油气管道现代外补口技术的研究与应用进展

1、油气管道现代外补口技术的研究与应用进展陶志刚1 鲍宇2 赵建国21.北京天然气管道有限公司，北京 102488；2.中国石油管道学院，廊坊 065000摘要：油气管道外防腐层补口是管道防腐系统工程中的重要环节，其质量已成为管道寿命和运行安全的主要制约因素。本文综述了油气管道外防腐层补口技术的研究与应用现状，介绍了管道防腐补口技术的新发展，指出了我国当前补口技术的不足，并预示了补口技术的发展前景。关键词：油气管道；补口；防腐；现状；发展 中图分类号：TE98 文献标识码：A1、引言管道输送是石油、天然气运输的主要方式，具有方便、快捷、成本低等特点。目前，我国有85%的石油和100%的天然气靠管道

2、输送。因此，管道的安全运行就显得特别重要，而管道能否安全运行的一个非常关键的因素就是对管道的腐蚀控制。众所周知，在整个管道防腐施工中，补口是保证管道防腐完整性的重要工艺，一旦补口失效，腐蚀介质会很容易进入，形成腐蚀电池，从而造成补口部位的腐蚀，甚至造成严重的事故发生。据统计，大部分穿孔事故发生在管道焊接缝补口附近，此部位的严重腐蚀事故在国内外屡见不鲜1。因此，要彻底解决管线腐蚀，提高管线使用寿命，就必须有效解决防腐层的补口问题。多年以来，国内外广大科技工作者，在补口材料、补口方法、工艺和技术设备等诸多方面进行不断研究，开发出了许多管道防腐补口的新技术，有力地保障了管道腐蚀的有效控制。管道现场防

3、腐层补口技术的发展是与干线管道防腐层技术的发展相一致的。在过去的半个多世纪当中，管道防腐层经历了一个从石油沥青、环氧煤沥青、煤焦油瓷漆、聚乙烯冷缠胶带等防腐层到今天的高科技聚合物防腐层的演变过程。现代管道工程则强调高性能、高质量的防腐层。如三层聚乙烯（3LPE）、单层熔结环氧粉末（FBE）、双层熔结环氧粉末，近些年又采用多层聚丙烯（MLPP）。在欧洲和中东地区的管道主要采用三层聚乙烯防腐层，在北美等地区则偏重熔结环氧粉末防腐层。近年来，我国许多大中型输油气管线也相继使用了三层PE防腐层和环氧粉末防腐层。现场补口作为整个管道防腐系统的重要环节，它必须完全适用于干线管道防腐层并且与其具有相似的特性

4、，以获得更好的保护效果。所以，与防腐层配套的管道防腐补口技术也经历了沥青热浇涂补口、环氧煤沥青补口、聚乙烯粘胶带补口技术到环氧粉末补口、聚乙烯热收缩材料补口和液体环氧材料补口的发展过程。在近二十年当中，现场补口广泛采用的技术为：聚乙烯热收缩带（套）、熔结环氧粉末（FBE）和液体环氧、液体聚氨酯等补口技术。在近几年当中，国内外又相继开发出了一些新型防腐补口材料和技术，如聚丙烯热收缩套、粘弹体体补口涂料、聚合物网络补口技术2等。这些技术都有着很好的应用发展前景。2、防腐补口技术研究与应用现状随着管道防腐技术的进步，各种新型的材料和涂覆工艺不断涌现，外防腐层补口技术和方式逐渐呈多样化趋势3、4。国内

5、外油气管道补口材料有PE热收缩带(套)、聚丙烯(PP)热收缩带、聚氨酯、无溶剂液态环氧、粘弹体、聚合物网络补口材料等多种形式。由于环保要求和生产实际的需要，石油沥青、煤焦油瓷漆及溶剂型环氧煤沥青等传统补口材料，已经基本退出市场应用，几乎被现代防腐补口材料所取代。2.1 三层聚乙烯防腐层补口现状目前，3PE 管道防腐涂层得到了越来越广泛的应用，国内长输油气管道90%以上采用3PE。3PE管线的补口主要是采用聚乙烯热收缩带（套），无溶剂液体涂料也正在使用。近年来，许多3PE油气管道的补口出现的一系列的问题，使3PE管线的补口技术及其应用效果受到了越来越多的关注。当今，国内外管道补口技术及材料整向着

