廖宇平  贾超  李晓鹏  王留彬

 (中油管道防腐工程有限责任公司 河北廊坊 )

摘要管线机械化防腐补口技术已经在油气长输管线工程中应用。与传统手工补口相比，机械化具有补口施工质量稳定、作业效率高等优势。本文结合工程应用情况，对目前国内油气管线主要机械化补口技术的特点、适用性及有关问题进行介绍与分析。

关键词  机械化  防腐补口  管道

 Mechanized field joint coating technology on large size pipeline

Liao Yuping  Jia Chao  Li Xiaopeng  Wang Liubin

(CPPCE, Langfang, Hebei)

Abstract: The mechanized field joint coating technology has been applied on long distance oil and gas pipelines. The mechanized application has obvious advantages of constant field joint coating quality and high operation efficiency if it is compared with the traditional manual application of field joint coating. With project application cases, the paper describes and analyzes the characteristics, adaptability and problems in the domestic mechanized field joint coating technology.

Key words: mechanization, field joint coating, pipeline

0引言

在我国，石油天然气管道主要采用3LPE防腐，补口防腐主要采用人工安装聚乙烯热缩带，使用手持喷砂、火焰烘烤的作业方式，补口质量控制困难，补口失效和腐蚀风险影响到管道的安全运行。大口径管道，特别是将要建设的DN1422管道口径和壁厚更大，热缩带防腐补口手工作业的质量隐患和作业安全风险加大，采用机械化补口防腐作业将对大口径管线防腐补口质量起到有效的保障作用。

近年来，液体聚氨酯自动喷涂补口、热缩带中频及红外加热补口技术、机械化喷砂技术在我国大口径油气管线上已经实现规模化应用，改变了补口防腐技术单一、依靠人工作业的局面，推动了管线防腐补口技术的进步。

1机械化喷砂补口表面处理技术

在现场防腐补口施工中，通常采用喷砂进行补口部位表面处理，包括管体防腐层搭接面粗糙化处理、焊缝及其两侧裸管部位的除锈处理。喷砂方式分为下列三种：

开放手持喷砂

这是最常用的喷砂处理方式，在管线工程大量应用，用于各种情况的管线补口。手持喷砂需要的设备简单（见表1），采用石英砂、熔渣等磨料，作业时磨料消耗多，粉尘排放大，劳动强度大。

作业时，对钢管底部与顶部的喷砂处理相对困难，特别是DN1016口径以上的管道需要采用梯架进行作业，不仅除锈质量不均匀，也容易造成管体聚乙烯防腐层表面产生过多的毛刺。

开放自动喷砂

机械自动喷砂技术通常用于管线防腐层大修，尚未在国内管线防腐补口工程中应用，可用于管线各种情况的补口。所用设备不多，采用石英砂、熔渣等磨料，也存在磨料消耗大、粉尘排放多的问题。喷砂作业由机械完成，工人劳动强度低，作业条件大幅改善。

开放式机械喷砂可以分别采用快与慢两种速度对管体聚乙烯防腐层、裸管部位进行表面处理，作业效率高，表面处理质量好。

密闭自动喷砂

密闭自动喷砂已经在西三线西线约30km、鞍大线约15km和多个海洋管线补口防腐工程中采用，喷砂枪在密闭腔室内工作，采用真空抽吸技术进行磨料回收和粉尘捕集，环保作业。

密闭自动喷砂可以采用金属或非金属磨料，因非金属磨料的回收利用率较低，现场多采用铸钢丸（砂）磨料，磨料的消耗少，机械自动喷砂表面处理质量好。但如果磨料使用过程中有沾污，应对磨料全部更换。

表1  三种喷砂方式对比

图1  手持喷砂与机械密闭喷砂

2热缩带中频及红外加热补口技术

传统热缩带人工补口作业过程见图2。烘烤作业采用液化气火焰，对工人的作业技能和责任心要求高，易于出现除锈后钢管表面因加热潮气凝结导致返锈、管体温度不足导致熔胶不充分的问题，大口径管道及冬季作业熔胶程度更难以控制。这些问题已经在多个管线工程中出现，在更大口径管线工程中，这种补口防腐方式的作业难度进一步增大。

