城市燃氣鋼管防腐層的選擇及設計要點

摘 要

摘要：城市警氣鋼管的防腐與長輸管道有較大差別，必須根據城市燃氣管道的特點進行防腐層設計。論文在分析影響防腐層設計選擇因素及各種防腐層特點的基礎上，闡述了城市燃氣鋼管防
摘要：城市警氣鋼管的防腐與長輸管道有較大差別，必須根據城市燃氣管道的特點進行防腐層設計。論文在分析影響防腐層設計選擇因素及各種防腐層特點的基礎上，闡述了城市燃氣鋼管防腐層的選擇及設計要點。
關鍵詞：城市燃氣；鋼管；防腐層；設計
Choice and Design Points of Coating for City Gas Steel Pipe
China petroleum pipeline no.1 constrction company Yang wen
Shenzhen gas corporation Yang Yinchen
Abstract：The urban steel pipe and long pipeline are different，the coating design must he made based on characteristic of urban gas pipe. This thesis analyzes all influential factor to anti-corrosion design，combining characteristic of various coating，introduces the choice and design point of coating for urban gas steel pipe.
Keywords：city gas；steel pipe；coating design
1 城市埋地管道的腐蝕與防護特點
隨著西氣東輸、西氣東輸二線、川氣東送等國家級天然氣干線工程建設的順利進展，沿線各城市掀起大規模建設配套的城市高壓、次高壓燃氣管道的熱潮，且還在不斷持續升溫。與以往的中壓聚乙烯材質的燃氣管道不同，這些鋼質管道埋入地下后直接與土壤接觸，如外腐蝕控制措施不當，一旦產生穿孔泄漏將引起嚴重的后果。防腐層選擇作為腐蝕控制的基礎，必須予以高度關注。
   由于歷史原因，目前城市埋地管道的防腐設計，基本上參照長輸管道的做法。實際上，城市埋地管道與長輸管道的周邊環境有較大差別，必須在遵守相關設計標準的基礎上，根據城市埋地管道的特點進行相應的調整，才能達到最佳效果。
   城市燃氣管道與長輸管道有以下明顯差別[1]：
   (1) 長輸管道通常為單管，閥門很少，漏點較少。城市燃氣管道多為網、枝狀，閥門、三通等管件較多，防腐質量相對難以保證。
   (2) 長輸管道通常為一次同期建成，質量相對均衡且缺陷較少。城市燃氣管道則隨著城市建設的進展逐步形成，且不斷拓展，新舊管段交叉連接，容易形成電偶腐蝕。
   (3) 長輸管道通常鋪設在郊野，周邊地面多為原狀土。城市燃氣管道周邊多為回填土，削峰填谷，導致土質突變頻繁，形成氧濃差、鹽濃差腐蝕。
    (4) 長輸管道通常遠離城區，周邊很少有其他管道或構筑物，直流雜散電流源較少。城市燃氣管道雜散電流干擾很普遍(地鐵、輕軌)且嚴重。
    (5) 長輸管道周邊人員通常較少，傷害主要在于管道本身。城市燃氣管道沿線人口稠密，一旦腐蝕穿孔極易導致人身傷害，安全要求更高。
    (6) 長輸管道動輒上千公里，不同防腐措施可能導致建設成本較大差異。城市燃氣管道相對較短，對防腐投入的經濟性考慮可以適當降低。
2 現有防腐層特點和適用范圍
    目前，城市燃氣鋼質管道可以選擇的防腐層有《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程(CJJ95—2003)》推薦的4種防腐層(膠粘帶、夾克、3PE、環氧粉末)，加上北京、天津等城市正在推廣使用的帕羅特，這些防腐層各有特點，適合于不同的環境條件。
    膠粘帶比較適合于小口徑(一般來說口徑小于200mm)管道，但應規定使用防腐廠機械纏繞，嚴格進行表面處理。這種管道自重較輕，通過加強搬運下溝過程的保護，可以保證較好的防腐效果。現場補口的內帶應采用膠層較厚的專用補口帶，而不能使用普通的管體內帶。該防腐結構適用于土壤較松軟，腐蝕等級弱的環境，要求配套陰極保護電流適中。該防腐結構的最大優點是造價較低。
    熱熔結環氧粉末防腐層具有很好的防腐性能，其機械性能也很好，但由于防腐層很薄，難以承受搬運下溝過程中強烈的碰傷，故較為適合中等口徑的(一般為口徑200mm～600mm)管道，太粗由于管體自重較大容易碰傷，太細則經濟上不合理。該防腐結構的最大優點是與陰極保護系統配合性能極好，破傷處能夠得到有效的保護，而不會發生腐蝕穿孔。
    聚乙烯夾克主要用于油氣田內部將各采區油氣送到長輸首站的集輸管道，故管道口徑一般在400mm以下；其設計壽命較短，一旦采區油氣資源采掘完畢，就會廢棄；管道維修較方便。該類防腐層機械性能很好，防腐性能一般，與陰極保護匹配性較差，另外，聚乙烯夾克還大量用作保溫管道的外保護層。
    實際上目前國內城市燃氣管道都是采用3PE，該類防腐結構的聚乙烯外層具有很強的抗擊搬運下溝過程中碰傷的能力，也可以抗擊管體下溝后自重壓在基
    巖溝槽內引起的硌傷，但其相對柔軟的聚乙烯外層抗拖拉劃傷的能力稍差；底層的環氧粉末除起防腐作用外，更極大提高了膠粘劑層對鋼管的附著力。其主要缺點在于超高的絕緣電阻率形成電屏蔽，使得管道破傷處不能得到有效的陰極保護。
表1 各類防腐層適用范圍
防腐層名稱
適用范圍
聚乙烯膠粘帶
小口徑，土壤較松軟，腐蝕等級弱
熱熔結環氧粉末防腐層
中等口徑，土壤較松軟，腐蝕等級中等或強
聚乙烯夾克
中等口徑，基巖段，腐蝕等級中等
復合防腐層(3PE)
中等及以上口徑，基巖段，腐蝕等級強或特強
復合防腐層(帕羅特)
各種口徑，基巖段定向鉆穿越管段
    帕羅特防腐層主要用于定向鉆段，其兼具了環氧粉末防腐層與3PE的特點，抗擊碰傷的能力稍遜于3PE，但抗拖拉劃傷的能力極強，且沒有陰極屏蔽問題。帕羅特的突出優勢，在于其他防腐層需用熱收縮套補口(圖1)，形成的凸出部分回拖時可能被劃傷或翻起，甚至整個熱收縮套滑移離位，而帕羅特補口采用現場噴涂或刷涂帕羅特補口涂料，保持補口部分與管體為平滑過渡(圖2)，這些特點很好滿足了定向鉆穿越段防腐層的要求。
 
