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天然气用焊管涂塑新工艺做全新突破

随着“西气东输”主干线的完成,沿途各大中城市相继需敷设城市输气管路。由于城市高楼林立,开挖维修困难很大,因此要求城市天然气输送管路保证运行安全,基本不发生故障,甚至应达到免维修的水平。一般说来,天然气在输送前是经过处理的,一般对钢管不会造成内腐蚀。但我国各地生产的天然气成分比较复杂,一个城市可能会使用不同地域的天然气,这些天然气中除含CH4、C2H6、C3H8等主要成分外,还含有少量的H2S、H2和CO2,而这些气体以及输送过程中产生的冷凝水会对钢管产生腐蚀。输气的主管道内涂厚约75μm环氧树脂和聚酰胺固化剂双组分液体涂料,其粘结力、抗渗水性、耐磨性、耐压性、一定的耐热性、化学稳定性和耐蚀性及光泽度等都较好,但由于涂层较薄,耐腐蚀性能稍差。城市输气管道一般是埋地敷设,各城市的土壤中酸碱度不同,各种细菌、植物根系、及杂散电流等较多,因此,输气主干路多采用熔结环氧挤塑聚乙烯结构(简称3PE)做为外防护层。它的结构由底层、中间层、面层组成。底层为环氧涂层,厚度为50~60μm;中间层为胶粘剂,厚度为170~ 250μm;面层为挤压聚乙烯,约为2.5 mm;防护层总厚度大约2.9 mm。聚乙烯三层结构作为埋地管道的外防腐层,主要防腐作用取决于最外PE包覆层。但是,三层PE在钢管涂敷工艺中,由于所涂钢管多为螺旋焊管(或直缝焊管),底层静电喷涂液体环氧涂料时在焊缝处较薄,且其质量无法检测;在中间层和面层上涂胶粘剂和聚乙烯涂层,因为是挤压包覆法,所以不可避免在螺旋焊缝处涂层减薄,而不得不在有关技术规定中视其减薄1/3仍为合格。因此我们研究了一种新的涂塑工艺技术,使内涂环氧粉末涂层厚度达250μm以上,既减阻又防腐蚀,外壁热熔涂LLDPE涂层,其质量和使用效果可和三层PE媲美。

一、城市输送天然气对管路的技术要求

1、天然气主管线上内涂层主要作用[1](1)可提高输气量4%~ 8%。H·G·Fasold博士及H·N·Wahle于1993年发表的文章中提出输送量提高14%~ 21%(指大管径);(2)可在管道敷设前提供保护,以保证没有腐蚀物影响表面粗糙度,污染天然气;(3)敷设后可方便快捷地清洁管道内部,水压试验后由于内表面光滑能迅速干燥;(4)减少石蜡及其它污染物的沉积;(5)在运行期间能降低动力消耗17%~22%;(6)减少维护、清管次数;(7)不会因腐蚀物造成堵塞、破坏、污染介质;(8)有利于管道内壁缺陷检测,较易查出管道的层裂和其它缺陷;(9)由于内涂层外表面光滑,因此可延长清管器的使用寿命;(10)提高输送介质的纯度。

2、城市输送天然气管路技术要求城市输送天然气管路技术要求首先应包括上述主管线的内涂作用的技术要求,另外尚特别提出下列要求:(1)不漏气、安全运行。安全运行主要是不漏气,是市政输气管路最主要的技术要求,而不漏气的关键技术就是对钢管内外全涂塑,且内涂层应由以减阻为主变为以防腐蚀为主,厚度应由75μm增加到250μm以上,管的连接可采用扩管口加短管可焊接式接口技术,以保证整体管路不漏气,且不损坏内涂层;(2)管路使用寿命长。管路的使用寿命,关键在于钢管的内外防腐蚀能力,不仅内涂层要加厚,外涂层也改变三层PE的挤压包覆法生产工艺为热熔涂LLDPE法,此工艺设备投资少,生产成本低,质量可靠。据日本DHF株式会社试验,用此种涂覆方法生产的涂塑钢管埋地30年,其涂膜各项性能指标基本无下降;(3)基本无事故无维修。城市输气管道事故直接影响公共安全和居民生活,而要求输气管道基本无事故无维修,不能说是过分要求。

二、城市天然气用钢管的涂塑工艺新技术

1、新工艺流程天然气管路采用粉末涂料在国内外都有报导。近年来国内外的塑粉涂料质量提高很快,可用于城市天然气钢管内涂塑的环氧粉末涂料,如德国RESICOAT环氧树脂粉末涂料,喷涂在200℃的钢管上,固化时间50~ 70 s,也就是说在200℃涂敷250~ 350μm的厚度时,只要钢管壁厚超过4mm,那么涂料熔融后,自固化的时间最多不超过70 s,从而不需再经固化工序(国内已有厂家生产同类型的快速固化环氧粉末涂料),这就给钢管一次加热内外同时涂覆打下了基础。涂覆工艺流程:焊管※检测※中频加热管端200 mm部位并扩口※内外壁喷丸※检测※中频加热(260~ 280℃)※流动床旋转法外涂LLDPE(2~ 3 mm)※内喷涂自固化环氧粉末(250~ 350μm)※精加工※旋转冷却※检测※包装※成品。

2、焊管中频加热扩口根据需要选择不同材质的直缝或螺旋焊管,检测其规格、质量、物理性能和化学成份。采用中频加热(800℃)并在专用扩口设备上扩口,扩口内径比钢管外径大0.5~ 1 mm。在扩口时把焊管焊缝高出部分去掉或压平,扩口长度为150± 10mm,扩口和原钢管应呈圆弧过渡,扩口部位不圆度应小于0.5 mm。

