热收缩带机械化补口技术在长输油气管道建设上的应用

朱琳，白树彬，徐昌学，钟婷，张国栋，何岚

（中国石油天然气管道科学研究院，廊坊065000）

热收缩带机械化补口技术在长输油气管道建设上的应用

朱琳，白树彬，徐昌学，钟婷，张国栋，何岚

（中国石油天然气管道科学研究院，廊坊065000）

热收缩带补口施工质量影响着补口的长期可靠性，针对手工补口存在施工困难、补口质量不稳定等问题，开发了机械化补口装备。实践经验表明，开发的机械化补口装备能完成喷砂、预热、收缩到回火等工序的机械化操作，有效保证了热收缩带作为3LPE补口材料的安装质量。

热收缩带；补口；机械化；3LPE

随着国内油气管道的大规模建设以及西气东输一线、陕京线、忠武线等重大管道工程的长期运行，油气管道的防腐蚀问题逐渐凸显。尤其大口径、高压输气管道的3LPE防腐蚀补口问题，已经成为整个防腐蚀体系中的短板，制约着管道的安全运行和使用寿命［1］。

国内管道补口材料种类较少，热收缩材料是国内埋地钢质管道外防腐蚀层补口的首选材料。近年来通过对国内在役管道热收缩带补口进行现场调查［2］，发现热收缩带补口失效问题较为严重。本工作针对这一问题，介绍了热收缩带机械化补口技术，以期为其在长输油气管道建设上的应用提供实践依据。

1 热收缩带手工补口技术

目前，我国热收缩带防腐蚀补口的施工主要采用手工补口。其基本流程主要是使用手持开放式喷砂装置对管口进行表面处理，手工进行搭接区聚乙烯拉毛处理，火焰预热，手工涂装底漆，火焰安装热收缩带（收缩过程），火焰回火。其缺点是砂料飞溅影响环境，劳动强度大，质量控制依靠操作人员的技术和耐心，在6点和12点处喷砂质量难以保证，尤其是大口径管道补口更加凸显这一问题。同时，搭接区聚乙烯处理需要用火焰加热，钢丝刷拉毛，这种方式不仅劳动强度高，而且处理不均匀，难以保证每道口的处理质量。热量的供给方式仍然较多地采用手工火焰烘烤方式，此方式存在加热温度不精准、烘烤不均匀，易引起钢管表面返锈和积碳［3-5］，不能保证热熔胶充分熔融等问题。总体来说，手工补口操作对人员的熟练程度和施工技术有着很高的要求，在管径较大时，使用手持式装备进行操作将给补口质量安全埋下隐患。

2 热收缩带机械化补口技术

随着管道口径的增加，手工补口存在的不足逐渐凸显，开发机械化的补口方式成为必然的选择。

通过研究热收缩带材料性能和施工技术特点，研究人员开发出了热收缩带机械化补口技术。该技术以专用于热收缩带补口的机械化装备为基础结合相应的施工工艺完成补口作业。该装备由密闭喷砂装备、中频加热设备、红外加热装备及配套的动力、行走装备组成。具有补口质量稳定、粘结可靠、工人劳动强度低、人为因素影响小等优势。

2.1 表面处理

自动化的喷砂技术是解决手工喷砂除锈缺点的关键。当磨料可以全方位、均匀、连续地处理整个补口部位时，补口区表面处理质量将大幅度提升，处理效果可控、可靠。

基于以上思路，开发出密闭除锈技术以弥补手工除锈的不足。密闭除锈技术是在喷砂枪口外围增加回收套管和环形尼龙刷，利用真空泵提供的负压将喷出的磨料和除锈后的粉尘实时回收至分离装置中，将粉尘与磨料分离，磨料重新进入砂罐循环使用。环形尼龙刷紧贴管口表面防止了磨料飞溅，尼龙刷随喷枪移动可对补口区域残余的粉尘起到清扫作用。配合以行走枪架，可以实现喷砂除锈过程的自动化和相对密闭，见图1。

密闭除锈技术的载体是密闭自动除锈装备。该装备在除锈的同时，可将喷出的磨料进行自动回收、分离、再利用，实现磨料密闭循环使用的同时减少了环境压力。此外，经过磨料筛选，减慢磨料粉化过程，再经喷头刷清扫，喷砂处理的管体表面清洁度较高。采用喷枪周向全覆盖、自动运行设计，确保了补口部位6点、12点等关键位置喷砂处理水平与其他部位相同。密闭自动喷砂除锈能确保管口处理的一致性、可靠性，在保证质量的同时，最大程度地减轻操作人员的劳动强度。该装备的主要技术参数为：除锈速率0～33 mm／s；除锈宽度300～600 mm；除锈等级Sa2.5。

2.2 热收缩带粘接

根据补口失效情况的调查，热收缩带补口的成败关键在于三个界面即底漆与聚乙烯、底漆与热熔胶、热熔胶与聚乙烯的粘接是否成功。

底漆与聚乙烯之间的粘接通常采用极化处理的方式（火焰极化、电晕极化、等离子极化等）在聚乙烯表面增加极性基团的同时增加聚乙烯对环氧的润湿程度以提高粘接强度［6］。

底漆与热熔胶之间的黏接取决于两种体系之间的反应温度和反应时间。根据试验结果，环氧底漆体系在60℃左右可以快速反应，而热熔胶中的含羧基组分与底漆中的环氧组分在120℃时反应才快速进行。当温度低于120℃，底漆迅速发生反应完成固化，而热熔胶与底漆的反应速率则非常慢。这也导致了底漆表干后，热熔胶与底漆之间的粘接更多的是以氢键形式表现的物理粘接。

