张合平
(佛山燃气集团股份有限公司，广东佛山 528000)
摘要：文中从讨论管道防腐层的机械性能和检验方法出发,分析了水平定向钻管道防腐层的质量影响因子及常用防腐层机械性能对比试验，介绍了水平定向钻管道防腐层的抗磨损层选择方法和工程经验。研究表明，推荐采用环氧类涂层用于水平定向钻管道表面抗磨损。水平定向钻穿越后，利用管道阴极保护馈电试验和防腐层平均电导率可以有效评估穿越后防腐层的质量。
关键词：水平定向钻; 防腐层; 抗磨损层； 机械性能； 馈电试验； 防腐层平均电导率
定向钻管道施工由于受到地层下岩石、土壤等影响，管道在回拖过程中防腐层会受到不同程度的损伤, 有时甚至将防腐层划伤至露出金属管体,这种损伤一般不可修复，这就给燃气管网的运行带来安全隐患。本文将讨论如何减小和控制这种危害。
现行埋地管道防腐层的设计主要从防腐蚀能力方面考虑,并未考虑水平定向钻回拖过程中所受到机械损伤的影响，因此有必要增加对防腐层机械性能方面的考量。Pratheep Rajan[1]比较详细地讨论了与水平定向钻有关防腐层质量的影响因子，这些因子包括耐划伤性能、耐磨损率、抗冲击性能、渗透性、剥离附着力、阴极剥离性能和剪切强度、土壤应力等。这些因子的联合作用是复杂的。 穿越段管道防腐层的损伤主要表现为划伤和磨损, 在回拖过程中, 管道承受了较大的剪切应力, 因此防腐层与基体及各防腐层之间的剪切强度也是影响损伤程度的重要因素。 同时,穿越管道本身有一定的弯曲变形, 因此防腐层的柔韧性也是防腐质量的重要指标。
NACE TM0215-2015《涂层系统的耐划伤测试方法》中的试验装置原理如图1所示，主要试验过程为, 将试件固定在可拖动的平台上, 将承受一定压力的划伤头触及试件表面, 拖动平台移动试件, 观察试件的划伤情况, 采用检漏仪检测划伤处是否有漏点, 如有漏点,则表明该涂层不能承受该载荷,在无漏点情况下, 通过划伤深度来表征涂层的机械性能。它比较准确地模拟了定向钻拖管过程中防腐层所受到的划伤损害。
图1 耐划伤性能试验装置
BS EN 489: 2009给出土壤应力试验装置(如图2所示),管道被放置在按一定粒径分布的砂土箱内,沿垂直方向通过盖住沙箱的刚性盖板对沙土施加指定载荷,管道以特定速度轴向往复运动指定的循环次数,试验结束后评价防腐层损伤。这个试验也被称为土壤箱试验(soil box testing)，用于评价防腐层的剪切强度。
图2 土壤应力试验装置
霍峰等[2]对国际上主要的埋地管道常用防腐层进行了较详细的介绍；Sandy Williamson[3]用上述的试验装置和方法对各种防腐涂层与水平定向钻有关的机械性能进行了比对试验(所有试件的底防腐层均为熔结环氧粉末)，对比结果见防腐层常用机械性能排序(表1)。
表1 防腐层常用机械性能比较
表面防腐层防腐涂层总厚度/μm耐划伤性耐磨损率柔韧性能抗冲击性能熔结环氧粉末5852336双层熔结环氧粉末9906444环氧聚合物混凝土14751563聚氨酯14603655多元粉末16655212挤压三层聚乙烯21104121
注：1表示最优；2表示较优，以此类推。
2 防腐层的抗磨损层
对于水平定向钻穿越段的管道，目前国内外通用的方法是在管线原防腐层的基础上增加一个抗机械损伤的表面涂层，通常叫抗磨损层(anti-abrasion coating)。该抗磨损层可以是原防腐层的增厚型，也可以是其他特定材料组成的耐磨层。
加拿大石油生产商协会(CAPP)的定向钻穿越意见为，穿越段选用的管道防腐层应与阴极保护兼容，不推荐防腐采用有阴极保护电流屏蔽作用的聚乙烯或聚丙烯材料。推荐采用环氧粉末或其他液态涂料作防腐层，建议外面再涂一层抗磨损层。北美非开挖技术协会(NASTT)要求水平定向钻段管道采用厚约1 mm的聚氨酯作为管道防腐层，以减小岩石地质对防腐层磨损的影响。美国定向钻穿越工程承包协会(DCCA)指定Powercrete(一种环氧聚合物混凝土)为定向穿越抗磨损层专用产品。在国内，中国石油天然气集团公司(CNPC)则针对不同的防腐层推荐使用无溶剂环氧耐磨涂层和环氧玻璃钢，并对这两种材料的机械性能及耐磨层的厚度给出了具体要求[4]。
国内燃气管网大多采用3LPE防腐层，除了使用环氧玻璃钢做抗磨损层外,采用光固化套作为抗磨损层在输气管道上也有所应用。光固化套是一种光敏玻璃纤维增强复合材料,具有优异的机械和绝缘性能。 表2为国内几种较有代表性的防护方法工程案例。 值得注意的是：这些成功案例有的是在反复试回拖后,调整抗磨损层设计后取得的，也就是说简单按照经验选取抗磨损层不一定保证获得理想效果。
表2 抗磨损层工程案例
项目名称管径/mm穿越距离/m防腐层耐磨层耐磨层厚度/mm西气东输支线长江段(江都-如东)71132793LPE环氧玻璃钢1.2佛山燃气西江穿越段(南庄-明城)50814683LPE光固化套1.8～2.0呼包鄂成品油管道黄河段3553200FBEPowercrete0.5
