中国石油 管道聚乙烯热收缩带补口机械化施工工法 朱琳白树彬张国栋 中国石油天然气管道科学研究院 1. 前言 . 1 2. 工法特点 . 1 3. 适用范围 . 2 4. 工艺原理 . 3 5. 施工工艺流程及操作要点 . 7 6. 材料与设备 . 13 7. 质量控制 . 15 &安全措施 . 18 9. 环保措施 . 19 10. 效益分析 . 20 11. 应用实例 . 21 3LPE防腐层是目前应用最广泛的管道主体涂层，与英相匹配的最主要的补 I材料是热收缩带。大口径、高壁厚输气管道的3LPE防腐补口问题，已经成为 整个防腐体系中的短板，制约着管道的安全运行和使用寿命。手工补口通常采 用开放式喷砂除锈，人工火焰安装，人为因素影响大，质量控制实现困难。通 过失效补口调查发现，由于手工补口的局限性，如除锈不均匀，火焰加热不均 匀，回火时间不足等问题，大口径管道的补口质量较难保证。管道补口质量所 带來的风险和隐患已引起各级管理者的高度重视。另外，补口修复工程中，每 道口修复费用远远高于建设初期的补口费用，提高管道补口质量，降低管道运 营费用，已成为管道运营企业的要求，因此保证管道防腐补口质量已成为迫在 眉睫的技术难题。 管道局开发出管道热收缩带补口机械化施工设备及工艺， 该装备由密闭自 动喷砂装置、中频加热装置和红外收缩加热装置组成，经过对材料及设备特性 的探索和总结，该施工方法不断完善和发展。该新施工方法于2011年在中贵线、 西气东输二线广南支干线，2013年在西气东输三线等工程成功进行了应用。成 功的应用表明，该施工方法大幅减少了人为因素对施工质量的影响，有效保证 了油气管道热收缩材料补口的施工质量，可延长补口涂层寿命，节省运营成本, 为油气管道运营安全提供保障。管道科学研究院在整套设备及工艺试验和应用 基础上编制出本施工工法。 该项技术在推广应用的过程中获得过多项奖项。2011年，管道热收缩带补 口机械化施工装备“BK-1型机械化补口工作站”取得了中国石油天然气集团公 司的成果鉴定。2013年，研究院BK-1防腐机组获得了管道局西三线机械化防腐 补I技术推广应用劳动竞赛二等奖，同时热收缩带机械化补口工艺研发获 得了2013年度“管道局QC成果一等奖” “集团公司QC成果一等奖”。 2.工法特点 2. 1功能特点 2. 1. 1机械化施工，最大程度减小人为因素对补口质量的影响。 2.1.2管口表面处理采用环保门动除锈设备， 实现了磨料动回收， 整个喷砂 过程环境友好，有效减小了污染；装置采用360。旋转设计，有效保证了管口除 锈部位处理结果的均匀一致，无死角。 2.1.3采用中频加热装置，升温速度快，加热均匀，避免了火焰加热除锈后钢 管可能引起的返锈和积碳。 2.1.4采用红外加热装置，分段控制温度，实现了均匀收缩和整体回火，使收 缩和回火的过程可控、高效。 2.1.5中频设备与红外设备配合使用，有效保证了搭接区热熔胶充分熔融，粘 接更加可靠。 2. 2施工特点 2.2.1表面处理质量均匀稳定、环境友好，加热手段可靠、可控，施工高效， 补口质量稳定。 2.2.2关键工序采用机械化施工，冇效降低了工人的劳动强度。 2. 2.3采用多工位流水作业，有效提高了补口速度。 3.适用范围 木工法适用于管径大于等于DN600的钢质管道热收缩材料补口地上施工； 其他管径及沟下补口作业可参照执行。 4.工艺原理 一工作站 喷砂 二工作站 三工作站 图4-1补口机械化施工示意图 中频加 热固化 红外 收缩回火 4.1聚乙烯热收缩带补口机械化施工原理 聚乙烯热收缩带补口机械化施工采用密闭自动喷砂除锈装置、中频加热装 置、红外加热装置作为主要的施工设备，以工程车为移动载体实现聚乙烯热收缩 带的机械化补口作业。关键技术包括密闭口动喷砂除锈、中频加热和红外加热。 密闭自动喷砂除锈装置完成管口表面处理，在完成除锈的同时在补口区形成粗糙 表面，通过增加有效粘接面积提升粘接效果。中频加热装置完成管口预热，利用 电磁感应加热的方式加热补口区域，在加热的同时避免了补口部位的二次污染， 红外加热装置通过红外线辐射实现基材分段均匀收缩。