图2  热缩带补口工艺流程示意图

因此，近年来采用中频和红外两种设备加热技术，形成了两种新的补口工艺。

1)中频加热补口

热缩带中频加热补口采用中频加热设备对补口部位管体进行加热，取代图2中用火焰进行补口部位预热、收带后熔胶加热，其它手工作业不变。湿膜安装工艺过程和图1一致；干膜安装工艺过程则需进行调整，将第二次中频加热改在底漆涂敷后进行，使底漆加速实干、上带时钢管温度处在100℃以上，热缩带收缩后不再进行中频加热，可采用火焰进行局部后续加热熔胶。

中频加热安装补口技术已经大量应用于热缩带补口，包括西三西180km、港清三线全线、西三东等。但在工程应用中，这项技术也显现出了一些特点，包括工艺和施工管理两个方面。

(1)质量优势

热缩带中频加热补口作业技术在质量方面的优势如下：

采用中频加热完成管口的预热，避免了火焰加热对管体表面的二次污染，使无溶剂环氧底漆良好的附着力得以保证。

采用中频加热设备完成热收缩带的加热回火，加热温度均匀，升温速度快，蓄热时间长，能够保证热收缩带热熔胶的充分熔融，使热收缩带整体粘结状况良好。

(2)技术优势

热缩带中频加热补口在技术上有下列优势：

适用性强。适用于目前所有的热缩带补口产品，可以按厂家说明书规定实现所有安装工艺的要求。对湿膜安装、干膜安装两种工艺和产品均适用。

装备使用灵活。中频感应加热需要的电源设备、感应器设备是管道工业的常用技术设备，设备稳定、运行可靠。补口加热只采用中频加热一种设备，单台即可完成补口加热作业，更简单灵活。

补口效率高。中频加热直接将能量投射到钢管，加热效率高，先后两次加热可将管体温度累计升高到100℃以上，每次的升温幅度通常只有30℃～60℃，加热时间缩短，在充分发挥设备效力的情况下，补口速度快。

(3)技术问题点

热缩带中频加热补口技术在工艺控制上主要应注意下列两个问题：

温差控制。在阳光自然照射下，管道阴阳面温度不一致，最高温差可达25℃以上；中频加热后钢管周向仍存在一定的温差，线圈加热的温度也并非完全一致。可将线圈距管表的间隙进行差异调整，可弥补部分温差。

温度控制。中频加热是对钢管表面的直接加热，加热温度应控制在110℃以内，以避免对管体聚乙烯防腐层产生损害。中频加热如采用较高的电流频率，热量在钢管表面聚集可造成管道表面过热，宜选用400Hz等低频率的中频加热。

此外，大口径管道补口防腐不宜采用软带式中频加热，因为软带的使用容易对补口部位造成沾污，且软带式感应器允许电流较低，加热速度受限。

图3  西三西热缩带中频加热补口

2）热缩带中频+红外加热补口

热缩带中频+红外加热补口工艺采用中频和红外两种加热设备，在除锈后、涂底漆前用中频进行预热，使钢管加热到需要的温度；在底漆涂敷、热缩带就位后，用红外加热器烘烤热缩带聚乙烯基材，使热缩带从中心往两边顺序收缩。涂底漆、热缩带就位及固定片安装、封边和赶除气泡等仍采用手工作业、液化气火焰烘烤。该工艺用中频无污染加热，升温速度快，加热均匀；采用红外加热收带，热缩带收缩均匀，采用控温技术，无过度烘烤风险。

热缩带中频+红外加热补口是目前机械化程度最高的热缩带补口技术，最大限度减少了人工烘烤作业，作业质量更有保障。西三西约30km、鞍大线约15km已采用了这项补口工艺。

