十几年来,我国管道防腐层技术得到了很大发展,特别是煤焦油瓷漆、三层聚乙烯、熔结环氧粉末等防腐层得到了广泛应用,各种防腐层涂敷作业线或涂敷机具的引进和国产化均已完成,出现了众多的专业化钢管防腐层涂装公司。与此同时,对防腐层技术的评价和选择准则的研究进一步深化,取得了令人瞩目的成绩。然而,一些非技术因素已影响了管道工程覆盖层防腐技术的应用,造成了某些技术上的认识混乱,需要认真对待并加以澄清。

一、管道外防腐层材料的应用概况

 

   我国油气管道已经采用的防腐层材料有石油沥青、煤焦油瓷漆(CTE) 、挤出聚乙烯(包括2PE与3PE) 、熔结环氧(FBE) 、泡沫夹克、环氧煤沥青和聚乙烯胶带等。

石油沥青一直是我国地下管道的基本防腐层,曾占据长输管道防腐层的统治地位。20 世纪80 年代泡沫夹克管在中洛线、花格线及阿塞线中应用,由于管道出现严重腐蚀和该技术存在的缺陷而被限制使用。1995年煤焦油瓷漆防腐层开始在轮库复线、靖西等管道中应用。3PE在陕京输气管道、兰成渝成品油管道和涩宁兰管道中得到很好的应用,使煤焦油瓷漆与3PE位居新建油气长输管道防腐层用量的一位和第二位,而石油沥青的用量大大降低,FBE开始规模应用。1985～1999年我国管道外防腐层材料用量统计见表1。

 

 

    2001年,以西气东输管道建设为标志,先进的管道覆盖层在我国完全占据统治地位。西气东输干线管道(Ф1016 mm,4000 km)全部采用3PE ,弯头部分采用双层熔结环氧粉末(2DPS)。西南成品油管道有1200 km 采用3PE ,700 km 采用FBE ,甬沪宁管道(650 km) 全部采用FBE,忠武输气管道(900 km)全部采用3PE 覆盖层。此外,将在苏丹输油管道应用的三层聚丙烯(3PP)已在涂装厂开始生产并运往苏丹施工现场。 

二、管道外防腐层的性能要求

不同种类的防腐层具有不同的使用寿命,在不同环境下,防腐层的使用寿命也不相同。

1、地下钢结构防腐层性能要求

 

地下钢结构防腐层应具有在土壤中长期稳定的性能,一般应具备良好的电绝缘性、与钢基体牢固的粘结力、透气性低、优越的抗水汽渗透性、耐各种环境土壤腐蚀性能优良、机械强度高、耐土壤应力作用能力强、与阴极保护的匹配性好等特性。

具有这些性能特点的防腐层能够获得良好的表现,即在地下环境中能够长时期保持稳定,覆盖层材料老化缓慢；牢固地与钢基体粘结,可以有效地阻隔腐蚀介质对钢基体的接触；能够与阴极保护相匹配,对保护电流的屏蔽作用小。

2、防腐层的选择

 

为了保障防腐层的有效性、可靠性以及经济性,在选择防腐层时需要考虑防腐层所处的环境及运行工况、防腐层的技术性能、配套补口技术、防腐层涂装作业条件与管道敷设施工条件、防腐层的合理寿命与合理的一次投资与二次投资、防腐层材料的应用历史等因素。

三、管道外防腐层选用存在的问题

管道防腐层出现的腐蚀问题有些归于防腐层的选用,有些则是由于覆盖层及涂装技术存在缺陷。

补口技术选用存在的问题,主要反映在与管体防腐层的结合、性能匹配以及补口施工等问题上,导致管道防腐层过早出现失效；管道安装条件通常得到设计方的关注,但涂装作业条件没有得到业主充分重视而难以控制涂装质量；寿命越长的防腐层一般投资越大,其选择有向顶级看齐的倾向；新类型材料的使用有泛滥之虑。

1、防腐层配套补口技术的局限性

(1) 沥青类防腐层的补口

传统石油沥青、煤焦油瓷漆防腐层采用环氧类、聚氨酯类涂料进行补口,存在管体覆盖层和补口覆盖层之间的粘结力不足问题；补口带防腐层不能达到管体覆盖层性质和性能要求,而且同钢管基材的结合质量较差。浇涂补口质量可靠,但国内只能采用手工浇涂,劳动条件恶劣。

