朱琳，白樹彬，徐昌學(xué)，鐘婷，張國(guó)棟，何嵐

（中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊065000）

熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)在長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)上的應(yīng)用

朱琳，白樹彬，徐昌學(xué)，鐘婷，張國(guó)棟，何嵐

（中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊065000）

熱收縮帶補(bǔ)口施工質(zhì)量影響著補(bǔ)口的長(zhǎng)期可靠性，針對(duì)手工補(bǔ)口存在施工困難、補(bǔ)口質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，開發(fā)了機(jī)械化補(bǔ)口裝備。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，開發(fā)的機(jī)械化補(bǔ)口裝備能完成噴砂、預(yù)熱、收縮到回火等工序的機(jī)械化操作，有效保證了熱收縮帶作為3LPE補(bǔ)口材料的安裝質(zhì)量。

熱收縮帶；補(bǔ)口；機(jī)械化；3LPE

隨著國(guó)內(nèi)油氣管道的大規(guī)模建設(shè)以及西氣東輸一線、陜京線、忠武線等重大管道工程的長(zhǎng)期運(yùn)行，油氣管道的防腐蝕問題逐漸凸顯。尤其大口徑、高壓輸氣管道的3LPE防腐蝕補(bǔ)口問題，已經(jīng)成為整個(gè)防腐蝕體系中的短板，制約著管道的安全運(yùn)行和使用壽命［1］。

國(guó)內(nèi)管道補(bǔ)口材料種類較少，熱收縮材料是國(guó)內(nèi)埋地鋼質(zhì)管道外防腐蝕層補(bǔ)口的首選材料。近年來通過對(duì)國(guó)內(nèi)在役管道熱收縮帶補(bǔ)口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查［2］，發(fā)現(xiàn)熱收縮帶補(bǔ)口失效問題較為嚴(yán)重。本工作針對(duì)這一問題，介紹了熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)，以期為其在長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)上的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。

1 熱收縮帶手工補(bǔ)口技術(shù)

目前，我國(guó)熱收縮帶防腐蝕補(bǔ)口的施工主要采用手工補(bǔ)口。其基本流程主要是使用手持開放式噴砂裝置對(duì)管口進(jìn)行表面處理，手工進(jìn)行搭接區(qū)聚乙烯拉毛處理，火焰預(yù)熱，手工涂裝底漆，火焰安裝熱收縮帶（收縮過程），火焰回火。其缺點(diǎn)是砂料飛濺影響環(huán)境，勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量控制依靠操作人員的技術(shù)和耐心，在6點(diǎn)和12點(diǎn)處噴砂質(zhì)量難以保證，尤其是大口徑管道補(bǔ)口更加凸顯這一問題。同時(shí)，搭接區(qū)聚乙烯處理需要用火焰加熱，鋼絲刷拉毛，這種方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且處理不均勻，難以保證每道口的處理質(zhì)量。熱量的供給方式仍然較多地采用手工火焰烘烤方式，此方式存在加熱溫度不精準(zhǔn)、烘烤不均勻，易引起鋼管表面返銹和積碳［3-5］，不能保證熱熔膠充分熔融等問題。總體來說，手工補(bǔ)口操作對(duì)人員的熟練程度和施工技術(shù)有著很高的要求，在管徑較大時(shí)，使用手持式裝備進(jìn)行操作將給補(bǔ)口質(zhì)量安全埋下隱患。

2 熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)

隨著管道口徑的增加，手工補(bǔ)口存在的不足逐漸凸顯，開發(fā)機(jī)械化的補(bǔ)口方式成為必然的選擇。

通過研究熱收縮帶材料性能和施工技術(shù)特點(diǎn)，研究人員開發(fā)出了熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)。該技術(shù)以專用于熱收縮帶補(bǔ)口的機(jī)械化裝備為基礎(chǔ)結(jié)合相應(yīng)的施工工藝完成補(bǔ)口作業(yè)。該裝備由密閉噴砂裝備、中頻加熱設(shè)備、紅外加熱裝備及配套的動(dòng)力、行走裝備組成。具有補(bǔ)口質(zhì)量穩(wěn)定、粘結(jié)可靠、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、人為因素影響小等優(yōu)勢(shì)。

2.1 表面處理

自動(dòng)化的噴砂技術(shù)是解決手工噴砂除銹缺點(diǎn)的關(guān)鍵。當(dāng)磨料可以全方位、均勻、連續(xù)地處理整個(gè)補(bǔ)口部位時(shí)，補(bǔ)口區(qū)表面處理質(zhì)量將大幅度提升，處理效果可控、可靠。

基于以上思路，開發(fā)出密閉除銹技術(shù)以彌補(bǔ)手工除銹的不足。密閉除銹技術(shù)是在噴砂槍口外圍增加回收套管和環(huán)形尼龍刷，利用真空泵提供的負(fù)壓將噴出的磨料和除銹后的粉塵實(shí)時(shí)回收至分離裝置中，將粉塵與磨料分離，磨料重新進(jìn)入砂罐循環(huán)使用。環(huán)形尼龍刷緊貼管口表面防止了磨料飛濺，尼龍刷隨噴槍移動(dòng)可對(duì)補(bǔ)口區(qū)域殘余的粉塵起到清掃作用。配合以行走槍架，可以實(shí)現(xiàn)噴砂除銹過程的自動(dòng)化和相對(duì)密閉，見圖1。