邝月芳[5]比较详细地分析了国内常用的几种抗磨损层的选择和实用性、经济性。实践表明：采用环氧玻璃钢和环氧耐磨涂层作为抗磨损层具有较好的机械性能和性价比，调整抗磨损层成分和厚度可以用于各种复杂的地质条件。同时，抗磨损层表面光滑，有效消除了穿越管道回拖时因补口套和光固化套搭接凸台形成的轴向阻力，降低了抗磨损层滑脱的风险。工厂预制环氧融结粉末防腐层，结合现场施工环氧类耐磨涂层的方法，是灵活且经济的技术手段。但不足的是环氧类涂层的完全固化周期一般需要7 d，缩短这个周期可能会降低机械性能。
光固化保护套则具有施工周期短，操作便捷等优点，也能适应多数水平定向钻穿越的需要。光固化保护套最大的缺点就是其与PE的粘接强度弱于环氧类抗磨损层。在遇到极端地质条件下有可能划伤形成一个破损的套管。图3为某水平定向钻管道3LPE防腐层加光固化保护套试拖后的破损情况。这种损伤表明：试拖时管道受到划伤和剪切应力造成光固化层和防腐层之间的粘接被破坏，形成套管效应，它将屏蔽阴极保护电流，为燃气管线的长期安全运营带来隐患。
图3 光固化保护套破损情况
目前，国际上常用的方法是将穿越段防腐层质量视为一个整体进行评估。通过阴极保护馈电试验来定性、定量地分析防腐层质量。
滕延平等[6]根据NACE TM0102-2002《地下管道覆盖层电导率的测量》，提出了用防腐层归一化比电导率评估防腐层的绝缘性能的方法,测量在管道穿越完成后尚未与主干线连接前进行，测量装置如图4所示。
图4 防腐层平均电导率测量图
该方法调整恒电位仪使b点达到阴极保护准则极化电位。待管地电位稳定后，测量a,b两端点的通、断电时电流(Ion,Ioff)和电压(Von,Voff)，按照式(1)～式(9)计算平均电导率g平均和1 000 Ω·cm特定土壤电阻率的涂层归一化比电导率G平均，最后用G平均评价防腐层质量。
ΔIa=Ia,on-Ia,off
(1)
ΔIb=Ib,on-Ib,off
(2)
ΔVa=Va,on-Va,off
(3)
ΔVb=Vb,on-Vb,off
(4)
ΔI=ΔIa-ΔIb
(5)
ΔV=
(6)
g平均=
(7)
ρ平均=
(8)
G平均=
(9)
式中：A为穿越段管道的表面积；ρa，ρb分别为定向钻入土点和出土点的土壤电阻率。
由于式(8)中ρ平均仅由a，b两端点的土壤电阻率确定, 所以它的误差会给分析带来很大的不确定性。NACE TM0102-2002适用于长距离埋地管线，并不是针对水平定向钻穿越段管道而设计的，这就影响了文献[6]的适用性。通常在1～2 km范围内陆表浅层的土壤电阻率变化有限,式(8)的误差也有限，但是对于穿越段来说，特别是过河段，在不了解真实腐蚀环境土壤参数的情况下，使用G平均评估防腐层质量不完善。防腐层的平均电导率g平均是整段管道防腐层绝缘性能的函数，在测量中已经体现了敷设段土壤电阻率的影响，可以客观反映防腐层在制造、运输和敷设过程中的缺陷，直接用于评估防腐层质量。ГOCT51164-1998规定[7]只要平均电导率g平均小于3.3 μS/m2 (防腐层平均电阻率R平均大于3×105 Ω·m2)，就表明防腐层质量优秀。这与GB/T 21447-2008提出的“新建埋地管道防腐层的绝缘电阻率一般不应小10 000 Ω·m2”标准有很大差异，究其原因就是ГOCT51164-1998采用的是式(7)中的g平均，而GB/T21447-2008采用的是式(9)中的G平均。
国际上通常采用更简便的阴极保护馈电试验的保护电流值来定性分析水平定向钻管道防腐层质量。该检测设备布置如图4所示。检测步骤如下：
(1)根据穿越段管道表面积A按照式(10)、式(11)确定输入电流Imax(mA)：
Imax=A×0.001 A≤1 000 m2
(10)
Imax=1+(A-1 000)×0.000 5 A>1 000 m2
(11)
(2)馈电试验：通过调整恒电位仪的电流输出，使b点极化并保持极化电位符合阴极保护准则，如果输出电流≤Imax，则穿越段防腐层质量良好，如果此输出电流>Imax,则表明防腐层有损伤，应该考虑采用增加牺牲阳极的形式进行补充保护， 将馈电试验设施转化为永久性强制电流阴极保护站也是一种经济实用的选择。
水平定向钻穿越管道施工要求管道外防腐涂层具有较好的机械性能。为防止水平定向钻管道施工引发的涂层损伤，在防腐层基础上包敷一个增厚或者改性的抗磨损层是必要的。抗磨损层的选择取决于管道防腐层和水平定向钻施工条件，应当与阴极保护相结合。环氧类耐磨涂层，由于其良好的粘接和耐磨改性能力，是具有发展潜力的抗磨损层材料。