3、内外壁喷丸钢管喷丸前处理的质量直接影响涂层质量和使用寿命,且是诸多因素中最重要的因素。一些文献中指出,表面处理质量对涂层寿命的影响程度占49.5%,一般情况下,表面处理的费用占总涂塑费用的50%以上,所以表面处理十分重要。如焊管锈蚀程度为A、B级,无油污,即可进入专用喷丸室进行喷丸,喷丸设备可采用国产的专用内喷丸和外喷丸机。喷丸质量一定要达到Sa2.5的标准,并用干净空气吹净杂物和嵌入钢管的钢丸,锚纹深度可达50~ 60μm以增加涂膜附着力。需要指出,在钢管内喷丸时为增加除锈能力,使丸粒与管壁形成有效的撞击,喷头可做成耐磨锥体,其锥角可为60°~ 70°,材质可采用硬质合金,锥体尾部直径比喷丸管内径大20 mm,喷丸口距锥尖20 mm,或用多头喷嘴。总之,应提高喷丸效率和喷丸质量。

4、中频加热中频加热设备可采用国产设备,根据管径和壁厚的不同可采用不同功率的加热圈。中频感应加热是一种独特的加热方式,铜线圈通电产生磁场,磁场导致钢管就像是一个短路的环形次级线圈而有电流,因钢管有内阻就产生了热。这种加热方式没有任何物理接触,也没有辐射热源,不产生任何燃烧物,因此加热干净,无污染,功率密度高,升温能准确控制,钢管由内到外加热均匀。一般在壁厚和直径确定之后,加热温度应选择在260~ 280℃(视LLDPE涂料的要求)。

5、流动床钢管旋转法外涂LLDPE涂层钢管经中频加热到260~ 280℃时,用辊轮传送或吊装到流动床旋转台架上,钢管的两端口用耐热胶木堵塞(扩口端150 mm不涂),钢管随着辊轮做匀速旋转,旋转速度为线速度3~ 5 cm/s。钢管旋转的同时,流动床的LLDPE塑料粉末开始沸腾,钢管的下部圆周曲面浸于流动床的粉末涂料中,一直到钢管旋转了3~ 5转后,流动床停止流动,涂层厚度可达到2~ 3 mm,塑粉下落。涂钢管吊装到内喷涂旋转台架上,去掉钢管两端堵盖。

6、内喷涂自固化环氧粉末涂层对已外涂LLDPE的钢管,经测其内壁温度在220± 10℃时,开始把文丘里装置内喷涂杆头伸进旋转的钢管中,等钢管壁温度降到200℃时,即可开始内喷涂自固化环氧粉末涂料,厚度可在250~ 350μm,内喷涂完成后将钢管吊装到另外的旋转台架上。

7、涂塑钢管精加工经内外涂塑的钢管在旋转台架上冷却、固化。为使外涂LLDPE塑膜钢管在管路安装时便于用收缩带(或缠绕带)包覆,需对扩口部位的钢管外壁进行精加工,即把多余的塑粉涂层去掉,并把LLDPE涂膜端部修成45°~ 60°角,以避免涂层卷起。同时在扩口管端外壁未涂LLDPE部位全部用耐高温底漆刷2~ 3遍,以免生锈,为安装时用收缩带包覆创造条件。

8、检测涂塑钢管的各项性能涂塑钢管在冷却后,按有关技术标准检测其各项性能,目测表面质量、内涂层表面粗糙度,分别检测内外涂层厚度、附着力、针孔等。内涂层:光洁度≤ 10μm,厚度≥ 250μm,附着力1级,表面硬度2H(铅笔硬度),无针孔。外涂层:厚度1.5~ 2.5 mm(根据管径大小),附着力≥ 50 N/cm,无针孔。其余各项性能按有关标准检测,不再赘述。

9、检测包装经各项检测完全合格后,进行包装,对涂塑钢管内外表面和管口进行必要的保护,以免在运输和施工中碰伤涂塑钢管外壁涂层以及杂物进入涂塑钢管内。按照有关技术标准,内涂层为红色,外涂层为黑色。

三、新涂塑工艺的特点

(1)采用自固化环氧粉末涂料内涂层由75μm加厚到250μm,使内涂层不仅起减阻作用,并且起防腐蚀作用。

(2)外涂层改三层PE为一层LLDPE,厚度不变,克服了底层涂60μm环氧涂层无法检测,胶剂的粘结力相对较小的缺点。实践证明,不论是三层PE还是熔结LLDPE,其防腐蚀能力基本上是一样的。即主要依靠LLDPE外涂层,而热熔法比挤压包覆法附着力更强,各处薄厚均匀,不会出现焊缝处减薄的现象。这就说明LLDPE热熔涂层的性能能满足城市输送天然气的需要,且阴极保护电流较小。

(3)对于保护性涂层来说,不采用焊接而用凸缘连接器连接通常是不行的。而DN100~ DN460的钢管,内壁焊接后补涂难度较大,采用扩口加短管的方法,就使涂塑钢管的连接变为可焊接。

(4)扩口部位焊接后,可用收缩带包覆或用聚乙烯缠绕带包覆。短管经特殊制作后,内外壁涂环氧粉末涂层250μm,用液体双组分环氧粘结剂把短管端部和扩口粗细过渡处粘结,并用专用卡具夹紧,然后焊接,不会损坏内涂层。