6、多样化方向发展，国内外陆续开发了一些新型补口材料和新技术，为3LPE管道补口提供了新的选择，并在3PE官道上进行了不同程度的应用。 2.1.1聚乙烯热收缩带（套）补口技术上世纪六十年代聚乙烯交联技术的发展造就了目前采用的热收缩带（套）补口技术，它已经成为今天最常见的管道现场补口技术。聚乙烯热收缩带（套）由辐射交联聚乙烯片材和热熔性胶粘剂组成。施工时将其包覆在补口处均匀加热，内层胶随之熔化，使收缩带紧密地与钢管表面粘接在一起，达到密封防腐作用。新的补口工艺在热收缩带与管体之间涂敷一层双组份环氧底漆，以提高补口段的防腐性和粘结性。但是，热收缩带补口依靠现场人工操作，施工中质量受到环境和人为因素影响

7、较大，在实际调查中发现了不少质量问题，主要表现在热收缩带与主体管道防腐层和钢管粘结不良，剥离强度偏低，甚至脱粘，在管道补口处引起了管道的腐蚀。 针对热收缩带补口存在的问题，管道防腐工作者除了进一步完善技术标准规范、加强补口施工管理外，近两年中也开展了一些技术改进研究5，包括胶黏剂的改进，环氧底漆的研究、表面极化处理、专用机具的研制等。在胶黏剂改进方面，重点是在确保耐温性的同时，提高胶层的施工性能，改善烘烤加工的熔融效果。新研究的补口无溶剂环氧底漆，一方面提高了底漆的防腐性能，另一方面实现了环氧底漆在干膜状态或湿膜状态下安装时都与热收缩带胶层有好的粘结，大大降低了现场补口人工操作的难度。聚乙烯表

8、面的极性处理【6】，是通过在聚乙烯表面的分了链上导人极性基团来提高材料的表面能，并提高表面的粗糙度，消除表面的弱界面层。其作用是使补口涂层与聚乙烯防腐防护层搭接部位要粘接复合紧密，以保证腐蚀介质不会从接缝处渗入。为尽快降低热收缩带施工中的人为影响，补口机具的研究和应用也受到了广泛的重视，如人们开发了利用液化石油气催化燃烧红外加热的热收缩带补口加热机具、移动式中频加热机等机具，使得管道补口各项性能指标均能达到相关标准的技术要求，热效率高，可保证热收缩带冬季补口的质量，避免人工操作对补口质量的影响，提高施工效率。2.1.2无溶剂液体环氧补口技术无溶剂液体环氧涂料是一种双组份快速固化涂料，其特点是固

9、化快，可直接喷涂而无需加热被涂钢管，涂层机械性能好，且涂层间结合力好，与3PE等防腐层也有很强的结合力，不会产生阴极屏蔽。在涂敷作业方式上，无溶剂液体涂料主要采用机械喷涂作业，也可采用手工涂刷。该技术具有环保、安全、经济、高效率、高性能、适应各种环境等优点。2003年施工的阿塞拜疆和格鲁吉亚输油管道工程，在世界上开始较大规模使用液体环氧涂料对3层PE管道进行防腐补口7。国外一些工程实践证明，液态环氧补口可以解决3PE防腐管道采用热收缩带补口所存在的管道安全隐患。2005年12月，在国内输气管道广东LNG站线项目首次引进试用了3PE管道液体环氧补口技术8。该技术在国内成功地用于3个方面：现场补口

