定向钻穿越管道玻璃钢防护层一次成型技术应用

陈自振，陈海林

中石化河南油建工程有限公司，河南南阳473132

在油气长输管道工程施工中，水平定向钻穿越段施工质量的控制是一个关键环节。穿越管道回拖时，可能会遇到支护不当、蛇形洞、洞内错台、砾岩、岩屑、风化片岩、软硬不良等复杂地质情况，将导致管道3PE 防腐层被严重划伤，甚至伤及母材。管道3PE 防腐层一旦损伤，将无法修复[1-2]，从而给投产后的管道带来潜在运营风险和安全隐患。为保护穿越管道3PE 防腐层，国内长输管道设计文件通常将定向钻穿越段管道的防腐结构设计为3PE+玻璃钢防护层[3]。

长输管道3PE 防腐层通常采用工厂化预制完成，防腐管运抵施工现场后再进行玻璃钢防护层施工。工程实践中，玻璃钢防护层施工通常采用人工涂敷和人工缠绕的方式完成。底层打毛后先刷一层底料，然后每完成一遍玻璃纤维布的缠绕，随之就进行配套涂料涂刷，上一遍涂层表干后再进行下一遍缠绕和涂刷，直至达到设计厚度。传统手工施工工艺施工周期长，固化时间长，质量不稳定，很容易出现空鼓、流挂、空洞等缺陷，甚至出现防护层分层脱落的现象[4]。为缩短玻璃钢防护层施工周期，提高防护层整体质量，经过多年技术实践和经验积累，形成了定向钻穿越管道玻璃钢防护层施工一次成型技术，经过几个项目的实践应用，技术可行，质量可靠，工效大大提高，具有推广应用价值。

1 技术简介

管道玻璃钢防护层一次成型技术装备主要包括基底打毛系统、电脑控制台、可移动缠绕系统、转动系统、管道工作台等。该技术是一种在控制张力和预定线型的条件下，对粗糙化处理后的3PE 防腐表面用经过环氧树脂漆液浸泡的玻璃纤维进行连续、均匀、有规律的缠绕，而后固化成型，一次性形成一定厚度玻璃钢保护层的施工技术。其主要技术原理如图1 所示，玻璃纤维经涂料槽内的树脂漆液浸泡后，经过辊轴缠绕至钢管上，在伺服电机的驱动下，小车以速度V 沿轨道往复移动，同时，钢管以角速度ω 绕钢管中心线旋转，于是在3PE防腐层表面形成了完整牢固的防护层。小车的行进速度、往复次数、钢管的旋转角速度可根据设计的玻璃钢防护层厚度确定，参数由计算机控制，在生产前完成录入及设置。该工艺技术具有操作简单、设备便于移动转场、安装简便等特点。

图1 管道玻璃钢防护层一次成型技术原理

2 施工技术要求

2.1 作业环境要求

当存在下列情况之一且无有效防护措施时，不得进行露天施工：雨天、雪天、风沙天；风力超过4 级（7.9 m/s）；环境相对湿度高于85%；待涂敷管道表面温度低于露点温度以上3℃，或者低于涂料生产家推荐的涂敷温度。

2.2 材料选用要求

玻璃钢防护层所用原料主要包括液体环氧树脂、固化剂、玻璃纤维布或玻璃纤维纱等。

（1） 液体环氧树脂在玻璃钢防护层中的主要作用是黏接固化，其具有较高的黏接性能、优良的韧性和物理机械性能、良好的耐蚀性与工艺性能，不挥发物含量、黏度、抗冲击性能、固化时间等指标符合SY/T7368 规范要求。一般采用E-44 非溶剂型液体环氧树脂，固化剂由涂料生产厂家按比例配制。

（2） 玻璃纤维在玻璃钢防护层中主要起增强作用，预制管道玻璃钢防护层通常选用无碱玻璃纤维布或玻璃纤维纱[5]，无碱玻璃纤维比有碱玻璃纤维耐水性强，其性能指标符合SY/T7368 规范要求。

2.3 施工工艺

（1） 施工准备。正式作业前应完成以下准备工作：完成缠绕作业线调试，确保电机、小车、工作台正常运转，在控制计算机上完成缠绕方式、循环次数、管径、管长、缠绕厚度等参数的录入和调试，将小车沿轨道移动至待涂敷管道首端或者末端。

（2） 钢管表面处理。正式缠绕前，应对待缠绕管道进行外观检查，清除管体表面的泥土灰尘，3PE 防腐层不得有脱层、褶皱、气泡等[6]。对PE层表面的毛刺、棱角进行处理，使其平整光滑。

为提高玻璃钢防护层与管道3PE 防腐层之间的黏结强度，应对3PE 防腐层表面进行粗糙化处理。首先将3PE 防腐层表面加热至60～90 ℃，同时用手动钢丝刷或机械钢丝轮交叉打磨、拉毛处理，拉毛深度为0.3～0.4 mm。加热过程应采用接触式测温仪对加热温度全程监测，防止加热温度过高导致PE 层碳化，影响管道整体防腐质量。

