直焊缝钢管3LPE防腐涂层厚度分析及控制

闫林森 焦振峰 胡建飞 杨志刚 张 宏

（1. 中海油能源发展清洁能源管道技术分公司，天津 300452；2. 海油发展珠海管道工程有限公司，广东 珠海 519050）

0 引言

三层结构聚乙烯（3LPE）涂层是上世纪80年代中期开发成功的一种具有多层结构的高性能防腐涂层系统，主要由熔结环氧粉末底层（FBE）、高密度聚乙烯外保护层（HDPE）以及起粘接作用的共聚物胶粘剂中间层（AD）共同组成，可为油气管道提供长效、可靠的腐蚀防护。

直缝焊管3LPE防腐已成为管道工程中常见的组合类型。管体与焊缝间外涂层厚度差异对聚乙烯材料的消耗有较大影响[1]，焊缝处防腐层厚度的控制是聚乙烯材料消耗和涂层质量控制的关键因素。

本文主要介绍直焊缝钢管3LPE防腐涂层厚度要求、防腐前焊缝控制和聚乙烯材料性能、防腐工艺条件对焊缝处涂层厚度的影响及控制方向，并提出焊缝补偿思路，探讨挤出缠绕、多层喷涂和包覆工艺对焊缝处涂层厚度的影响。

1 焊缝处涂层厚度、外焊缝高度的要求

随着3LPE防腐工艺的成熟和技术的不断进步，国内防腐行业正在逐步提高焊缝处防腐层最小厚度要求，不再对SAWL钢管焊缝高度明确要求。按照GB/T 23257 2017埋地钢质管道聚乙烯防腐层要求，焊缝部位的防腐层厚度不应小于防腐层厚度的80%[2]。此标准在2009年版本时，焊缝部位的防腐层厚度不应小于规定值的70%。而ISO 21809 2018国际标准规定，允许焊缝部位的防腐层厚度不应小于涂层规定值的90%[3]。

根据API SPEC 5L 2018版标准，对于SAWL钢管外焊缝高度要求为3.5mm（壁厚≤13mm）和4.5mm（壁厚＞13mm）。而根据GB/T23257 2009标准要求，钢管焊缝的余高不应超过2.5mm，且焊缝应平滑过渡。GB/T 23257 2017已经取消焊缝余高不超过2.5mm要求，内容修改为钢管焊缝应符合现行有关钢管标准或订货技术条件的规定。对于防腐公司，为更好的控制焊缝处防腐层厚度，减少聚乙烯材料消耗，通常在钢管生产前，与钢管公司协商焊缝高度和形状。

2 直缝钢管外焊缝的成型和前期打磨控制

在直缝钢管外焊缝抽检时发现，钢管的管体外焊缝的高度普遍在1～3mm之间，不同钢管厂家，由于焊接工艺和设备的不同，外焊缝成型的效果也不同，需要在制管时，提前考虑外焊缝高度和形状最终效果，以减少对焊缝处3LPE防腐厚度的影响。如果钢管公司在制管时，提前考虑外焊缝的高度和形状对3LPE防腐层减薄的影响，在焊接工艺和生产时加强焊缝余高及形状的控制，管体的焊缝高度基本可控制在1.5mm以下，形状为平滑过渡，极个别焊缝高度偏高，但应低于2mm，上述焊缝参数有利于后续的3LPE防腐厚度控制。

钢管外焊缝余高超过1.5mm，且有起脊形状时，对焊缝的打磨处理是节省聚乙烯材料的有效措施。国内外部分3LPE防腐业务的公司，在钢管抛丸除锈前，设置外焊缝自动打磨装置，将焊缝余高和形状控制在理想范围内。如果未打磨处理就直接进行3LPE外防腐，焊缝处涂层厚度减薄后，厚度很难满足要求。单纯加大聚乙烯挤出量虽然能提高焊缝处涂层厚度，但随着焊缝余高增大和余高的起脊形状的影响，聚乙烯涂层被胶辊和外焊缝挤压，高温下熔融聚乙烯的流动将迫使涂层厚度增加陷入瓶颈。极端情况下，钢管焊缝与胶辊碾压处的涂层，在恶劣环境或长期服役后，焊缝处防腐层有撕裂的风险。

3 聚乙烯材料熔体流动速率对涂层厚度的影响分析及控制

聚乙烯材料在挤出机中通过加热、加压使聚乙烯以流动状态，连续通过挤出模口，以片状成型缠绕包覆在钢管上，形成防腐层。在防腐生产时，聚乙烯模头挤出温度在200～230℃，缠绕到钢管的PE层受到胶辊压力的作用，熔融聚乙烯因受力而向焊缝凸起的两侧流动，从而导致焊缝处涂层厚度减薄。聚乙烯熔体流动速率（MFR）是影响焊缝处涂层厚度减薄的关键指标，MFR指标影响在挤出机中加热、加压效果。

聚乙烯的MFR均随温度的升高而增大，温度越高，熔融聚乙烯的流动性越强。应根据聚乙烯熔体流动速率的特性，确定合适的压辊压力和熔融温度，使熔融聚乙烯专用料在缠绕包覆后，焊缝附近的流动变化为最小。聚乙烯熔体流动速率越大，焊缝处3LPE涂层的厚度越小，MFR确实对焊缝处涂层厚度减薄有明显的影响[1]。