10、，防腐厂弯头防腐，定向钻穿越回拖过程中长距离管体PE层严重划伤的抢修。2010年完工的中国石化重点工程 中国石化榆济输气管道工程9，其3层PE管道补口材料选用了EPL2001型无溶剂双组份液体环氧涂料。补口涂层的性能已经达到了SY/T0315-2005的相关要求。随着我国长输管道的快速发展，为节约成本和增加管道的运行寿命，国内管道工程正在逐步推广液态环氧补口技术。2.1.3 液体聚氨酯涂料补口技术在国外，无溶剂聚氨酯液体涂料被认为是和3PE防腐管道匹配性较好的补口涂层之一。聚氨酯液体涂料补口的主要优势在于：一是涂层对阴极保护完全没有屏蔽作用；二是聚氨酯在PE搭接面有良好的粘接，有良好的抗土壤剪

11、切能力；三是涂层和钢管表面粘接牢固，能够长期抵御土壤腐蚀介质的侵蚀；四是在涂敷作业方式上，主要采用机械设备进行喷涂，补口速度快、质量可靠。液体涂料补口的这些优点正对应于聚乙烯热缩材料补口的弱点，因此，国外许多大的石油公司企业都乐于采用液体聚氨酯涂料补口，许多重要管道工程中得到了应用【10】。如：撒拉哈天然气管道工程、巴库一第比利斯一杰伊汗原油管线工程、巴库一第比利斯一杰伊汗原油管线工程等。据统计，仅到2011年，液体聚氨酯涂料在管道防腐补口的用量已达到二百多万个。目前，液体聚氨酯补口在3PE管线已得到广泛许可，是目前补口主流技术之一， 其中3PE防腐管线液体聚氨酯补口主要是在欧洲、中东和非洲以

12、及俄罗斯。2011年，中国石油管道局已经联合管线补口专业公司 英国PIH 公司、聚氨酯补口涂料生产商英国Spencer公司等外国公司，在我国首次应用液态聚氨酯补口技术，在轮南至吐鲁番管道工程完成补口5081道，一次合格率达100%。2012年11月12日，我国西气东输三线西段工程一标段防腐补口施工主体完工，采用我国自主研发的液体聚氨酯材料补口，质量合格率为100%。至此，由管道局防腐公司研发的液体聚氨酯补口技术实现规模应用并取得初步成果。2.1.4粘弹体、聚合物网络补口技术粘弹性是指塑料对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性11。利用部分高聚物材料的粘弹性制成粘弹体防腐材料，兼有类似PE

13、的固体特性和液体的一些特性，因此表现出良好的粘结性能和抗蠕变性能，损坏时具有一定程度的自愈合能力，可用于3LPE管道补口和异型管件的防腐。国内青海油田仙翼输气管道、西气东输一线部分站场管道曾采用粘弹体技术进行防腐层修复 。自愈合粘弹体补口已经在大型管道工程中成功应用，如荷兰48 英寸纵贯南北的天然气管道，沙特阿拉伯60 英寸天然气管道，罗马尼亚24英寸天然气管道，中国华北某条32英寸原油管道。粘弹体补口也已经在海底管道上采用。聚合物网络涂层(PNC)是3M 公司专为三层涂层系统管道开发的一种聚烯烃补口材料【12】，其含有聚烯烃和环氧树脂成分，两种组分的协同效应使其比组分单一的补口材料具有更优良

14、的性能。同时，PNC具有极强的化学反应性能，可在不使用粘结剂的情况下，直接应用于FBE和聚烯烃表面，并通过化学反应实现粘结，有效增加了涂层的可靠性。PNC补口技术的优势在于：能够直接粘附在熔结环氧（FBE）底漆或聚烯烃的面层上，不需要额外的粘结剂；具备优良的防腐和抗机械损伤性能；适于很宽的操作温度范围和所有水深海域；现场补口操作容易、速度快，自动化程度高，而且对操作人员的技能水平要求比较低。这为施工环境特别恶劣的海洋管道等提供了一种全新的现场补口技术。2.2熔结环氧粉末防腐层补口现状 进入80年代以后，随着熔结环氧这种新型防腐涂料应用于管道的防腐，带动了补口工艺、设备和材料的探索和发展。目前国