内外结合的方式实现了热 熔胶充分熔融。 4.2密闭自动喷砂除锈工作原理 喷砂除锈是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表而的过程。采用压缩 空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到补口区域表面，使补口区域的 外表或形状发生变化，由于磨料对补口区域表面的冲击和切削作用，使其表面获 得一定的清洁度和不同的粗糙度，增加了它和底漆之间的附着力，延长了涂膜的 耐久性。 密闭除锈是在喷砂枪口外围增加回收套管和环形尼龙刷，利用真空泵捉供的 负压将喷出的磨料和除锈后的粉尘实时回收至分离装置中，将粉尘与磨料分离， 磨料重新进入砂罐循环使用。环形尼龙刷紧贴管口表面防止了磨料飞溅，尼龙刷 随喷枪移动可对补口区域残余的粉尘起到清扫作用。 图4. 2密闭除锈工作原理 4.3中频感应加热工作原理 感应加热电源主要由逆变器、谐振单元、变压器和感应器组成。其中逆变器 是一个交一直一交的变流器，将工频交流电能变换成为中频电能。谐振单元和变 压器一端连接逆变器，另一端连接感应器，将高压变成隔离的低压并进行阻抗匹 配。加热时，感应器中流过强大的高频电流，在导体内产生感应电流，这种感应 电流在导体的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于零，利 用这个集肤效应，可使导体表面迅速加热，而心部温度升高很小。 图4. 3中频感应加热工作原理 4. 4红外加热工作原理 红外加热元件主要以红外线辐射形式将能量传递到被加热体上。当红外线发 射波长与被加热体吸收波长相匹配时，会引起被加热体内部分子的激烈共振，从 而产生足够的热量使被加热物体升温。 图4. 4红外加热工作原理 机械化补口采用的红外加热设备由红外加热元件、液压开合抓斗、温度测量 探头和程序控制装置组成。红外线加热元件采用一种特制材料作为基体，内置电 阻丝加热，用以产生波长为2lOuni的红外线。塑料的吸收波长与红外线辐射元 件发出的波长相匹配。当被加热体为聚乙烯热收缩带时，红外吸收波长范围很广, 其红外线吸收率可达90%以上，可形成对聚乙烯热收缩带的高效加热。被加热物体 流入 I 流出 感应器中电流 吸 红外加热器分三段控制，通过分区域加热，实现了从中间向两侧收缩的过程。 温度测量探头和程序控制装置，实现温度的反馈和控制。 5. 施工工艺流程及操作要点 5.1施工工艺流程 施 I：前准备 补口区预处理 自动喷砂 湿膜安装 补 11 区中频预热 质吊:检验 图5.1施工工艺流程 5. 2操作要点 5.2.1施工前准备 1确定施工用料，确保施工前用料到达施工现场; 干膜安装 补 11 区中频预热 要求二次加热 V 底漆涂装 一次加热 v 底漆涂装 * 热收缩带安装 红外收缩回火 _ 中频加热固化 2检查补口施工装备，满足施工需要； 3检查现场补口施工人员上岗证； 4提交机械化补口施工组织设计、按照补口工艺评定结果编制的作业指导 书、补口施工过程记录表、补口质量检查表、HSE检查表等相关技术文件。 5当存在下列情况之一口无有效防护措施时，不得进行补口作业。 - 雨天、雪天、沙尘天。 - 风力达到1 Om/ s以上。 相对湿度大于85%。 环境温度低于T0C或高于40 C。5.2.2补口区预处理 1清除补口区的毛刺、焊渣、飞溅物、焊瘤、污物、油和杂质等； 2当防腐层端部有翘边、开裂等缺陷时，采用角磨机修理至防腐层与钢管完 全粘附处； 3采用角磨机处理防腐层端部坡角，坡角角度不大于30 ； 4喷砂过程中，应保证管体温度高于露点温度5 C,达到要求后进行喷砂处 理。 5.2.3补口区自动喷砂 1将密闭自动喷砂除锈装置（图5.2. 3-1）吊装到补口区，使两侧PE搭接区 的处理宽度相同。 图5. 2. 