按照GB/T23257标准要求，聚乙烯熔体流动速率（190℃，2.16kg）性能指标应≥0.15g/10min，一般防腐公司在订货时，限定性能指标为0.15～0.8g/10min，不同批次原材料偏差20%。上述设定范围相对较宽，如果每批材料熔体流动速率偏差较大，会对现场工艺条件控制较大影响。根据经验，建议对于焊缝突出的UOE、螺旋焊缝管，聚乙烯MFR在0.2～0.25g/10min，上述聚乙烯材料性能将有易于焊缝钢管外表面涂层保持均匀，焊缝处涂层减薄影响相对更小。

4 工艺参数对涂层厚度的影响分析及控制

4.1 防腐主要工艺参数的分析和控制方法

钢管的传动速度、螺距长度、聚乙烯的挤出量、防腐的缠绕层数、胶辊硬度和压力均对防腐层厚度有影响，尤其影响直缝钢管外焊缝处涂层厚度。通常，在其它参数恒定，某一个单一参数改变时，一般规律如下：在模头相对固定时，挤出量越多，防腐层的厚度越大；当模头距离钢管表面越远，幅宽越小，搭接缩小，单层厚度变大，适当调整后可保证总厚度不变；当聚乙烯缠绕层数越多时，螺距较小，防腐层厚度增加。当传动轮的角度越大，钢管的传动速度越大，钢管的防腐层厚度越小[4]。生产线传送轮和聚乙烯压胶辊弹性对钢管焊缝处涂层厚度影响较大，建议胶辊的硬度10度左右（邵A），压力调整至0.1～0.2MPa，降低胶辊对焊缝处涂层挤压的影响。

主要工艺参数在3LPE生产时是动态变化、相铺相成的，因此，可根据钢管规格、环氧粉末固化效果、挤出机流量、冷却效果，优先科学计算钢管传送速度范围，并对其它参数进行合理匹配，才能保证焊缝处防腐层厚度的合适控制。

4.2 聚乙烯挤出工艺参数对涂层厚度的影响分析及控制

聚乙烯挤出缠绕前，钢管传送速度、钢管传送螺距已调试设定，挤出机螺杆转速、各段温度、机头出料宽度等参数，是根据出料量需求而调整，挤出量理论计算公式为[5]：

Q为挤出量/（cm3/s）；

α为正流系数/cm3；

n为螺杆转速/（r/s）；

Δρ为熔体输送压力降/MPa；

β为反流系数/cm3；

η为材料的粘度/Pa·s。

由于α、β仅与螺杆参数有关，η是聚乙烯材料在螺杆时粘度，与MFR性能直接相关。因此，挤出量与压力降和螺杆转速直接相关，连续稳定生产时，挤出量需保持稳定，因此，压力升高，螺杆转速被迫调低；压力下降，螺杆转速被迫调高。为减小压力变化对挤出量的影响，必须避免或减小反流，有效措施是形成梯级压力降。

挤出机设备参数基本确定后，通过降低机筒一、二区温度，合理设置各区梯级温度，较大的温度差传导为稳定的压力降，稳定反流系数β值，以保证挤出量的稳定。

5 直焊缝钢管涂层厚度补偿设想

焊缝处防腐涂层厚度普遍低于管体涂层厚度，国内、外一些防腐公司均在探索焊缝处涂层补偿的方法。使用激光传感器自动识别焊缝位置，设定算法捕捉系统时间和钢管传送速度，通过涂层厚度补偿系统对焊缝处涂层进行额外补偿[6]。补偿的方式有三种设想。通过挤出膜片相对运动，焊缝处涂层环向张力瞬间、间歇改变，实时补偿焊缝处涂层厚度；通过胶辊的压力调节，焊缝处压力减小，实时改善焊缝处涂层厚度；通过挤出机压力调节，焊缝处涂层挤出量瞬间增加，实时补偿焊缝处涂层厚度。这三种方式理论上均可提高焊缝处涂层厚度，具体需要更加深入的研究和实践。

6 喷涂和包覆式3LPE防腐对焊缝处涂层厚度影响与展望

不同于3LPE挤出缠绕防腐工艺，多层喷涂防腐和包覆式3LPE防腐技术均对焊缝处涂层厚度无减薄影响。但二种工艺均受制于特定适用环境。

多层喷涂3LPE防腐涂层厚度偏小，外层聚乙烯涂层一般为中密度聚乙烯，喷涂方式不会造成焊缝处涂层厚度的减薄，但涂层的拉伸屈服强度、断裂伸长率、机械性能指标与高密度聚乙烯挤出缠绕工艺相比，性能指标偏低。

包覆式3LPE防腐采用环向挤出成型，不同于片材挤出，胶粘剂和聚乙烯包覆模具尺寸有限，一般适用于小管径钢管，而小管径管材无突起焊缝，凸起焊缝的大管径管材包覆设备装置配套较难，成本高。在运行、配套成本未显著下降，涂层性能指标没有明显提高的情况下，3LPE防腐生产及设备研发厂家没有针对焊缝管工艺、设备深入研发和推广的动力。

7 结语

通过对直焊缝钢管焊缝结构、涂层厚度、聚乙烯材料性能、挤出缠绕工艺参数等的分析，结合焊缝处涂层补偿和多层喷涂、包覆工艺技术开发和应用，结论如下：

（1）虽然焊缝对钢管3LPE防腐厚度有非常大的影响，但对焊缝处涂层厚度的要求越来越高；

（2）焊缝预处理和焊缝处涂层厚度补偿均可提高焊缝处防腐层厚度；

（3）聚乙烯材料的性能和挤出工艺参数精准控制，可以减少焊缝对涂层厚度的影响。