趙 岑，趙 利，相政樂，劉恒恒，劉進東，楊 彪，武占文

中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津 300452

20 世紀80 年代，管道三層聚乙烯/ 聚丙烯（3LPE/3LPP） 涂層結構在歐洲首先研發(fā)成功[1]。憑借其優(yōu)異的防腐性能和高度自動化的涂敷工藝，隨后數(shù)十年內(nèi)，3LPE/3LPP 涂層作為油氣管道外防腐層實現(xiàn)了大規(guī)模的工程應用。在大多數(shù)國家和地區(qū)，3LPE/3LPP 涂層應用比例占新增油氣管道外防腐層的60%以上，僅有加拿大、美國和英國以熔結環(huán)氧粉末（FBE） 涂層為主[2]。3LPE 和3LPP涂層先后于1995 年和2006 年引入國內(nèi)，并分別在陜京天然氣管道項目和文昌油田群海底管道項目[3]上實現(xiàn)首次工程應用。

受工藝、設備和材料等因素限制，3LPE/3LPP涂層更適合于生產(chǎn)線預制，而難以應用于彎管、異形管件及補口防腐。為了解決上述部位防腐涂敷的難題，與主體管道3LPE/3LPP 涂層實現(xiàn)良好兼容，20 世紀90 年代以來，PIH、CCSI 等國外公司在材料、設備和涂敷工藝方面進行了大量研究，將火焰噴涂聚烯烴技術[4]引入到管道防腐涂敷行業(yè)。隨著技術逐步成熟，火焰噴涂聚烯烴涂層先后被ISO 21809-3[5]和 DNVGL RP-F102[6]標準收錄為管道補口涂層類型，近年來在油氣管道外防腐領域逐步應用。

1 火焰噴涂聚烯烴技術研究

火焰噴涂技術是一種材料表面防腐和強化熱噴涂技術[7]，具有施工簡單、涂層成膜厚度高、與基材附著力好等特點。其原理是采用火焰噴槍，通過沸騰送粉的方法，利用氣體燃燒產(chǎn)生熱量將塑料粉末加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并借助火焰氣流噴射到基材表面，形成連續(xù)、均勻、致密的涂層[8]。

火焰噴涂聚烯烴涂層結構與3LPE/3LPP 涂層完全一致：底層為FBE，中間層為植絨噴涂（Flock spray） 粉末膠層，面層為火焰噴涂PE/PP粉末面層[9]。雖然火焰噴涂技術是一項成熟的熱噴涂技術，但應用于管道防腐涂敷，則需要對粉末材料和涂敷設備進行針對性設計和改進。

1.1 聚烯烴粉末性能研究與評價

考慮到火焰噴涂工藝特殊性和管道外防腐涂層性能要求，材料商通常會對聚烯烴粉末進行改性，主要包括以下方面：

（1） 對聚烯烴材料進行接枝改性，提高其與FBE 底涂層的黏結性能，使其能夠同時作為中間層和面層使用[10-11]。

（2） 提高粉末的抗氧化性能以耐受火焰噴涂過程的短時高溫，保障涂層各項性能不發(fā)生大幅度退化[12]。

（3） 提高粉末的熔體流動速率，保障熔融粉末的流動性和成膜性能。

（4） 對粉末的粒徑進行優(yōu)化設計，在提高噴槍粉末輸送效率的同時降低火焰對粉末性能的影響程度[13-14]。

目前國外已有成熟的PE 和PP 粉末產(chǎn)品，并在國外多個工程項目實現(xiàn)應用[15-17]。

ISO 21809-3[5]和 DNVGL RP-F102[6]標準中均未對聚烯烴粉末的性能指標作規(guī)定。參考國外工程項目技術規(guī)格書，通常規(guī)定生產(chǎn)PE/PP 粉末使用的基礎樹脂性能指標應滿足ISO 21809-1[18]標準對3LPE/3LPP 面層的指標要求；對于PE/PP 粉末產(chǎn)品，則通常測試維卡軟化點、熔體流動速率、氧化誘導期等關鍵指標。

選擇兩種成熟的火焰噴涂聚烯烴粉末（包括PE 和PP 粉末），對其性能指標進行測試，檢驗項目及檢測結果見表1。對PP 粉末粒徑分布進行了檢測，結果見圖1。

表1 PE/PP粉末材料性能檢測結果

圖1 PP粉末粒徑分布圖和微觀形貌

從表1 給出的檢測結果可知，PE 和PP 兩種粉末的維卡軟化點偏低，這會對涂層的最高服役溫度產(chǎn)生一定影響（ISO 21809-1 要求3LPE 面層維卡軟化點≥110℃，3LPP 面層維卡軟化點≥130℃）。從圖1 可知，PP 粉末粒徑分布較為均勻，粒徑范圍為0.1～0.4mm 的粉末顆粒占整體比例較大，粉末平均粒徑約為0.2mm。

1.2 火焰噴涂設備功能需求

火焰噴涂設備由噴槍、粉末流化床、噴涂控制系統(tǒng)組成，并配備可燃氣和助燃氣。目前國內(nèi)外均有成熟產(chǎn)品提供[14，26]。具體應用于管道外防腐涂敷施工，考慮到聚烯烴粉末特性和現(xiàn)場工況，對噴涂設備有針對性要求：