15、内外用于熔结环氧埋地管道的外补口技术有多种。对于熔结环氧粉末防腐管道，优先选用的现场补口防腐涂料就是熔结环氧粉末本身。其现场涂敷工艺与工厂预制工艺基本相同。即现场喷砂除锈、静电加热喷涂。主要优点是熔结好，与钢管粘结力强，与管体涂层兼容性好；缺点是补口时对现场机具要求高，工艺控制非常严格，对环境和气候特别敏感，实际施工中影响因素很多，质量难以保证。此技术国外应用较多，而国内有一定数量的使用, 主要用于河流穿、跨越管段的补口。 热收缩套补口用于熔结环氧粉末防腐层管道，具有施工设备简单，养护时间短等特点。但是对表面处理相对较严，易产生阴极保护屏蔽，最重要的是与管体涂层的相容性差。由于环氧粉末涂层、钢

16、管、热收缩套胶层和热收缩套聚乙烯层的膨胀系数不同，所以，即使热收缩套施工质量很好，也会随着管道使用年限的增加、冬夏的交替，使热收缩套和环氧粉末涂层产生分离，尤其是热收缩套的边缘处。 双组分液体环氧涂料用于熔结环氧粉末防腐层补口备受防腐工程师的青睐。现代液体环氧类涂料的性能可以与工厂预制的熔结环氧粉末防腐层媲美，具有很好的黏结强度和抗化学腐蚀性，有着良好的抗阴极剥离性，不会产生阴极保护屏蔽。新工艺不仅广泛适用于单层环氧粉末、双层环氧粉末防腐层补口，而且可用于2PE、3PE、钢管黄夹克等防腐涂层的补口。缺点是在管道补口施工时，受环境和操作人员的熟练程度影响较大，特别是冬季施工应注意，因易产生漏点。

17、董振丰134等对我国库一鄯线、涿州石家庄输气管道熔结环氧粉末防腐层的补口技术进行比较：从补口质量和造价上来看，在环境条件允许的情况下，可优先考虑采用无溶剂液态环氧涂料补口方式；在冬季或施工期要求紧的情况下，可优先考虑采用三层结构热收缩套补口方式。刘雅军14对常用补口材料的进行了研究。单层FBE防腐层补口优化选材：熔结环氧喷涂FBE，优化分数S=O95；液态环氧和聚氨酯涂料，优化分数均为S=O90；热收缩带（套）：优化分数S=O65075)。对双层FBF防腐层补口优化选材：无溶剂液体环氧涂料的分数达到S=O90，热收缩带（套） 分数S=O65O75)，焦油聚氨酯分数S=O60。2.3三层聚丙烯防

18、腐层补口现状经过多年的研究，人们已经认识到多层聚丙烯（MLPP）防腐系统具有超过三层聚乙烯和单层熔结环氧粉末的许多优点12。许多设计人员和管道业主特别青睐多层聚丙烯防腐层系统特有的耐热性能、耐化学性能和抗机械损伤性能。但是，多层聚丙烯防腐层受到现场焊缝防腐层补口技术的限制。故开始只有少数性能要求特别高的管道工程上采用了多层聚丙烯的防腐层。 2001年，加拿大Canusa-CPS公司首先推出其享有专利权的聚丙烯热缩套补口技术，解决了聚丙烯防腐层的补口难题。GTS-PP聚丙烯热缩套系列设计采用独特的交联聚丙烯基膜和改性聚丙烯粘接剂。在施工时，先要用感应加热设备预热管段焊缝预留部位和受力固化底漆，然

19、后按常规热收缩套施工技术安装聚丙烯热收缩套。GTS-PP聚丙烯热缩套具有极好的附着力和卓越的防腐性能，具有安装简单，施工方便的特点。这种新型聚丙烯热收缩套，既适合于三层聚乙烯和多层聚丙烯涂层管道补口，又适合于熔结环氧粉末防腐层管道的补口。在巴西的瓜拉纳湾三层聚乙烯防腐管道上已成功使用了聚丙烯热收缩套。随后，英国等国家也相继开发了3LPP补口技术。国内中海石油文昌油田海底管道管道防腐层补口15，采用“聚丙烯热熔胶及外层辐射交联聚丙烯结构”，完全满足技术规格的要求。开创了国内海底管道3LPP 防腐的先河。2008年12月，从阿尔及利亚到西班牙全长210 km的穿越地中海的24英寸天然气管道按期完成