密閉除銹技術(shù)的載體是密閉自動(dòng)除銹裝備。該裝備在除銹的同時(shí)，可將噴出的磨料進(jìn)行自動(dòng)回收、分離、再利用，實(shí)現(xiàn)磨料密閉循環(huán)使用的同時(shí)減少了環(huán)境壓力。此外，經(jīng)過磨料篩選，減慢磨料粉化過程，再經(jīng)噴頭刷清掃，噴砂處理的管體表面清潔度較高。采用噴槍周向全覆蓋、自動(dòng)運(yùn)行設(shè)計(jì)，確保了補(bǔ)口部位6點(diǎn)、12點(diǎn)等關(guān)鍵位置噴砂處理水平與其他部位相同。密閉自動(dòng)噴砂除銹能確保管口處理的一致性、可靠性，在保證質(zhì)量的同時(shí)，最大程度地減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝備的主要技術(shù)參數(shù)為：除銹速率0～33 mm／s；除銹寬度300～600 mm；除銹等級(jí)Sa2.5。

2.2 熱收縮帶粘接

根據(jù)補(bǔ)口失效情況的調(diào)查，熱收縮帶補(bǔ)口的成敗關(guān)鍵在于三個(gè)界面即底漆與聚乙烯、底漆與熱熔膠、熱熔膠與聚乙烯的粘接是否成功。

底漆與聚乙烯之間的粘接通常采用極化處理的方式（火焰極化、電暈極化、等離子極化等）在聚乙烯表面增加極性基團(tuán)的同時(shí)增加聚乙烯對(duì)環(huán)氧的潤(rùn)濕程度以提高粘接強(qiáng)度［6］。

底漆與熱熔膠之間的黏接取決于兩種體系之間的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，環(huán)氧底漆體系在60℃左右可以快速反應(yīng)，而熱熔膠中的含羧基組分與底漆中的環(huán)氧組分在120℃時(shí)反應(yīng)才快速進(jìn)行。當(dāng)溫度低于120℃，底漆迅速發(fā)生反應(yīng)完成固化，而熱熔膠與底漆的反應(yīng)速率則非常慢。這也導(dǎo)致了底漆表干后，熱熔膠與底漆之間的粘接更多的是以氫鍵形式表現(xiàn)的物理粘接。

熱熔膠與聚乙烯之間的粘接取決于粘接時(shí)兩種材料的狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，國(guó)內(nèi)使用的熱收縮帶的熱熔膠的熔融溫度多在120℃以下。3LPE防腐蝕管使用的聚乙烯的熔晶峰值溫度接近140℃左右。如果熱熔膠和聚乙烯之間要形成良好的粘接，則要使二者同時(shí)達(dá)到熔融狀態(tài)，因此，粘接溫度應(yīng)在聚乙烯的熔晶峰值溫度以上，并且保證足夠的反應(yīng)時(shí)間。

2.3 加熱方式

熱收縮帶補(bǔ)口的關(guān)鍵在于施工時(shí)的粘接溫度，尤其是搭接區(qū)的粘結(jié)溫度。然而，由于搭接區(qū)存在原有防腐層即聚乙烯層，如何保證搭接區(qū)域可以獲得足夠的溫度成為補(bǔ)口施工的關(guān)鍵。

單獨(dú)的外部加熱或者單獨(dú)的內(nèi)部加熱都存在風(fēng)險(xiǎn)，不能很好地完成補(bǔ)口工作。故而內(nèi)外結(jié)合的加熱方式成為補(bǔ)口加熱的必然選擇。在搭接區(qū)熱量供給上既防止了局部過熱又避免了熱量不足。

使用中頻作為內(nèi)部傳熱手段是加熱方式機(jī)械化的普遍選擇［7-10］，中頻裝置可快速高效地對(duì)管體進(jìn)行加熱，不存在對(duì)除銹后補(bǔ)口區(qū)域的污染，且有效保證了預(yù)熱溫度均勻、一致。開發(fā)的熱收縮帶補(bǔ)口專用中頻裝備與以往中頻設(shè)備相比，采用先進(jìn)的重復(fù)啟動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了理想的軟啟動(dòng)，控制電路采用了微電腦恒功率處理電路系統(tǒng)，加裝了逆變角自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，采用溫度報(bào)警和計(jì)時(shí)報(bào)警雙系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)，控制系統(tǒng)采用手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩套操作方式，控制電路具有多項(xiàng)保護(hù)功能，設(shè)備能自動(dòng)判斷三相進(jìn)線相序。該裝備的主要技術(shù)參數(shù)為：輸出頻率3 000～6 000 Hz；額定輸出功率70 kW；額定輸出下的輸入功率83 kW。