热熔胶与聚乙烯之间的粘接取决于粘接时两种材料的状态。经测试，国内使用的热收缩带的热熔胶的熔融温度多在120℃以下。3LPE防腐蚀管使用的聚乙烯的熔晶峰值温度接近140℃左右。如果热熔胶和聚乙烯之间要形成良好的粘接，则要使二者同时达到熔融状态，因此，粘接温度应在聚乙烯的熔晶峰值温度以上，并且保证足够的反应时间。

2.3 加热方式

热收缩带补口的关键在于施工时的粘接温度，尤其是搭接区的粘结温度。然而，由于搭接区存在原有防腐层即聚乙烯层，如何保证搭接区域可以获得足够的温度成为补口施工的关键。

单独的外部加热或者单独的内部加热都存在风险，不能很好地完成补口工作。故而内外结合的加热方式成为补口加热的必然选择。在搭接区热量供给上既防止了局部过热又避免了热量不足。

使用中频作为内部传热手段是加热方式机械化的普遍选择［7-10］，中频装置可快速高效地对管体进行加热，不存在对除锈后补口区域的污染，且有效保证了预热温度均匀、一致。开发的热收缩带补口专用中频装备与以往中频设备相比，采用先进的重复启动功能，实现了理想的软启动，控制电路采用了微电脑恒功率处理电路系统，加装了逆变角自动调节电路，采用温度报警和计时报警双系统，可实时监控参数，控制系统采用手动控制和自动控制两套操作方式，控制电路具有多项保护功能，设备能自动判断三相进线相序。该装备的主要技术参数为：输出频率3 000～6 000 Hz；额定输出功率70 kW；额定输出下的输入功率83 kW。

在低于2 000℃的常规工业热工范围内，红外线是最主要的热射线。聚乙烯热收缩带属于高分子塑料制品，对于红外线热辐射能量吸收敏感性强，吸收率较高［11］。热收缩带的红外吸收波长范围很广，对红外线吸收率可达90％以上，可形成对聚乙烯热收缩带的高效加热并使其收缩。因此确定了红外线加热的方式来实现外部均匀稳定高效的加热。本工作中，红外加热装备为采用电热式红外线陶瓷辐射器的红外加热补口专用装备，由红外加热器、液压开合抓斗、温度测量探头和程序控制装置组成［12］。该装备在程序控制下，可以分段、分时控制热量输出，以梯度能量形式，模拟补口工艺过程，完成热收缩带收缩、回火等作业；同时，实现了过程参数自动存储，可进行历史数据再现。该装备的主要技术参数为：功率80 kW；热效率60％～70％。

2.4 动力和行走装置

动力装置选用符合工作需求的供电装置。行走装置一般采用带有吊臂的履带车作为工作平台，其具有通过性能好，结构稳定成熟等特点。

2.5 工艺流程

机械化补口作业以机械化的设备为基础，配套工艺作为完成补口作业的施工方式。其基本流程如图2所示。整体工艺流程以分别配置了密闭自动除锈装备、中频加热装备和红外加热装备的工程车为依托展开多工位流水作业，实现了表面处理、预热、收缩、回火等工序的机械化作业。

3 补口技术对比

以往使用机械设备的热收缩带补口技术多采用中频装置保证预热和回火效果。而本工作中所介绍的热收缩带机械化补口技术除保证预热和回火效果外，也排除了表面处理和收缩过程中的人为因素，最大程度地实现了补口工艺施工过程的机械化。该技术投入使用数年，截至目前没有失效案例报道。我国东部某手工补口失效案例中，单口开挖修复费用超万元。机械化补口与手工补口施工相比虽成本略有增加，但凭借其可靠的补口质量，开挖修复周期远长于不可控因素引起的早期失效补口。从这个角度看，机械化补口施工的投入将有效节省后期运营成本。

4 结束语

在国内首次提出了密闭自动除锈、中频加热、红外加热相配合的机械化补口流水作业方式的热收缩带机械化补口技术，保证了表面处理、预热、收缩、回火等质量控制关键点的可控性和稳定性。现场施工过程中，三台设备紧密配合流水作业。多工位流水作业每小时可以补口4～5道。目前热收缩带机械化补口技术已经在西气东输三线等工程中成功应用。应用的地点和气候包括山区多雨、高温潮湿、高温干燥地区。从应用的效果上看，补口的质量完全满足工程要求，补口效率完全满足工程进度的需求，且最大程度减少了人为因素的影响，保证了管道热收缩带补口质量。收缩带机械化补口技术的开发与应用将我国长输油气管道的热收缩带补口技术水平提升到了新的高度。

［1］ 潘红丽，王洪涛，蔡培培，等.热收缩带补口加热机具的研制［J］.油气储运，2010，29（5）：373-375.

［2］ 张其滨，张丽萍，刘金霞，等.管道3LPE防腐层补口技术研究和应用新进展［J］.石油工程建设，2014，40（1）：45-49.

［3］ 罗锋，王国丽，窦鹏，等.管道热收缩带补口失效原因分析及相关对策研究［J］.石油规划设计，2012，23（1）：11-15.

［4］ 陈洪源，刘玲莉，赵君，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.

［5］ 任立元，翁乐宁，孟庆丽.管道三层热收缩套（带）现场补口应注意的问题［J］.材料保护，2005，3（10）：58-71.

［6］ 周武德.3PE管道补口的极化处理技术［J］.油气储运，2011，30（3）：213-215.

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［9］ 王正国，孙步均.严寒地区管道补口问题研究及对策［J］.甘肃科技，2012，28（15）：70-72.

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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，FJC 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－），工程师，硕士，从事管道防腐领域的研究，15903161840，captain＿1110＠163.com