3 埋地鋼管防腐層種類的選擇
技術可行是防腐層設計的基本出發點，其余因素都必須服從于這個前提的要求。因為防腐工程投資一般僅占管道建設總投資的3%～5%，也就是說，選用不同防腐層對管道工程建設總投資的極限影響在2%以內[2]。防腐層一旦失效，管道的運行和維修費用將顯著增加。防腐層大修更換的直接費用為建設時防腐工程費用的數倍，重要的是，穿孔可能引起人身傷害和社會動蕩，因而對防腐層性能指標的犧牲以換取節省建設投資的任何企圖，最終都可能導致嚴重的后果。在對某種防腐層的技術可行性存有懷疑時，寧可選用其它技術可行的防腐層，在其它因素方面加以調整，而不宜在技術可行性上稍有將就。夾克的聚乙烯層與鋼管的熱膨脹系數有較大差異，當環境溫度波動時二者間會產生錯移應力，溫變劇烈時可能導致防腐層破裂。所以，除非確認管道施工期間和運營工況下，環境溫變幅度較小且溫和，才可以選擇夾克，否則應選擇3PE，雖然其價格稍高，但底層的環氧粉末可以大大消除外防腐聚乙烯層破裂的危險。
    同樣道理，對于定向鉆穿越段，除非確認地質條件為均一淤泥沙土(如沖積平原河床)且施工環境良好，才可以選擇3PE以降低建設投資，否則還是選擇帕羅特為宜。
    在現有防腐層中不存在適用于各種環境條件的萬能防腐層，一種防腐層在某段管道上使用效果好，是由于其符合了具體環境、施工及運行等條件的要求，若簡單地將之套用到其它管道，就可能出現問題。美國腐蝕工程師學會曾進行問卷調查，專家們的一致意見是即使拋開經濟方面的考慮，也不可能對各種防腐層進行優劣排序，必須根據具體工程條件具體選擇。要針對各種防腐層的特點及適用范圍，因地制宜進行設計。埋地管道在經歷不同的地質單元或具有不同的施工及運行參數時，應分段選用不同防腐層。比如城市燃氣管道大開挖施工時，選用3PE是合適的，因為其有良好的抗沖擊性；但在定向鉆穿越時，更強調其耐劃傷性能，帕羅特就是更好的選擇。
    當然，防腐層的選擇也不宜五花八門，分段過多即不便于組織施工，又由于各種防腐層的機械費用攤銷過多，導致防腐工程費用的增加。比如兩個定向鉆段間隔很短，就可以將兩段之間也選用帕羅特。雖然略顯浪費，但便于將來的運行管理，還是合適的。總之，要根據具體情況，靈活掌握。
4 埋地鋼管防腐層等級的設計
    聚乙烯類管道防腐層(夾克、3PE)的普通級與加強級差別僅在于外層厚度的差異，膠粘帶、環氧粉末的普通級與加強級差別也是類似，所有施工程序是完全相同的。其實管道防腐的主要費用在于施工程序設備攤銷，材料用量是次要的。對于長輸管道，選用普通級可以節省一定的材料投資，由于城市燃氣管道通常較短，這種節省效果有限，相比于安全要求，應弱化這方面的考慮。根據《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》，僅對于口徑200mm以下的城市燃氣低壓鋼管，在沒有雜散電流時，可以選擇普通級防腐層，其他情況一般都推薦加強級防腐。
    實際上，城市燃氣管道周邊往往存在強烈的雜散電流[3]，對在役管道的開挖檢測發現，許多腐蝕坑呈馬蹄型并見金屬光澤，剖面雖有起伏，但手感光滑，邊緣也較清晰，腐蝕產物為黑色粉末狀，無分層現象，就是典型的雜散電流腐蝕(圖3)。
 
