行溫度宜限制在70℃以下。
(2) 機(jī)械損傷
單層熔結(jié)環(huán)氧(FBE)受到磕碰容易產(chǎn)生損傷,這種覆蓋層非常堅(jiān)硬,但韌性不足。提高覆蓋層厚度不能提高其抗機(jī)械損傷的能力,反而會(huì)降低其能力,厚度宜設(shè)定在350～450μm之間。雙層熔結(jié)環(huán)氧防腐層(2DPS)能夠提高運(yùn)行溫度,同時(shí)面層具有比較好的抗沖擊能力。有觀點(diǎn)認(rèn)為,2DSP的厚度應(yīng)達(dá)到800～1200μm或更厚才能顯著改善單層FBE的抗磕碰損傷能力, 但這樣的防腐層比較昂貴。
4、3PE結(jié)構(gòu)
3PE結(jié)構(gòu)被稱為“完美涂層”,其熔結(jié)環(huán)氧底層和管體結(jié)合牢固,中間膠粘劑層能夠?yàn)榈讓雍屯鈱犹峁├硐氲恼辰Y(jié)力, PE外層完好,補(bǔ)口防腐層的性能和管體防腐層一致,使用壽命超過40年。3PE結(jié)構(gòu)的整體性控制和補(bǔ)口覆蓋層質(zhì)量是兩個(gè)關(guān)鍵。
(1) 鋼管防腐層預(yù)制質(zhì)量
3PE結(jié)構(gòu)涂裝工藝復(fù)雜,如果控制不嚴(yán)格,就會(huì)出現(xiàn)各種缺陷,包括粘結(jié)力、氣泡與空鼓及厚度三類缺陷。尤其是粘結(jié)力的控制和鋼管表面處理質(zhì)量、鋼管加熱溫度和溫度均勻程度密切相關(guān),鋼管表面有微塵、浮銹、油污,粉末層固化不完全、固化過快甚至焦化,都將產(chǎn)生粘結(jié)力缺陷,有的粘結(jié)力缺陷要經(jīng)過一段時(shí)間甚至相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能表現(xiàn)出來。同時(shí),粘結(jié)力缺陷的危害性大,如果防腐層有破損,就可能出現(xiàn)陰極電流屏蔽,導(dǎo)致防腐層下的鋼管腐蝕加速。
(2) 補(bǔ)口技術(shù)和施工質(zhì)量
目前,3PE結(jié)構(gòu)還不能用于補(bǔ)口,各種補(bǔ)口技術(shù)都不能達(dá)到管體防腐層的質(zhì)量水平,也沒有一種補(bǔ)口技術(shù)能夠保證3PE結(jié)構(gòu)的覆蓋層完整性。國(guó)內(nèi)主要采用熱縮套/ 帶補(bǔ)口,手工作業(yè)難度大,質(zhì)量控制困難,尤其是大口徑管道的補(bǔ)口。
5、環(huán)氧煤瀝青
環(huán)氧煤瀝青主要用于市政燃?xì)夤艿馈⑺艿酪约肮S管道等,長(zhǎng)輸管道一般只在站場(chǎng)和防腐層大修中采用。環(huán)氧煤瀝青的應(yīng)用主要存在以下問題。
(1) 覆蓋層結(jié)構(gòu)
國(guó)內(nèi)大多采用玻璃布增厚的薄覆蓋層結(jié)構(gòu),由于漆膜薄,玻璃布和涂料不易融合,與純環(huán)氧煤瀝青覆蓋層相比,其抗沖擊性、陰極剝離、耐介質(zhì)腐蝕性大幅度下降,因此除現(xiàn)場(chǎng)施工因素外,加玻璃布增厚是造成管道覆蓋層出現(xiàn)質(zhì)量問題的客觀因素。
(2) 涂敷要求
國(guó)內(nèi)與國(guó)外技術(shù)有較大的差距。美國(guó)ANSI/AWWA C210規(guī)定,濕膜厚度為0.35mm 時(shí)應(yīng)無流掛,覆蓋層結(jié)構(gòu)為一底一面或一底二面即達(dá)到所需厚度；國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有不流掛厚度指標(biāo),涂料不能厚涂,所以采用玻璃布增厚。
無溶劑、厚膜型和快速固化產(chǎn)品不僅簡(jiǎn)化了環(huán)氧煤瀝青覆蓋層的涂裝工藝(只涂1～3道,不使用玻璃布),而且保障了覆蓋層的防腐性能,應(yīng)當(dāng)大力推廣,這樣才能解決環(huán)氧煤瀝青目前面臨的問題。
我國(guó)長(zhǎng)輸管道外防腐層的應(yīng)用已經(jīng)和國(guó)外同步,先進(jìn)技術(shù)得到推廣,傳統(tǒng)方式逐步被淘汰。鋼管涂裝作業(yè)裝備、涂裝過程控制以及補(bǔ)口技術(shù)開發(fā)與引進(jìn)的問題需要引起業(yè)內(nèi)的注意,并認(rèn)真加以解決；補(bǔ)口防腐層質(zhì)量的提高、技術(shù)的進(jìn)步有待于專業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口作業(yè)公司的誕生和發(fā)展。