（1） 采用火焰溫度較低的壓縮空氣- 丙烷火焰，而非氧氣- 乙炔火焰，以減少聚烯烴粉末的氧化分解[27]。

（2） 壓縮空氣壓力＞0.6MPa，丙烷氣壓力＞0.3MPa，以保證火焰氣流的速度[7-8]。

（3） 通過噴槍結構設計，在火焰流和粉末之間增加一層壓縮空氣流作為保護氣，對粉末起到進一步保護作用，如圖2 所示。

圖2 火焰噴涂氣流示意

（4） 根據(jù)現(xiàn)場工況和噴涂效率的要求，配備不同口徑和規(guī)格的噴槍。

2 火焰噴涂聚烯烴涂敷工藝研究

通過試驗研究，總結了“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂聚烯烴”涂層的涂敷工藝。

（1） 噴砂除銹：鋼管除銹等級應達到Sa2.5級，表面粗糙度50～100μm，可采用全自動管道噴砂除銹機[28]完成。

（2） FBE 涂敷：采用中頻感應線圈，將鋼管表面加熱至200～220℃，然后噴涂FBE 涂層。該工序可以采用FBE 補口涂敷設備進行，目前國外SERIMAX[29]、 CCSI[30]、PIH[31]等公司具有相關施工能力。

（3） 噴涂粉末膠：在FBE 涂層仍處于膠化狀態(tài)時，植絨噴涂聚烯烴粉末膠，直至完全覆蓋FBE涂層。鑒于此工藝對時間窗口要求嚴格，可在FBE噴涂設備上集成該功能[32]。

（4） 火焰噴涂聚烯烴：采用火焰噴涂設備噴涂聚烯烴粉末[26]。每層噴涂的粉末不宜過厚，待其完全熔融流平后，再噴涂下一層。噴涂過程中鋼管表面溫度應保持200℃左右。

（5） 涂層水冷：涂層厚度達標后（通常達到3mm以上，且不低于主體3LPE/3LPP 涂層厚度），將其快速水冷至60℃以下。根據(jù)管件規(guī)格、現(xiàn)場施工條件的差異，水冷可采用浸沒、噴淋等方式進行。

3 火焰噴涂聚烯烴涂層性能評價

在完成了火焰噴涂工藝研究的基礎上，制備了“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂PE/PP”涂層，并參考ISO 21809- 3[5]標準，開展涂層性能檢測及評價，檢測項目和結果見表2。結果顯示，火焰噴涂聚烯烴涂層各項性能指標均滿足ISO 21809- 3 標準的要求。

表2 火焰噴涂聚烯烴涂層性能檢測結果

4 火焰噴涂聚烯烴涂層應用現(xiàn)狀

火焰噴涂聚烯烴涂層具有涂敷施工簡單、防腐性能好等特點，應用于油氣管道外防腐涂敷，還能夠避免焊縫位置涂層內(nèi)部氣體包夾和厚度減薄。目前該類涂層在彎管及異形管件防腐、補口防腐等領域已實現(xiàn)工程應用。

4.1 彎管及異形管件防腐

3LPE/3LPP 管道的彎管防腐，以往通常采用“液體環(huán)氧底漆+熱收縮帶”涂層，其結構與主體涂層不完全一致。近年來，復合PE/PP 帶纏繞[33-34]、多層粉末噴涂[35]、熱包覆3LPE 防腐[36]等彎管防腐技術相繼被開發(fā)出來，但存在諸如設備投資大、涂層厚度不易控制等不足。彎管防腐采用“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂聚烯烴”涂層，通過手工或半機械化施工，能夠滿足不同管徑和曲率半徑彎管的防腐要求，綜合涂敷成本較低，具有一定的技術優(yōu)越性。目前，該項技術在國外已非常成熟，國內(nèi)中石油也實現(xiàn)了工程應用。

火焰噴涂技術的手動或半機械化施工特點，使其在異形管件涂敷領域具有天然優(yōu)勢。例如，為防止海底管道服役過程中應力屈曲的擴展，深水管道設計時通常會設計止屈管[37]。止屈管為異形管件，其外徑通常是中間大兩端小，不適用3LPE/3LPP防腐生產(chǎn)線涂敷，但非常適用火焰噴涂技術。國外已經(jīng)將該技術引入到止屈管涂敷中，并在德國South stream 項目實現(xiàn)工程應用[26]，如圖3 所示。

圖3 火焰噴涂聚丙烯涂層在止屈管防腐中的應用

4.2 補口防腐

補口是油氣管道防腐最為薄弱的環(huán)節(jié)之一[38]。目前，國內(nèi)多數(shù)3LPE/3LPP 管道補口仍采用“液體環(huán)氧底漆+熱收縮帶”涂層[39]。國外已將FBE涂層引入了補口涂層體系，開發(fā)了一系列的“FBE+聚烯烴”補口涂層，“FBE+噴涂粉末膠+火焰噴涂聚烯烴”就是一種代表性的補口涂層[40]。該涂層目前在國外已實現(xiàn)工程應用，CCSI、PIH 等公司均具備施工能力。

5 結束語

隨著國內(nèi)外油氣管道的迅速建設和防腐涂層系統(tǒng)的不斷更新，火焰噴涂聚烯烴涂層憑借其施工簡單、涂層性能優(yōu)良、與3LPE/3LPP 涂層兼容良好的優(yōu)點，顯示了非常廣闊的應用前景。目前國內(nèi)對管道防腐用火焰噴涂聚烯烴涂層的研究與應用尚處于起步階段，針對火焰噴涂施工主要依賴手工作業(yè)的現(xiàn)狀，應加快開發(fā)自動噴涂技術和裝備，拓展涂層的應用場景；同時還應著手制訂相關標準，加快技術推廣步伐。