0、引言
地下管网的施工,在城市基础设施建设中更加普遍,在管网的气体或固体机制传输过程中,为避免地质条件因素造成的腐蚀问题,大都使用3层PE防腐层对管道进行防腐处理。特别是城区内的燃气管网,3层PE防腐技术应用广泛。对3层PE防腐的防腐层失效模式进行研究,有助于解决城市地下管网的侵蚀问题,以便采取修补措施,确保地下管网安全、稳定运行。
1、防腐层的失效模式分析
从3层PE防腐层的防腐流程来分析,防腐层失效具体表现在3层PE防腐层与管道的表面脱离;管道焊接部位3层PE防腐层,在地应力作用下出现撕裂现象引发防腐层失效,以及地下微生物及植物、第三方施工破坏致使防腐层的防腐作用失效。
1.1、管道的表面3层PE防腐层脱离
这是地埋天然气管网日常运转过程中常见的剥离形式,具体表现在管道表层与3层PE防腐层直接脱离、管道表层与防腐用料环氧粉末层氧化后脱离、管道表层与3层PE防腐层由于粘结不牢靠等。这三种脱离模式出现,关键因素在于地下管网施工期间,由于施工工序处理不当留置的缺陷而引起。
1.2、焊缝部位防腐层在应力下裂开
具体的开裂形式表现在两个方面,一是管道焊缝部位存在余高现象,处于焊缝区的管道塑料壁,在焊缝薄厚不均衡的状态下,在高差作用下强度受力不均,而强度不足的部位在运行过程中就会出现开裂现象。二是焊缝口部位的几何变形,地下管网在焊接过程中,由于不同的管体材质,管体部位的蓄热强度在管壁厚度不同时蓄热量也不同。从而在对管道进行焊接时,焊缝口部位会出现热熔差异性,从而在焊缝口部位的防腐层产生应力破坏现象。
1.3、微生物对管道的腐蚀
这也是地下管网管道腐蚀的一种,且由于土壤中大量含有的硫酸盐物质,在地下缺氧状态下能够迅速吸附繁殖,使得这种管道腐蚀化比例占整个管道腐蚀的70%。土壤中含有的氢离子元素,遇到硫酸盐物质将会形成硫化物,这种硫化物会严重侵蚀着PE管道防腐层,从而导致防腐层失效。
1.4、根系植物对管道的腐蚀
为了保障地下管网的运行安全,国家出台了管网运行管理机制,管网中的管线较大时,禁止在管线5米区域内种植根系植物。这是由于植物的根系在土壤中蔓延生长,当与地线管线连接时,会直接导致管线的PE防腐层破坏,对管线的安全运行造成风险。
1.5、第三方施工因素破坏PE防腐层
地下管线的施工越来越频繁,据统计,因第三方施工以外造成的天然气管道破坏,占整个管道防腐层破坏的40%。这种管网破坏方式主要有:交叉管线的穿越、地埋管线的开挖修补、管道占压破坏及未查明管道埋深情况盲目施工等,导致管道PE防腐层的损坏。同时,第三方施工因素造成管道损坏,还会连带造成3层PE防腐层的破坏,从而侵蚀天然气管道。
2、3层PE防腐层施工技术流程分析
地下天然气管网在进行补口环节,应严格执行工艺操作流程,补口作业结束后,从该部位开始将防腐层与管道剥离,剥离指标须符合防腐要求;否则,需进行二次补口作业。加强对防腐层材料的质量验收工作,防腐材料相关的3层PE材料、环氧粉末及辅助材料等,须符合相关验收标准。对防腐作业参与人员进行专项培训,重点是对 3层PE防腐失效的常见情况进行分析,确保作业人员在施工中有效规避防腐失效问题。
3、定期组织管道防腐层的损坏检测
防腐保温层出现破坏,在破损点位置将会出现异常的指标。对防腐层的损坏整体情况进行检测,可使用交流电流衰减法(PCM),对局部某破损点的检测,则使用电位梯度法(ACVG)。交流电位梯度检测方法,预先在地埋附近位置增设交流电源,使得破损点附近区域形成电位梯度场。根据梯度场部位测试过程中,破损点部位电流会呈现衰减趋势,基于衰减程度及电位检测来判断管道的破损点部位及范围。这种防腐层检测方式,能够有效检测出3层PE防腐层的完好情况,发现破损情况及时修复。
4、天然气管道缺陷部位补强方法
管道部位的缺陷,包括管网自身破损点及外防腐层的缺陷,对于管道缺陷的补强技术,工程中应用的例子较多。在对管道部位进行补缺时,可根据管道的材质、破损部位大小及地质环境条件进行补强,具体的方法有防腐层修复、碳纤维复合材料、使用夹具及补焊、打磨、换管等方法。
(1)对管网防腐层的修复:由于防腐层的特殊材质,使用STOPAQ粘弹体防腐胶带、PVC材料,对防腐层的破损部位进行补修;(2)碳纤维复合材料对管道进行补强:基于新型科技材料,如纤维材料、纳米填平材料及粘合剂等物质,先将损坏部位用纳米材料进行填平,然后在管道外围缠上纤维复合材料进行固化。固化后的符合材料能够抵抗抗拉强度及弹性伸缩,避免缺陷部位在应力作用下拉伸变形,实现补强修补;(3)管壁打磨:通过手持式打磨机对缺陷部位周边的尖角金属进行打磨,确保管壁周边轮廓平滑,防止管道应力集中。这种打磨式修补方法当缺陷深度较低,且管壁的腐蚀或裂纹、划痕小于12.5%时使用,若管道缺陷存在于内部或制管中,则不宜使用该技术;(4)管道补焊:当管道承载的压力较高时,通过打磨、纤维材料缠绕无法满足强度要求,使用补焊方式消除金属管道缺陷,确保管道的强度和结构连续性;(5)补板:补焊后为固化焊接部位的支撑强度,焊接补强板对管道强度进行修复,一般用于面积较小的金属管道;(6)增加套筒修复:对于管体在破损点管壁变薄的特征,为强化其径向压力作用,使用全封闭式套筒增强管壁薄弱处的承载压力,避免其在塑性变形作用下裂开;(7)机械夹具:这种修复方式密封性好、适用性广、可作为处理管道的临时措施;(8)替换管道:将破损或存在缺陷部位的管道,使用旧管道进行替换,替换的管道其设计强度应高于旧管道的承载强度。
5、结语
天然气管道的地埋特征,管道中3层防腐层的设置,使其成为管道安全运行的重要防护层。实现对天然气管道的防腐层质量管控,就必须从原材料选购、验收及施工环节对防腐层全过程进行管控。文中系统分析了3层PE防腐层,各环节可能出现的五种失效模式,提出采取技术处置。检测手段及补修方法,实现对天然气管道的缺陷处理。这种补强技术手段,有效解决3层PE防腐层与管道脱离、管道与硬件之间的缺陷,具有较强的实践意义。