长输管道防腐层技术现状和发展趋势

王康凤 陈 旭 蔡 亮 刘少东

（1. 合肥市燃气管理处，安徽 合肥 230000；2. 中国石油管道局工程有限公司设备租赁分公司，河北 廊坊 065000；3. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；4. 中国石油天然气销售广西分公司，广西 南宁 530000）

0 引言

长输管道是输送油气最为安全经济的方法，腐蚀直接影响管道系统可靠性及使用寿命[1]。外防腐层是保障管道系统完整性的重要屏障，防腐层破损、剥离和老化易导致管道腐蚀泄漏失效。我国长输管道正处于新的快速发展阶段，促进了管道防腐层技术发展。阐述了国内外新型防腐层及补口施工技术研究现状，并对管道防腐层技术发展趋势进行展望，旨在提高我国管道建设施工水平和系统可靠性，延长管道使用寿命。

1 主流防腐层产品及性能水平

20世纪50年代长输管道采用石油沥青（AE）和煤焦油瓷漆（CTE）防腐层。60年代研制冷缠带防腐材料。70年代研制出聚烯烃、环氧粉末/树脂等防腐材料。80年代德国研制3PE防腐层，结构是底层PBE、中间层共聚物胶、外层聚乙烯，兼具FBE高粘结构、抗氧化、耐化学腐蚀、抗阴极剥离性能，以及聚乙烯电绝缘和良好的机械性能，使用寿命预计40年以上。90年代在大型长输管道工程广泛应用，例如陕京线、库鄯线和西气东输管道。21世纪单层/双层熔结环氧粉末（FBE）、三层聚乙烯涂层（3LPE）和三层聚丙烯涂层（3LPP）防腐涂层成为主流产品。3LPE占据涂层市场绝对优势，而FBE市场份额略有减少。

3LPE和FBE防腐层保护效果良好，仍存在不足。FBE抗冲击载荷性能较差。3LPE应用有最小壁厚限制，价格较为昂贵；不适用弯头等异形管件和管道补口，补口处防腐层性能远低于管体防腐层；焊缝处防腐层厚度较小，或与管体之间存在缝隙，严重降低保护效果；PE层粘接失效易造成阴极保护电流屏蔽。

2 新型防腐层产品

随着在高寒、极地、山区等恶劣环境敷设长输管道，对防腐层材料、工艺和施工技术提出更高要求，防腐层应具备良好的介电性能、稳定的物理化学性能和较宽的温度适应性能，兼具防腐、绝缘、保温、增加强度等多项功能。管道防腐层应用过程的主要问题是聚乙烯层与环氧粉末底层的粘接失效，导致阴极保护电流屏蔽。制造商在3LPE和FBE基础上改进研发新型涂层，已取得一定成效。

2.1 陶氏化学新型3LPE防腐层

陶氏化学公司新制出一种新型3LPE防腐层，外层设计特殊的高密度聚乙烯层结构，具备较强的抗环境应力开裂和抗紫外线辐射能力，新型粘接剂应用功能型聚合树脂，热稳定性强。该产品性能参数：在80℃条件下防腐层剥离强度大于216N/cm；110℃条件下粘接剂失效周期约1年，预测在70℃条件下（长输管道运行温度极值）使用寿命约50年，有效解决目前3LPE防腐层粘接失效的问题。

2.2 复合涂层系统

加拿大Bredero Shaw公司研制新型复合防腐层系统（HPCC），HPCC仍采用环氧粉末底层、粘接层和聚乙烯层三层结构型式，施工采用静电粉末喷涂技术。粘接层是粘接剂与特定浓度FBE的混合物，增加粘接层与环氧粉末底层和聚乙烯层的兼容性，实现紧密粘接、无分界层。