20、全线竣工，现场补口都采用三层聚丙烯热缩套，确保了补口防腐层符合相应的性能标准要求。过去十年间，高性能三层聚丙烯（3LPP）防腐层系统在近海管道项目的用量已经明显增多12。同时，与之对应的聚丙烯热收缩套补口技术也得到了快速发展。今天，加拿大Canusa公司已经开发出了性能更好的GTS系列热缩套，是目前适用于三层聚乙烯、熔结环氧粉末和三层聚丙烯防腐管道补口最先进的产品。GTS聚丙烯热缩套系列已经成为世界许多近海聚丙烯防腐管道主要的补口材料。3、管道防腐补口技术发展趋势近年来，国内外在管道防腐技术的研究与应用发展很快。然而对于补口技术来讲,现有的方式方法并不能完全满足当前管道建设的需要，仍有很大的发

21、展空间。所以，要进一步深入研究补口新材料、新工艺和新的技术设备，使管道防腐补口技术向着材料节能环保、工艺简单、设备自动化方向发展。3.1 研发新的防腐补口材料如何正确选择技术可靠、经济合理、优质的补口新材料，从而避免工程设计与施工中的盲目性是当前急需攻关的难题。当今社会提倡绿色环保材料的应用，而目前使用的补口材料的开发和施工中还远远没有达到标准，所以今后的绿色环保性型补口材料与施工工艺仍然是任重道远。根据液体聚氨酯补口技术的工程应用和测试研究，管线防腐补口的发展趋势是采用液体聚氨酯或环氧改性液体聚氨酯。所以，加强管道防腐专用高性能液体聚氨酯涂料的研制，实现我国高性能聚氨酯涂料国产化是目前我国补

22、口技术研究的重要任务热收缩带（套）补口仍是管道防腐补口技术的主流，应针对热收缩带（套）补口存在的问题，积极进行研究改进。如：提高环氧底漆、胶黏剂对管道表面和收缩带的粘结性，增强环氧底漆、胶黏剂的防腐性、耐温性以及施工性能；对热收缩材料，增强粘结性，减少阴极保护电流屏蔽等。研发性能好，工艺简单、质量可靠、使用周期长的防腐补口材料。有人正在开发一种新型热收缩套，该热收缩套施工对管道表面处理要求低，不需要对管口进行预热，施工质量容易控制，轻微机械损伤可自我修复，并且已经取得了一定的成效。利用纳米技术对有机涂层防腐材料进行改性，可有效增加材料的机械强度、硬度、附着力，提高耐光性、耐老化性、耐候性等。通

23、过向材料中加入一些颗粒很小的纳米粒子，能增加材料的密封性，达到更好的防水、防腐效果。当前已有一些通过纳米技术对防腐材料进行改性的技术获得了专利，在市场上也已有这样的防腐材料出现。可以肯定，纳米技术应用于管道防腐补口材料，具有极大的发展前景。3.2实现补口技术的自动化当前管道防腐补口技术大都是采用手工和半自动化作业，如何改进补口工艺，研制出全自动化防腐补口施工装置，提高工作质量和工作效率，是当今防腐补口研究的重点内容。补口机器人的研制为补口技术的全自动化开了先河，在补口质量，补口速度上都占有很大优势，并且适于各种复杂环境，国内外许多单位都不同程度地在研制和试用补口机器人进行防腐补口作业，并且取得

24、了很好的效果。如芬兰KWH Pipe管道技术公司与Borealis公司合作研制的Wehocoat 补口机器人12，在现场作业具有较高的自动化程度，适于聚乙烯防腐层的管道补口。在2012年12 月，中石油的 “管道3LPE 机械化补口技术及装备研制”在广南支干线顺利通过3 公里现场试验并通过专家组验收。机械化补口工作站的研究，是管道建设从人力密集型产业向技术创新型转变的必然选择。机械化补口工作站是一个补口工作系统，它集管道防腐系统、机械系统、检测系统和自动化控制系统为一体，实现现场管道防腐补口的全自动化，全面提升补口的质量和效率。中国石油在西三线开展机械喷涂液体聚氨酯补口、中频加热辅助热收缩带安