對于雜散電流腐蝕的防護，人們有個誤區，往往會在流出段采用加強級防腐，因為這里的管道正在被腐蝕。這樣做的結果只是腐蝕區域的前后轉移，而無法避免腐蝕的發生，因為流入的電流總是要流出的。對于舊管道維修，由于通常只修補大的破損點，使得腐蝕電流更集中在未修補的小破損點處，形成“大陰極小陽極”的嚴重腐蝕局面，反而加快了穿孔的速度。正確的做法是，要在流入段(靠近其他被保護構筑物的輔助地床處)采用加強級防腐，盡力避免雜散電流的流入(圖4)。
 
    實際上，對于城市燃氣管道，即使目前土壤環境中暫時沒有明顯的雜散電流，考慮到未來城市的發展，防腐等級設計還是普遍采用加強級為宜。這也許可能造成浪費，但較之管道因雜散電流腐蝕穿孔，還是應未雨綢繆，防患于未然。因為地鐵雜散電流可能借助其他地下構筑物(如自來水管道)傳輸到近百公里外，深圳特區外坪山次高壓管道距離已經開通的地鐵70余公里，電位檢測數據表明仍受到嚴重的雜散電流腐蝕，就是因為與之平行的其他管道在特區內靠近地鐵，將雜散電流的影響傳導到坪山所致。
5 埋地鋼管防腐層補口的設計
    除膠粘帶和帕羅特用本體材料補口外，其他防腐層補口基本上都采用熱收縮套，管道的補口必須在現場完成，相對防腐廠施工條件要差得多，現實中管道腐蝕大多都是發生在補口處。選擇合適的熱收縮套是改善補口質量，進而保證整體防腐效果的重要環節。
熱收縮套結構與膠粘帶類似，但聚乙烯背材為輻射交聯后拉伸定型的，膠粘劑是熱熔膠，而非壓敏膠。在現場將之松松地套在焊口上，用火焰烘烤外側時，背材會緊密地收縮包覆在鋼管上，內層膠粘劑會熔化填充所有空隙，與管體防腐層一同構成連續的防腐結構(圖5)。
 