在低于2 000℃的常規(guī)工業(yè)熱工范圍內(nèi)，紅外線是最主要的熱射線。聚乙烯熱收縮帶屬于高分子塑料制品，對(duì)于紅外線熱輻射能量吸收敏感性強(qiáng)，吸收率較高［11］。熱收縮帶的紅外吸收波長(zhǎng)范圍很廣，對(duì)紅外線吸收率可達(dá)90％以上，可形成對(duì)聚乙烯熱收縮帶的高效加熱并使其收縮。因此確定了紅外線加熱的方式來實(shí)現(xiàn)外部均勻穩(wěn)定高效的加熱。本工作中，紅外加熱裝備為采用電熱式紅外線陶瓷輻射器的紅外加熱補(bǔ)口專用裝備，由紅外加熱器、液壓開合抓斗、溫度測(cè)量探頭和程序控制裝置組成［12］。該裝備在程序控制下，可以分段、分時(shí)控制熱量輸出，以梯度能量形式，模擬補(bǔ)口工藝過程，完成熱收縮帶收縮、回火等作業(yè)；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了過程參數(shù)自動(dòng)存儲(chǔ)，可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)。該裝備的主要技術(shù)參數(shù)為：功率80 kW；熱效率60％～70％。

2.4 動(dòng)力和行走裝置

動(dòng)力裝置選用符合工作需求的供電裝置。行走裝置一般采用帶有吊臂的履帶車作為工作平臺(tái)，其具有通過性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成熟等特點(diǎn)。

2.5 工藝流程

機(jī)械化補(bǔ)口作業(yè)以機(jī)械化的設(shè)備為基礎(chǔ)，配套工藝作為完成補(bǔ)口作業(yè)的施工方式。其基本流程如圖2所示。整體工藝流程以分別配置了密閉自動(dòng)除銹裝備、中頻加熱裝備和紅外加熱裝備的工程車為依托展開多工位流水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了表面處理、預(yù)熱、收縮、回火等工序的機(jī)械化作業(yè)。

3 補(bǔ)口技術(shù)對(duì)比

以往使用機(jī)械設(shè)備的熱收縮帶補(bǔ)口技術(shù)多采用中頻裝置保證預(yù)熱和回火效果。而本工作中所介紹的熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)除保證預(yù)熱和回火效果外，也排除了表面處理和收縮過程中的人為因素，最大程度地實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)口工藝施工過程的機(jī)械化。該技術(shù)投入使用數(shù)年，截至目前沒有失效案例報(bào)道。我國(guó)東部某手工補(bǔ)口失效案例中，單口開挖修復(fù)費(fèi)用超萬(wàn)元。機(jī)械化補(bǔ)口與手工補(bǔ)口施工相比雖成本略有增加，但憑借其可靠的補(bǔ)口質(zhì)量，開挖修復(fù)周期遠(yuǎn)長(zhǎng)于不可控因素引起的早期失效補(bǔ)口。從這個(gè)角度看，機(jī)械化補(bǔ)口施工的投入將有效節(jié)省后期運(yùn)營(yíng)成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)首次提出了密閉自動(dòng)除銹、中頻加熱、紅外加熱相配合的機(jī)械化補(bǔ)口流水作業(yè)方式的熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)，保證了表面處理、預(yù)熱、收縮、回火等質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)的可控性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，三臺(tái)設(shè)備緊密配合流水作業(yè)。多工位流水作業(yè)每小時(shí)可以補(bǔ)口4～5道。目前熱收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)已經(jīng)在西氣東輸三線等工程中成功應(yīng)用。應(yīng)用的地點(diǎn)和氣候包括山區(qū)多雨、高溫潮濕、高溫干燥地區(qū)。從應(yīng)用的效果上看，補(bǔ)口的質(zhì)量完全滿足工程要求，補(bǔ)口效率完全滿足工程進(jìn)度的需求，且最大程度減少了人為因素的影響，保證了管道熱收縮帶補(bǔ)口質(zhì)量。收縮帶機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用將我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道的熱收縮帶補(bǔ)口技術(shù)水平提升到了新的高度。

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Application of HSS Installation with Machinery to Oil and Gas Pipeline Construction

ZHU Lin，BAI Shu-bin，XU Chang-xue，ZHONG Ting，ZHANG Guo-dong，HE Lan（China Petroleum Pipeline Research Institute，Langfang 065000，China）

Installation quality for heat shrinkable sleeve（HSS）affects the long-term reliability of field joint coating（FJC）.Since the manual FJC has the problems of difficult construction and unstable quality，F(xiàn)JC installation machinery was developed.The results from practice showed that the FJCinstallation machinery could accomplish the automation for blast cleaning，preheating，shrinking and post heating，which effectively guarantees the installation quality of the HSSas FJC material for 3LPE.

heat shrinkable sleeve（HSS）；field joint coating（FJC）；mechanized；3LPE

TG174

：B

：1005-748X（2016）11-0929-03

10.11973／fsyfh-201611016

2015-08-20

朱琳（1983－），工程師，碩士，從事管道防腐領(lǐng)域的研究，15903161840，captain＿1110＠163.com