25、装工业规模应用和BK-1型机械化补口工作站试验。这些新技术将有效保证补口防腐层的一致性和可靠性，填补我国管道建设在这一领域的空白。随着科技发展，管道防腐补口技术的自动化程度将会越来越高。3.3强化补口检测与评价补口的检测与评价是补口质量的重要保证，要积极开展补口检测技术的检测与评价研究。进一步深入研究补口设计及施工标准，重新审视以往国家、行业标准中的相关参数，完善各项技术要求和实施条件。研究和建立对于补口质量有重要影响参数的自动化检测系统，提高非破坏性检测的精度和连续性，避免人工检测不能及时发现问题的缺陷。在防腐补口施工中实行标准化作业，并加强施工过程中监理方的职责，强化补口质量的过程管理，实

26、行全过程、全方位的质量检验。建立科学的补口涂层性能比选体系，根据工程中管线沿线的土壤电阻率、环境情况、管线操作温度等参数，选择合适的补口涂层和补口技术。对在役管道的补口质量进行跟踪测试研究，取得补口效果的一手数据材料，通过研究设计，逐步形成防腐补口效果长效在役监测机制。 4、结束语输油气管道中现在常用的几种补口技术各有优缺点。在补口工程中应根据技术可靠、经济合理、因地制宜的原则进行选择。尽管我国在补口技术方面取得了显著成绩和进步，但是，和国外的先进补口技术相比，我们在补口材料、工艺设备以及检测技术等方面还有些差距。所以，随着我国管道建设的飞速发展，加强管道补口涂层质量控制及与补口涂层相关的新材

27、料和新技术方面的研发工作，仍然是我国管道防腐技术研究的主攻方向。参考文献1 陈洪源、刘玲莉等，三层PE 管道热收缩带失效原因J腐蚀与防护，2010，31(2)：154-157.2吴淑贞，马金濮.管道防腐补口技术进展及施工要求J.石油与化工设备，2010，13（3）：39-41.3吴艳阳，郭武生，陈开勋.埋地钢质管道补口材料的选择J.全面腐蚀控制，2003,17（3）：31-34.4古小平，龙东，邱永波，等.油气管道外防腐补口技术研究综述J.腐蚀与防护，2009（4）：261-264.5 张其滨，刘金霞，赤连建峰.管道3LPE防腐层技术的研究与应用进展J.石油工程建设，2010,36（3）：1-

28、5.6 陈守平，莫荣，吴迪.防腐及保温管道补口涂层与聚乙烯防腐层搭接处的表面处理技术研究J. 防腐保温技术，2007，15（2）：11-13.7 孙庆峰.3PE管道的防腐补口方式J.油气储运, 2011(4): 305-307.8 任立元，史航.聚乙烯外防腐管线液体环氧涂料补口技术应用J.材料保护，2007,41（1）:62-64.9 魏强邦. 3PE管道液体环氧补口技术及其在榆济管线中的应用J.腐蚀与防护, 2012(11): 1008-1010.10 廖宇平,刘毅，李小鹏.液体聚氨酯涂料补口技术研究J.油气储运，2011,19(3):11-19.11 张玉志，邵建，陈洪源，等.国内外管道外防腐层应用现状与发展趋势J.油气储运，2011，30（11）：845-847.12 王向农.管道现场焊缝补口技术进展EB/OL. 13 董振丰，赵常英.埋地钢质管道熔结环氧粉末外防腐层补口方法比较J.管道技术与设备 2002(3):30-32.14 刘雅军. 油气管道环焊缝防腐涂装技术研究D.天津：天津大学，2004：25-27.15 吕喜军，相证乐，刘海超等.3LPP 防腐层在海底管道的应用研究J. 石油工程建设，2010,36（6）：15-19.Progress in Research and Application of Modern Jo