    熱收縮套背材有高壓聚乙烯和中壓聚乙烯兩類。按ASTM D1248規定，高密度聚乙烯的密度在0.940以上，中密度聚乙烯密度范圍為0.926～0.940。高密度意味著更高的機械強度、更好的耐熱性、更低的透氣性和水蒸氣透過性。
    國內熱收縮套行業標準未規定背材密度，由于國產膠粘劑難以確保其與高密度聚乙烯的有效粘結。背材都是選用中密度聚乙烯；為彌補中密度聚乙烯強度的不足，行業標準規定背材厚度不得小于1.5mm.膠粘劑厚度只需大于0.8mm，形成厚背薄膠結構。國外標準要求熱收縮套背材密度＞0.940，即必須用高密度聚乙烯，背材厚度只需大于等于1.0mm，膠粘劑厚度卻要大于1.2mm，與國內恰好相反，為薄背厚膠結構。
    中密度聚乙烯制作的熱收縮套，耐熱較差，烘烤時容易開裂，故操作人員往往烤的欠火，較厚的背材更使得膠粘劑難以充分熔融，較薄的膠粘劑層不利于密封。高密度聚乙烯制做的熱收縮套，耐熱性好，操作人員敢于烘烤，較薄的背材使得膠粘劑容易充分熔融，較厚的膠粘劑層又增加了密封的有效性，可以在施工水平較差的情況下，保持較好的防腐性能。
    城市管道施工補口作業空間狹窄，選用施工技術要求較低產品是提高防腐質量的有效方法，雖然要付出較多的費用購買進口熱收縮套材料，相比后期修復還是經濟的多。對于普通地段大開挖施工管段，在環境良好情況下，補口可以選擇國產熱收縮套，以降低成本，但對于定向鉆、頂管、水下開挖等難以維護的管段，應該選用進口熱收縮套。實際上，國家行業標準規定3PE管體外防腐層都是高密度聚乙烯，按照防腐設計一般原則，補口選用中密度聚乙烯熱收縮套本身是不合適的，最好選用高密度聚乙烯制成的熱收縮套，以保持其匹配性。
6 小結
   (1) 城市埋地管道與長輸管道的周邊環境有較大差別，必須在遵守相關設計標準的基礎上，根據城市埋地管道的特點進行相應的調整，才能達到最佳效果。
    (2) 要針對各種防腐層的特點及適用范圍，因地制宜進行設計。埋地管道在經歷不同的地質單元或具有不同的運行參數時，應分段選用不同防腐層。
    (3) 即使土壤環境中暫時沒有明顯的雜散電流，考慮到未來城市的發展，防腐等級設計還是普遍采用加強級為宜。
    (4) 對于定向鉆、頂管、水下開挖等難以維護的管段，最好選用帕羅特防腐層；如果選擇3PE防腐層，補口要用高密度聚乙烯制成的熱收縮套。
參考文獻
1 楊印臣.地下管道檢測與評估[M].北京：中國石油工業出版社，2008
2 楊印臣.地下管道和儲罐管理維護實用技術[M].廣州：華南理工大學出版社，2005
3 曹備，張琳，楊印臣.地下管道腐蝕控制與檢測評估[M].北京：中國方正出版社，2007
 
(本文作者：楊雯1 楊印臣2 1.中國石油天然氣管道一公司 065000；2.深圳市燃氣集團 518040)