为保证水平定向钻穿越管道的安全运行，穿越后防腐层质量检验是必不可少的。采用阴极保护电流密度或者防腐层平均电导率可以对防腐层质量作出定性和定量分析。但是这种表征是整段防腐层的平均效应，而最危险的腐蚀往往在局部发生。
参考文献：
[1] RAJAN P. Examines development in robust field-applied coatings for directionally drilled pipelines[J]. Oilfield Technology,2014,7(9): 51-55.
[2] 霍峰，王纬，张文瑞，等.定向钻穿越管道外涂层应用现状与发展趋势[J].油气储运，2013，32(9)：943-947.
[3] WILLIAMSON S. Design and coating selection considerations for successful completion of a horizontal directionally drilled (HDD) crossing[C].CORROSION 2000.NACE International,2000.
[4] 国家能源局.油气输送管道水平定向钻穿越设计规范: SY/T 6968—2013[S].北京：石油工业出版社,2013.
[5] 邝月芳.西江定向钻穿越管道外防腐层保护的经验探讨[J].城市燃气,2012(8): 27-32.
[6] 滕延平，刘玲莉，陈洪源，等.管道水平定向钻穿越段涂层测试与评价[J].管道技术与设备，2010(1):43-45.
[7] 俄罗斯国家标准委员会.钢质干线管道一般防腐蚀要求：ГОСТ 51164—1998[S].莫斯科：标准出版社,1998.
Anticorrosive Coating Selection and Testing of Horizontal Directionally Drilled Pipeline
ZHANG He-ping
(Foshan Gas Group Incorporated Company， Foshan 528000, China)
Abstract:The mechanical properties and test methods of anti-corrosion coating of pipeline were discussed in this paper. The quality influence factors of horizontal,directionally drilled pipeline and the anti-corrosion coating mechanical performance contrast experiment were analyzed. Anti-wear layer selection methods and engineering experience of horizontal directionally drilled pipeline anti-corrosion coating were introduced. The results show that it is recommended that the epoxy coating is used in the horizontal directionally drilled pipeline anti-corrosion coating. The quality of anti-corrosion coating after horizontal directionally drilled can be effectively evaluated by the cathodic protection feed-current test and anticorrosive layer average conductivity.
Keywords:horizontal directionally drilled; anti-corrosion coating; anti-abrasion coating; mechanical properti es; feed-current test;anticorrosive coating average conductance
收稿日期：2016-07-20
中图分类号：TE8
文献标识码：A
文章编号：1004-9614(2017)02-0051-04
作者简介：张合平(1963—)，高级工程师，从事燃气工程建设及管理工作。E-mail:fszhanghp@126.com
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