PE 层表面粗糙化处理后应使用抹布擦拭干净，并清除管体表面和锚纹内的灰尘、颗粒等。清理合格后，方可进行下一步施工。

（3） 玻璃纤维浸涂与缠绕。进行PE 拉毛处理的同时，应按照生产厂商的要求提前配制环氧树脂涂料。PE 层处理合格后，将配制好的树脂涂料倒入涂料槽内或通过比例泵注入涂料槽内。正式缠绕前，应对玻璃纤维进行浸泡，并将玻璃纤维端头系在管体上，如图1 所示。一切就绪即可启动伺服电机，小车沿轨道往复行进，钢管绕轴线旋转，玻璃纤维通过涂料槽浸润无溶剂环氧树脂，然后螺旋缠绕在管道3PE 表面，形成玻璃钢防护层，整个作业过程由计算机控制自动完成。小车往复行进次数视玻璃钢保护层设计厚度而定，小车每往复一次厚度增加0.6～0.7 mm。缠绕应搭接均匀，无褶皱、流挂、气泡、露白，管端留头长度不小于150 mm，留头部位不得缠绕。缠绕过程应安排专人将玻璃纤维缠绕时挤出的环氧树脂及时刮除，并回收利用。

2.4 质量检查要求

玻璃钢防护层涂敷施工完成后，防护层整体固化时间为常温5～7 d。固化期间应避免雨淋和泡水，如遇到雨天、风沙天气，应覆盖塑料薄膜进行保护或放入通风良好的室内保护起来，待防护层完全固化后，对玻璃钢防护层的外观、厚度、硬度、黏结强度等质量指标进行检查。

（1） 外观质量检查。逐根进行目测检查，玻璃钢保护层表面应平整光滑，无开裂、褶皱、气泡、空鼓、发白、流挂以及玻璃纤维外露[5]，搭接均匀且黏接密实，玻璃纤维丝空隙被环氧树脂涂料所灌满，表面色泽均匀。

（2） 厚度检查。玻璃钢防护层完全实干后，用涂层测厚仪对玻璃钢厚度逐根进行测量，测量方式为随机在玻璃钢轴向抽取3 个位置，测量每个位置圆周方向均匀分布的任意4 个点的厚度[7]，以最小厚度达到设计选用的厚度为合格，厚度允许偏差为±50 μm。

（3） 硬度检查。玻璃钢固化后应逐根进行硬度检验，检验方式采用巴氏硬度计，沿管道轴向平均分布的3 个点进行测量，以检测结果不小于30 HBa 为合格[5]，检查玻璃钢防护层温度，宜为（20±5） ℃。冬季施工，当管体温度不在试验范围内时，应采用火焰加热器对管体进行局部预热，预热温度达到试验范围后方可进行检测。

（4） 黏结强度检查。玻璃钢完全固化后，按照SY/T 6854 规定的方法对玻璃钢防护层与3PE 防腐层间的黏结强度进行检测，宜在管体温度不高于30 ℃时进行检测，每连续涂敷100 根至少抽检1根，不足100 根的按100 根计，也应抽测一次。测试位置宜选在管体端部位置，以PE 层和玻璃钢之间的黏结强度≥3.5 MPa 为合格。当黏结强度检测不合格时，应加倍抽检，如仍不合格，则逐一进行附着力检测。黏结强度检测不合格，应调整工艺，重新进行涂敷缠绕，黏结强度检测合格后，应对检测所破坏的涂层进行修补。

3 实施效果

笔者所在的公司在两个天然气管道工程的定向钻穿越管段防护层施工中采用了玻璃钢防护层一次成型技术，完成了DN200～DN1 000 共6 个规格的3PE 管道玻璃钢防护层涂敷缠绕施工。实践证明，玻璃钢防护层的外观、厚度、硬度、黏结强度等指标均符合SY/T 7368 穿越管道防腐层技术规范要求，且施工质量稳定、可靠。同时，玻璃钢防护层一次成型采用全自动缠绕方式进行预制，单管预制时间大大缩短。以D1 016 mm 规格钢管、预制二布五油结构、厚度不小于1 200μm 的玻璃防护层为例，一般单管预制时间约为30～45 min；若按传统手工分层涂敷缠绕方式，进行下一层涂敷缠绕前须等待上一层表干，每层玻璃钢防护层表干周期为1～2 d，每根钢管的玻璃钢防护层预制时间要长达5～7 d，防护层一次成型施工工效比传统施工方式提高至少10 倍以上。由此可见，在预制周期、质量稳定性等方面，玻璃钢防护层一次成型技术均有显著的优势。

4 结束语

（1） 玻璃钢防护层一次成型技术自动化程度高，可一次性高效完成PE 管道防护层的预制，具有质量稳定、预制周期短的特点，与水平定向穿越施工周期短、任务紧的特点相匹配。

（2） 玻璃钢防护层一次成型技术工艺简单，设备投入少，安装移动便捷，既可在工厂进行预制，也可现场作业，可满足水平定向钻穿越施工流动性强的要求。

（3） 随着油气长输管道投资的不断加强，长距离定向钻穿越工程将不断出现，玻璃钢防护层在穿越管道3PE 防腐层的防护中将扮演更加重要的角色，玻璃钢防护层一次成型技术将成为穿越管道3PE 防腐层防护技术的主要发展方向[8-9]。