城市燃气钢管防腐层的选择及设计要点

摘 要

摘要：城市警气钢管的防腐与长输管道有较大差别，必须根据城市燃气管道的特点进行防腐层设计。论文在分析影响防腐层设计选择因素及各种防腐层特点的基础上，阐述了城市燃气钢管防
摘要：城市警气钢管的防腐与长输管道有较大差别，必须根据城市燃气管道的特点进行防腐层设计。论文在分析影响防腐层设计选择因素及各种防腐层特点的基础上，阐述了城市燃气钢管防腐层的选择及设计要点。
关键词：城市燃气；钢管；防腐层；设计
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 城市埋地管道的腐蚀与防护特点
随着西气东输、西气东输二线、川气东送等国家级天然气干线工程建设的顺利进展，沿线各城市掀起大规模建设配套的城市高压、次高压燃气管道的热潮，且还在不断持续升温。与以往的中压聚乙烯材质的燃气管道不同，这些钢质管道埋入地下后直接与土壤接触，如外腐蚀控制措施不当，一旦产生穿孔泄漏将引起严重的后果。防腐层选择作为腐蚀控制的基础，必须予以高度关注。
   由于历史原因，目前城市埋地管道的防腐设计，基本上参照长输管道的做法。实际上，城市埋地管道与长输管道的周边环境有较大差别，必须在遵守相关设计标准的基础上，根据城市埋地管道的特点进行相应的调整，才能达到最佳效果。
   城市燃气管道与长输管道有以下明显差别[1]：
   (1) 长输管道通常为单管，阀门很少，漏点较少。城市燃气管道多为网、枝状，阀门、三通等管件较多，防腐质量相对难以保证。
   (2) 长输管道通常为一次同期建成，质量相对均衡且缺陷较少。城市燃气管道则随着城市建设的进展逐步形成，且不断拓展，新旧管段交叉连接，容易形成电偶腐蚀。
   (3) 长输管道通常铺设在郊野，周边地面多为原状土。城市燃气管道周边多为回填土，削峰填谷，导致土质突变频繁，形成氧浓差、盐浓差腐蚀。
    (4) 长输管道通常远离城区，周边很少有其他管道或构筑物，直流杂散电流源较少。城市燃气管道杂散电流干扰很普遍(地铁、轻轨)且严重。
    (5) 长输管道周边人员通常较少，伤害主要在于管道本身。城市燃气管道沿线人口稠密，一旦腐蚀穿孔极易导致人身伤害，安全要求更高。
    (6) 长输管道动辄上千公里，不同防腐措施可能导致建设成本较大差异。城市燃气管道相对较短，对防腐投入的经济性考虑可以适当降低。
2 现有防腐层特点和适用范围
    目前，城市燃气钢质管道可以选择的防腐层有《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程(CJJ95—2003)》推荐的4种防腐层(胶粘带、夹克、3PE、环氧粉末)，加上北京、天津等城市正在推广使用的帕罗特，这些防腐层各有特点，适合于不同的环境条件。
    胶粘带比较适合于小口径(一般来说口径小于200mm)管道，但应规定使用防腐厂机械缠绕，严格进行表面处理。这种管道自重较轻，通过加强搬运下沟过程的保护，可以保证较好的防腐效果。现场补口的内带应采用胶层较厚的专用补口带，而不能使用普通的管体内带。该防腐结构适用于土壤较松软，腐蚀等级弱的环境，要求配套阴极保护电流适中。该防腐结构的最大优点是造价较低。
    热熔结环氧粉末防腐层具有很好的防腐性能，其机械性能也很好，但由于防腐层很薄，难以承受搬运下沟过程中强烈的碰伤，故较为适合中等口径的(一般为口径200mm～600mm)管道，太粗由于管体自重较大容易碰伤，太细则经济上不合理。该防腐结构的最大优点是与阴极保护系统配合性能极好，破伤处能够得到有效的保护，而不会发生腐蚀穿孔。
    聚乙烯夹克主要用于油气田内部将各采区油气送到长输首站的集输管道，故管道口径一般在400mm以下；其设计寿命较短，一旦采区油气资源采掘完毕，就会废弃；管道维修较方便。该类防腐层机械性能很好，防腐性能一般，与阴极保护匹配性较差，另外，聚乙烯夹克还大量用作保温管道的外保护层。
    实际上目前国内城市燃气管道都是采用3PE，该类防腐结构的聚乙烯外层具有很强的抗击搬运下沟过程中碰伤的能力，也可以抗击管体下沟后自重压在基
    岩沟槽内引起的硌伤，但其相对柔软的聚乙烯外层抗拖拉划伤的能力稍差；底层的环氧粉末除起防腐作用外，更极大提高了胶粘剂层对钢管的附着力。其主要缺点在于超高的绝缘电阻率形成电屏蔽，使得管道破伤处不能得到有效的阴极保护。
表1 各类防腐层适用范围
防腐层名称
适用范围
聚乙烯胶粘带
小口径，土壤较松软，腐蚀等级弱
热熔结环氧粉末防腐层
中等口径，土壤较松软，腐蚀等级中等或强
聚乙烯夹克
中等口径，基岩段，腐蚀等级中等
复合防腐层(3PE)
中等及以上口径，基岩段，腐蚀等级强或特强
复合防腐层(帕罗特)
各种口径，基岩段定向钻穿越管段
    帕罗特防腐层主要用于定向钻段，其兼具了环氧粉末防腐层与3PE的特点，抗击碰伤的能力稍逊于3PE，但抗拖拉划伤的能力极强，且没有阴极屏蔽问题。帕罗特的突出优势，在于其他防腐层需用热收缩套补口(图1)，形成的凸出部分回拖时可能被划伤或翻起，甚至整个热收缩套滑移离位，而帕罗特补口采用现场喷涂或刷涂帕罗特补口涂料，保持补口部分与管体为平滑过渡(图2)，这些特点很好满足了定向钻穿越段防腐层的要求。
 