(2) 聚烯烃类防腐层的补口

3PE、3PP等防腐层的补口可以采用重防腐液体涂料,但也存在液体涂料和聚烯烃防腐层之间的粘结问题；热缩套补口的技术要求很高,尤其是大口径管道的补口,因达不到要求而容易产生小空鼓和粘结缺陷。3PE防腐层的寿命更多地取决于补口防腐层,预期使用寿命受到影响。

(3) 熔结环氧粉末覆盖层的补口

熔结环氧粉末覆盖层的补口技术为成熟,包括粉末喷涂补口和无溶剂环氧涂料补口,可以保证管体防腐层的预期使用寿命。

各种补口防腐质量状况的改善,需要引入聚氨酯/聚脲等快速固化成型的无溶剂液体涂料及双组分加热喷涂设备,但这些先进技术装备必须由专业化的防腐公司来掌握与应用。

2、防腐层涂装作业条件与质量控制

钢管防腐涂装质量取决于管道防腐厂的条件。但有些防腐厂的装备条件不具备,有些缺乏必要的生产技术人员,从而无法达到防腐施工的工艺要求,给质量控制造成了很大的困难。一些不合格防腐层流入管道安装现场,导致一些问题无法解决,有的甚至无法发现,如局部层下粘结力丧失的问题。业主应当对管道防腐承包商的资质进行严格把关,对其装备条件进行周密的考察。

3、防腐层材料的应用历史

防腐层的选择应根据防腐层的应用历史进行选择,但这一点往往被忽视。管道防腐层的品种稳定周期很长,新品种从试验到规模应用的周期也比较长。管道防腐应当避免新类型材料的试验风险,不能单凭试验室测试数据选择防腐材料和防腐层,因为目前还没有科学方法来预测防腐层在运行中的表现及使用寿命。因此,对设计人员而言,选择具有长期良好运行记录的防腐层尤为重要。目前补口技术和材料的选择比较混乱,部分管道的使用寿命受到了较大的影响。

四、防腐层材料的应用问题及改进措施

1、石油沥青

石油沥青防腐层不宜在沼泽、水下、盐碱土环境中使用,其运行温度不能超过规定的使用温度范围。在植物根须繁茂的土壤中,石油沥青防腐层被穿透的情况比较普遍。我国传统石油沥青防腐技术存在以下问题。

(1) 浇涂缠绕工艺

浇涂缠绕工艺与现代管道逐根连续涂敷工艺不同,前者为钢管单根浇涂缠绕,管端防腐层质量和外形的控制难度较高,容易产生质量缺陷、玻璃布未浸透等问题,端头外形也不规则,端面没有坡面。

(2) 防腐层的保护

传统技术直接采用沥青作为涂料,缠绕玻璃布以增强防腐层的机械性能,用塑料布作外保护。国外通常采用添加有矿物填料的沥青(称为沥青瓷漆) ,使用玻璃毡增强覆盖层,防腐层表面保护采用浸过沥青的玻璃毡或带网格层的玻璃毡,使防腐层整体的一致性、机械性能、耐温性能得到了很大改善。在存放和管道敷设时,对于防腐层受阳光辐射出现变软、变形的问题,可以通过使用防晒漆解决。

随着国外浇涂作业线的引进,传统钢管沥青防腐工艺将逐步得到改进,但防腐层材料技术仍不会变化。

2、煤焦油瓷漆

作为比较经济的防腐层,煤焦油瓷漆的实际使用寿命很长,现有的寿命记录为100 年,目前在美国等发达国家的新建管道中仍在使用。煤焦油瓷漆存在的一些问题如下：

(1) 底漆涂装

部分国产防腐作业线保留了石油沥青作业线的底漆涂敷方法,其缺点是,钢管螺旋送进,在除锈后,底漆随即经固定的刷子涂敷到管表面,底漆漆膜没有经过干燥就受到托辊的滚压和破坏。一方面底漆层很难保持完整,另一方面除锈后的钢管很难进行除锈质量检查。

(2) 环境保护

煤焦油瓷漆在涂敷时会产生有毒和有害的烟气,部分涂装作业线的处理设施或运行维护达不到规定要求,造成环境污染。尽管国内主要的煤焦油瓷漆防腐厂对有毒烟气实行了有效控制,但在环保方面的争议,很大程度上制约了煤焦油瓷漆的进一步应用。