与3LPE防腐层相比，HPCC具有粘接强度高、无最小厚度限制、喷涂工艺简单等特点，HPCC在抗冲击载荷、抗老化、抗阴极剥离等性能参数均优于FBE防腐层。

2.3 液态聚氨酯防腐层（PU）

表1 HPCC与FBE防腐层性能参数对比

液态聚氨酯防腐层是多元醇化物+异氰酸酯溶液，2组分混合后转化为固体厚膜型涂层，一次成膜厚度不小于1.2mm。低温快速固化，化学稳定性好，最高适用温度109℃，寿命可达50年。PU可用于恶劣地质环境。硬度高达HS80-86，具有良好的耐磨、耐划伤性能，保证管材运输装卸中不发生损伤。抗阴极剥离性能强，老化失效后仍能导通电流，避免阴极屏蔽问题。PU施工工艺简单，防腐层质量好且利于环保，适用于补伤、补口及防腐层破损修复，目前已成为国外管道防腐层修复首选材料。西气东输三线作为先进技术引进，主要用于焊口补口防腐处理。

2.4 无机非金属防腐层

主流防腐层产品以有机材料为主，虽性能不断改进，但不能从根本解决老化变质、耐热抗寒问题，使用条件和寿命也有限制。无机防腐层应运而生，不发生老化、耐腐蚀、耐磨损性能优异，已研发的无机涂层有陶瓷涂层、搪瓷涂层和玻璃涂层。无机防腐层需要研究解决的问题是陶瓷涂层的封孔处理方法，搪瓷涂层成本过高，玻璃涂层粘接性和韧性需提高，以及需研发适用的焊后内补修复技术等。无机防腐涂层具有巨大的发展前景。

2.5 纳米改性材料涂层

纳米技术是材料科学领域的重大创新。防腐层性能由材料微观结构决定，研究表明纳米技术可对有机涂层改性提高综合性能，包括增加机械强度、硬度、附着力和抗老化特性。例如TiO、SiO、ZnO、FeO等纳米粒子对紫外线有散射作用，提高防腐层抗紫外线能力。纳米离子还能提高防腐层防水性能。纳米技术也能提高无机涂层的塑性和韧性性能。总体看，纳米改性涂层技术还处于起步阶段，具有极好的发展前景。

3 新型3LPE防腐层施工技术

3LPE防腐层不能应用于补口材料。目前国内外管道采用聚乙烯热收缩套作为3LPE防腐层的配套补口材料。热收缩套施工条件和质量要求高，补口质量取决于工人技术水平，防腐层与管体粘接不牢，聚乙烯收缩套屏蔽阴极保护电流，国内外管道均有失效案例。国内外研制一系列新型补口材料。

3.1 粘弹体防腐材料

荷兰Stopaq公司和加拿大Canusa公司研制成功粘弹体防腐材料，利用高聚物的粘弹性，兼具PE的固体特性和液体特性，液体特性使得其在损坏时具备一定程度的自愈性能，还具备良好的粘接力和抗蠕变性，可作为3LPE管道补口材料。粘弹体防腐材料施工工艺简单，特别是适用于站场工艺管道防腐。我国青海油田输气管道、西气东输一线站场管道成功引进粘弹体防腐材料进行管道防腐层修复。

3.2 聚合物网络涂层

聚合物网络涂层（PNC）是3M公司针对3层防腐层结构的管道研发的聚烯烃补口材料，含有聚烯烃和环氧树脂组分，两种组分的联合作用相对单一组分补口材料性能更为优良。PNC具有极强化学反应性能，在不使用粘接剂条件下，直接喷涂于FBE和聚烯烃表面，通过化学反应实现强力粘接，有效增加涂层机械强度。

3.3 液态聚氨酯涂层

液态聚氨酯涂层与3LPE防腐层的物理性能接近，可以长期保持在3LPE防腐层的稳定附着状态，具备较强的抗土体移动剪切能力。液态聚氨酯涂层电导率允许阴极保护电流渗透流动，不会造成阴极保护电流屏蔽问题，可以认为是“本质失效安全型”涂层。

4 结语

随着管道运行环境复杂恶化，管道防腐层发展趋势是研发兼具防腐、绝缘、较强综合机械性能和粘接力强的新型材料。预见未来十几年内，3LPE仍将是长输管道应用的主要防腐层，但3LPE施工运行过程中的短板也会促进新型涂层的研究及应用，例如HPCC等新型改进防腐层会成为有效备选。管道运行过程中3LPE防腐层补口失效检测修复，以及新型3LPE防腐层管道补口技术也是研究的重点领域。