3 埋地钢管防腐层种类的选择
技术可行是防腐层设计的基本出发点，其余因素都必须服从于这个前提的要求。因为防腐工程投资一般仅占管道建设总投资的3%～5%，也就是说，选用不同防腐层对管道工程建设总投资的极限影响在2%以内[2]。防腐层一旦失效，管道的运行和维修费用将显著增加。防腐层大修更换的直接费用为建设时防腐工程费用的数倍，重要的是，穿孔可能引起人身伤害和社会动荡，因而对防腐层性能指标的牺牲以换取节省建设投资的任何企图，最终都可能导致严重的后果。在对某种防腐层的技术可行性存有怀疑时，宁可选用其它技术可行的防腐层，在其它因素方面加以调整，而不宜在技术可行性上稍有将就。夹克的聚乙烯层与钢管的热膨胀系数有较大差异，当环境温度波动时二者间会产生错移应力，温变剧烈时可能导致防腐层破裂。所以，除非确认管道施工期间和运营工况下，环境温变幅度较小且温和，才可以选择夹克，否则应选择3PE，虽然其价格稍高，但底层的环氧粉末可以大大消除外防腐聚乙烯层破裂的危险。
    同样道理，对于定向钻穿越段，除非确认地质条件为均一淤泥沙土(如冲积平原河床)且施工环境良好，才可以选择3PE以降低建设投资，否则还是选择帕罗特为宜。
    在现有防腐层中不存在适用于各种环境条件的万能防腐层，一种防腐层在某段管道上使用效果好，是由于其符合了具体环境、施工及运行等条件的要求，若简单地将之套用到其它管道，就可能出现问题。美国腐蚀工程师学会曾进行问卷调查，专家们的一致意见是即使抛开经济方面的考虑，也不可能对各种防腐层进行优劣排序，必须根据具体工程条件具体选择。要针对各种防腐层的特点及适用范围，因地制宜进行设计。埋地管道在经历不同的地质单元或具有不同的施工及运行参数时，应分段选用不同防腐层。比如城市燃气管道大开挖施工时，选用3PE是合适的，因为其有良好的抗冲击性；但在定向钻穿越时，更强调其耐划伤性能，帕罗特就是更好的选择。
    当然，防腐层的选择也不宜五花八门，分段过多即不便于组织施工，又由于各种防腐层的机械费用摊销过多，导致防腐工程费用的增加。比如两个定向钻段间隔很短，就可以将两段之间也选用帕罗特。虽然略显浪费，但便于将来的运行管理，还是合适的。总之，要根据具体情况，灵活掌握。
4 埋地钢管防腐层等级的设计
    聚乙烯类管道防腐层(夹克、3PE)的普通级与加强级差别仅在于外层厚度的差异，胶粘带、环氧粉末的普通级与加强级差别也是类似，所有施工程序是完全相同的。其实管道防腐的主要费用在于施工程序设备摊销，材料用量是次要的。对于长输管道，选用普通级可以节省一定的材料投资，由于城市燃气管道通常较短，这种节省效果有限，相比于安全要求，应弱化这方面的考虑。根据《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》，仅对于口径200mm以下的城市燃气低压钢管，在没有杂散电流时，可以选择普通级防腐层，其他情况一般都推荐加强级防腐。
    实际上，城市燃气管道周边往往存在强烈的杂散电流[3]，对在役管道的开挖检测发现，许多腐蚀坑呈马蹄型并见金属光泽，剖面虽有起伏，但手感光滑，边缘也较清晰，腐蚀产物为黑色粉末状，无分层现象，就是典型的杂散电流腐蚀(图3)。
 
对于杂散电流腐蚀的防护，人们有个误区，往往会在流出段采用加强级防腐，因为这里的管道正在被腐蚀。这样做的结果只是腐蚀区域的前后转移，而无法避免腐蚀的发生，因为流入的电流总是要流出的。对于旧管道维修，由于通常只修补大的破损点，使得腐蚀电流更集中在未修补的小破损点处，形成“大阴极小阳极”的严重腐蚀局面，反而加快了穿孔的速度。正确的做法是，要在流入段(靠近其他被保护构筑物的辅助地床处)采用加强级防腐，尽力避免杂散电流的流入(图4)。
 