3-1密闭自动喷砂除锈装置 2逐一检杳喷砂除锈小车行走机构、控制系统等各个功能是否止常； 3空压机的排气量和压力应匹配且满足施工要求； 4启动喷砂设备对补口区进行喷砂处理，喷砂处理的宽度应达到热收缩带收 缩后的宽度。 5补口区表而除锈等级应达到GB/T 8923规定的Sa2. 5级（图5. 2. 3-2作为参 考），锚纹深度50um100um； 图5. 2. 3-2管口表面除锈等级示意图 6补口搭接部位的聚乙烯层喷砂后不能冇超过lcn?的光滑表而（图 5. 2. 3-3）； 图5. 2. 3-3 PE搭接区处理效果 7除锈后用压缩空气或毛刷清除表面灰尘； 8管口表而处理与底漆涂装间隔时间不超过2h,表而返锈或间隔时间超过2h 时，应重新进行表面处理； 9质检人员应每4h班对除锈等级、锚纹深度、灰尘度至少进行1次检测。 5.2.4补口区预热 1将中频加热器吊装在管口处，避免碰撞防腐管，感应线圈应与管口及搭接 区重合，使两侧搭接区的加热宽度相同。使用中频加热器进行预热，操作应按照 操作规程执行； 2每天前3道口采用接触式测温仪测量补口部位钢管周向均匀分布的四个点 的温度，预热温度应符合作业指导书的要求并应记录加热时间，Z后每2小时根 据管口初始温度的变化，进行加热时间的调整，确保管口预热温度符合要求。 1） 干膜安装预热温度控制在80 C130 C； 2） 湿膜安装预热温度控制在80 C90 Co 5. 2. 5底漆涂装 1底漆的涂装范围为补口部位钢管，管口两侧聚乙烯搭接部位按照作业指导 书要求涂装底漆或不涂装底漆；当作业指导书要求进行火焰处理时，应采用蓝色 火焰处理对聚乙烯搭接部位进行处理。 2涂装前对底漆进行预热，预热后将A、B组份充分混合均匀； 3使用配套的涂装工具，手工将底漆均匀涂装至施工技术规定要求的厚度， 确保完全覆盖补口区域。底漆涂覆宜采用多道涂装方式涂敷底漆。 1） 采用热收缩带干膜工艺涂装时，在底漆实干后进行热收缩带安装、收缩 操作； 2） 采用热收缩带湿膜工艺涂装时，在底漆表干前进行热收缩带安装、收缩 操作。 4底漆涂敷完成后，按照规定的频次检验底漆厚度。 1） 干膜工艺时，应在底漆实干后测量干膜厚度； 2） 湿膜工艺时，测量湿膜厚度。 5干膜工艺时，若进行底漆漏点检测，应待管口温度降至80 C以下时，方能 进行检漏，检漏电压为5V/nm,检漏不合格处应进行补涂至合格。 5.2.6中频加热固化（适用于要求二次加热的干膜安装） 1底漆装涂后，使用小频加热器对底漆加热固化，加热温度120 C145 C； 2底漆加热固化，实干后移开中频进行厚度检测，底漆厚度应不小于技术规 格书的耍求; 3若进行底漆漏点检测，应待管口温度降至80 C以卜时，方能进行检漏，检 漏屯压为5V/um,检漏不合格处应进行补涂至合格。 图5.2.6中频加热器预热和底漆固化 5. 2. 7热收缩带安装 1热收缩带安装前应检查表面无麻坑、裂纹、无氧化变质等现象，胶层应无 裂纹，内衬护膜应完好，且应有明确的标识（生产厂商、产品名称、材料规格等）; 安装前，不能将热收缩带从小包装中取岀以免被砂石划伤或沾灰。 2热收缩带安装前，补口部位表面温度应控制在生产厂规定的温度条件冃湿 膜安装温度应控制在80 C以上，干膜安装应控制在120 C以上；应在管口顶部和 时钟2点、4点、8点、10点处各放置2个支撑块（图5.2.7）,使热收缩带安装时不 与补口部位接触。 图5.2.7支撑块 3热收缩带的安装应按作业指导书的耍求手工进行。首先用火把加热热收缩 带内搭接端的胶层，然后将内搭接端粘贴在管口处，保证两侧PE搭接区的搭接宽 度相同，并将胶条加热后安装在热收缩带前端。 4将热收缩带另一端的胶层加热熔融并搭接在内搭接端上，用辘轮辘压热收 缩带搭接部位去除气泡。热收缩带周向搭接宽度不小于100mm；将另一条胶条加 热后安装在外搭接边沿； 5将固定片胶面加热熔融，迅速将固定片的一端粘贴在热收缩带搭接处，固 定片的轴向中心线对准外搭接端的顶端，利用火把边加热I占I定片边鶴压。安装过 程中，应防止沙土进入。5.2.8热收缩带收缩回火 1将红外加热器吊