(3) 存放和搬运问题

在夏季曾出现煤焦油瓷漆防腐层软化变形、防腐层之间粘连的情况。通常要求在煤焦油瓷漆防腐层上涂防晒漆,并尽可能选择使用温度等级高的瓷漆,否则暴晒可使黑色瓷漆的温度升高(可能高于气温25～30℃)；长期暴晒还可能造成轻组分迁移、芳香族苯环遭受破坏,致使防腐层老化、龟裂。此外,在冬季,为了避免防腐层产生裂纹或开裂,瓷漆防腐层不能在低于低静置温度的气温条件下放置。

3、熔结环氧

在所有管道覆盖层当中,熔结环氧的粘结力大,机械强度非常高,具有好的阴极保护可靠性,通常没有阴极电流屏蔽问题。其主要缺陷有以下两个。

(1) 温度限制

由于具有一定的亲水性,熔结环氧防腐层运行温度一般限制在-30～100℃,在地下水浸没或极度潮湿的地段,运行温度宜限制在70℃以下。

(2) 机械损伤

单层熔结环氧(FBE)受到磕碰容易产生损伤,这种覆盖层非常坚硬,但韧性不足。提高覆盖层厚度不能提高其抗机械损伤的能力,反而会降低其能力,厚度宜设定在350～450μm之间。双层熔结环氧防腐层(2DPS)能够提高运行温度,同时面层具有比较好的抗冲击能力。有观点认为,2DSP的厚度应达到800～1200μm或更厚才能显著改善单层FBE的抗磕碰损伤能力, 但这样的防腐层比较昂贵。

4、3PE结构

3PE结构被称为“完美涂层”,其熔结环氧底层和管体结合牢固,中间胶粘剂层能够为底层和外层提供理想的粘结力, PE外层完好,补口防腐层的性能和管体防腐层一致,使用寿命超过40年。3PE结构的整体性控制和补口覆盖层质量是两个关键。

(1) 钢管防腐层预制质量

3PE结构涂装工艺复杂,如果控制不严格,就会出现各种缺陷,包括粘结力、气泡与空鼓及厚度三类缺陷。尤其是粘结力的控制和钢管表面处理质量、钢管加热温度和温度均匀程度密切相关,钢管表面有微尘、浮锈、油污,粉末层固化不完全、固化过快甚至焦化,都将产生粘结力缺陷,有的粘结力缺陷要经过一段时间甚至相当长的时间才能表现出来。同时,粘结力缺陷的危害性大,如果防腐层有破损,就可能出现阴极电流屏蔽,导致防腐层下的钢管腐蚀加速。

(2) 补口技术和施工质量

目前,3PE结构还不能用于补口,各种补口技术都不能达到管体防腐层的质量水平,也没有一种补口技术能够保证3PE结构的覆盖层完整性。国内主要采用热缩套/ 带补口,手工作业难度大,质量控制困难,尤其是大口径管道的补口。

5、环氧煤沥青

环氧煤沥青主要用于市政燃气管道、水管道以及工厂管道等,长输管道一般只在站场和防腐层大修中采用。环氧煤沥青的应用主要存在以下问题。

(1) 覆盖层结构

国内大多采用玻璃布增厚的薄覆盖层结构,由于漆膜薄,玻璃布和涂料不易融合,与纯环氧煤沥青覆盖层相比,其抗冲击性、阴极剥离、耐介质腐蚀性大幅度下降,因此除现场施工因素外,加玻璃布增厚是造成管道覆盖层出现质量问题的客观因素。

(2) 涂敷要求

国内与国外技术有较大的差距。美国ANSI/AWWA C210规定,湿膜厚度为0.35mm 时应无流挂,覆盖层结构为一底一面或一底二面即达到所需厚度；国内标准没有不流挂厚度指标,涂料不能厚涂,所以采用玻璃布增厚。

无溶剂、厚膜型和快速固化产品不仅简化了环氧煤沥青覆盖层的涂装工艺(只涂1～3道,不使用玻璃布),而且保障了覆盖层的防腐性能,应当大力推广,这样才能解决环氧煤沥青目前面临的问题。

我国长输管道外防腐层的应用已经和国外同步,先进技术得到推广,传统方式逐步被淘汰。钢管涂装作业装备、涂装过程控制以及补口技术开发与引进的问题需要引起业内的注意,并认真加以解决；补口防腐层质量的提高、技术的进步有待于专业化现场补口作业公司的诞生和发展。

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