    实际上，对于城市燃气管道，即使目前土壤环境中暂时没有明显的杂散电流，考虑到未来城市的发展，防腐等级设计还是普遍采用加强级为宜。这也许可能造成浪费，但较之管道因杂散电流腐蚀穿孔，还是应未雨绸缪，防患于未然。因为地铁杂散电流可能借助其他地下构筑物(如自来水管道)传输到近百公里外，深圳特区外坪山次高压管道距离已经开通的地铁70余公里，电位检测数据表明仍受到严重的杂散电流腐蚀，就是因为与之平行的其他管道在特区内靠近地铁，将杂散电流的影响传导到坪山所致。
5 埋地钢管防腐层补口的设计
    除胶粘带和帕罗特用本体材料补口外，其他防腐层补口基本上都采用热收缩套，管道的补口必须在现场完成，相对防腐厂施工条件要差得多，现实中管道腐蚀大多都是发生在补口处。选择合适的热收缩套是改善补口质量，进而保证整体防腐效果的重要环节。
热收缩套结构与胶粘带类似，但聚乙烯背材为辐射交联后拉伸定型的，胶粘剂是热熔胶，而非压敏胶。在现场将之松松地套在焊口上，用火焰烘烤外侧时，背材会紧密地收缩包覆在钢管上，内层胶粘剂会熔化填充所有空隙，与管体防腐层一同构成连续的防腐结构(图5)。
 
    热收缩套背材有高压聚乙烯和中压聚乙烯两类。按ASTM D1248规定，高密度聚乙烯的密度在0.940以上，中密度聚乙烯密度范围为0.926～0.940。高密度意味着更高的机械强度、更好的耐热性、更低的透气性和水蒸气透过性。
    国内热收缩套行业标准未规定背材密度，由于国产胶粘剂难以确保其与高密度聚乙烯的有效粘结。背材都是选用中密度聚乙烯；为弥补中密度聚乙烯强度的不足，行业标准规定背材厚度不得小于1.5mm.胶粘剂厚度只需大于0.8mm，形成厚背薄胶结构。国外标准要求热收缩套背材密度＞0.940，即必须用高密度聚乙烯，背材厚度只需大于等于1.0mm，胶粘剂厚度却要大于1.2mm，与国内恰好相反，为薄背厚胶结构。
    中密度聚乙烯制作的热收缩套，耐热较差，烘烤时容易开裂，故操作人员往往烤的欠火，较厚的背材更使得胶粘剂难以充分熔融，较薄的胶粘剂层不利于密封。高密度聚乙烯制做的热收缩套，耐热性好，操作人员敢于烘烤，较薄的背材使得胶粘剂容易充分熔融，较厚的胶粘剂层又增加了密封的有效性，可以在施工水平较差的情况下，保持较好的防腐性能。
    城市管道施工补口作业空间狭窄，选用施工技术要求较低产品是提高防腐质量的有效方法，虽然要付出较多的费用购买进口热收缩套材料，相比后期修复还是经济的多。对于普通地段大开挖施工管段，在环境良好情况下，补口可以选择国产热收缩套，以降低成本，但对于定向钻、顶管、水下开挖等难以维护的管段，应该选用进口热收缩套。实际上，国家行业标准规定3PE管体外防腐层都是高密度聚乙烯，按照防腐设计一般原则，补口选用中密度聚乙烯热收缩套本身是不合适的，最好选用高密度聚乙烯制成的热收缩套，以保持其匹配性。
6 小结
   (1) 城市埋地管道与长输管道的周边环境有较大差别，必须在遵守相关设计标准的基础上，根据城市埋地管道的特点进行相应的调整，才能达到最佳效果。
    (2) 要针对各种防腐层的特点及适用范围，因地制宜进行设计。埋地管道在经历不同的地质单元或具有不同的运行参数时，应分段选用不同防腐层。
    (3) 即使土壤环境中暂时没有明显的杂散电流，考虑到未来城市的发展，防腐等级设计还是普遍采用加强级为宜。
    (4) 对于定向钻、顶管、水下开挖等难以维护的管段，最好选用帕罗特防腐层；如果选择3PE防腐层，补口要用高密度聚乙烯制成的热收缩套。
参考文献
1 杨印臣.地下管道检测与评估[M].北京：中国石油工业出版社，2008
2 杨印臣.地下管道和储罐管理维护实用技术[M].广州：华南理工大学出版社，2005
3 曹备，张琳，杨印臣.地下管道腐蚀控制与检测评估[M].北京：中国方正出版社，2007
 
(本文作者：杨雯1 杨印臣2 1.中国石油天然气管道一公司 065000；2.深圳市燃气集团 518040)