(1)工艺分类

中频-红外加热补口可细分为下列3种可行工艺：

中频一次加热到130℃左右的干膜安装。用中频将钢管温度加热到约130℃，底漆涂刷后迅速干燥达到实干，然后装上热缩带，最后用红外加热进行热缩带收缩和回火。这种工艺要求使用在大约130℃涂刷底漆的热缩带产品。

采用二次中频加热的干膜安装。 先用中频将钢管温度加热到约75℃，涂刷底漆，再用中频进行加热，使底漆达到实干，并使钢管温度达到约130℃，然后安装热缩带，最后用红外加热进行热缩带收缩和回火。这种工艺适用于更多的干膜带产品，但耗时较多。

一次中频加热的湿膜安装。用中频将钢管温度加热到约65℃，底漆涂刷后随即安装热缩带，然后用红外加热进行热缩带收缩和回火。这种工艺适用于标准的湿膜带产品，底漆应和热熔胶形成有效的化学粘结，而无需长时间后续加热以提高钢管的表面温度。

(2)技术及质量优势

热缩带中频+红外加热补口技术有下列优势：

该工艺用中频无污染加热，升温速度快，除锈后管表面无二次污染。

采用红外顺序加热，实现热缩带从中间往两边顺序收带，热缩带收缩均匀。

采用控温技术，热缩带无过度烘烤风险。

图4  鞍大线中频-红外加热补口

3液体聚氨酯机械化喷涂补口技术

液体聚氨酯补口采用高压无气加热喷涂技术和无溶剂高性能液体聚氨酯涂料技术，通过全机械补口喷涂机进行补口防腐。补口工艺条件、喷涂过程全部由机械自动完成，完全排除人为因素影响：

由精确计量泵和静态混合器实现和控制涂料的准确配比和高效混合。

采用涂料加热和涂料管路伴热，确保涂料喷涂雾化温度。

喷枪保持与管面恒定距离和垂直角度，涂覆层数、喷枪移动速度预先设定并保持不变，达到最佳涂层品质。

这项技术已在西二线轮-土支干线60km、西气东输三线西段375km实现规模化应用。

防腐层技术优势：

补口质量。对钢的粘接力达到10MPa以上，PE剪切粘接强度达3.5MPa，且粘结性能长期稳定。

腐蚀风险防范。液体聚氨酯补口防腐层对保护电流无屏蔽，属于“失效安全防腐层”（在干燥、干湿交替地带，热缩带补口失效将对阴极保护电流产生屏蔽，形成管体腐蚀风险，需要高昂的修复代价）。

失效监测与处理。 可采用现有地面检测和判别技术确定液体聚氨酯补口防腐层失效（热缩带失效后，通常需要内检测确定补口处外腐蚀或开挖检测确定）。

喷涂补口施工技术优势

聚氨酯补口采用全机械化作业，具有下列优势：

喷涂均匀，补口涂敷质量好，质量控制可靠。

涂料、溶剂等全密闭操作，自动喷涂将工人接触降到了最小。

作业效率高，每天可完成上百道口的喷涂作业（1016mm口径）。

图5  西三西液体聚氨酯自动喷涂补口

技术进展。为了满足D1422大口径管道建设的需要，管道局防腐公司已经完成第二代液体聚氨酯喷涂补口设备的开发，实现全过程机械化作业，喷涂更稳定，无人工辅助作业。

第二代喷涂补口装备的基本技术特点如下：

静止主架式补口机。仅喷涂执行机构旋转，提高喷涂稳定性，全机械作业和遥控操作，并可在坡地作业。

单车机组装备。在1台工程车上，集成了除锈、喷涂设备，适应半自动焊或手工焊跟随作业，可提高人机效能，节约补口造价。

轮式越野补口车。采用越野车底盘，装备小型随车吊、喷砂和喷涂设备，车辆能够自行转场，满足连头等零星补口需要，适应补口作业场点间长距离转移。

图6  第二代喷涂补口作业设备