热收缩带中频加热安装工法.docx

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热收缩带中频加热安装工法

石油工程建设施工工法

（2011年度）

工法名称：

热收缩带中频加热安装施工工法

完成单位名称：

中国石油管道局防腐公司

主要完成人：

廖宇平谭同斌李华崔超

中国石油天然气管道局科技中心

2011年11月

第1章前言

1.1工法形成的原因

国内埋地钢质管道特别是干线大口径管道自陕京一线起开始大规模采用三层结构聚乙烯防腐层，其相应的补口材料均为热收缩带，而热收缩带的安装方式始终采取传统的手工火焰烘烤作业方式。

在近年对在役管线的检测中，发现了由于热收缩带补口密封失效导致的局部管体腐蚀现象（见照片1），主要表现形式为①热收缩带热熔胶未充分熔融或局部未熔融；②环氧底漆起泡脱落，究其重要原因主要是手工烘烤施工方式的局限性所造成的。

热收缩带手工烘烤安装作业方式的弊端如下：

1）管口预热温度不足、烘烤不均匀、热收缩带回火不到位，致使热熔胶未充分熔融或局部未熔融（见照片2），导致热收缩带与管体及PE搭接区不能实现全面有效粘结。

2）火焰预热驱除管表潮气时，经过喷砂处理的钢管表面极易返锈，同时火焰燃烧过程中往往因燃烧不足而产生较多的黑灰，从而对钢管表面造成二次污染，导致环氧底漆粘结力的下降甚至丧失，从而使环氧底漆起泡脱落（见照片3）。

3）热收缩带手工烘烤安装作业方式，通常根据管径大小不同采取2人或4人分站管道两侧烘烤作业，对于大口径管线而言，管径加上支垫高度其管顶已经几乎与人等高，即使4人作业也经常难以上下兼顾，在役管线补口开挖检测结果显示，管顶12点位置和管底6点位置已经是热收缩带粘结失效的重灾区。

4）管道干线施工周期较长，冬季施工不可避免，而在低温环境下手工火焰加热热收缩带补口质量更难得到保证，导致热收缩带安装质量的下降。

照片1.环焊缝6点位置热收缩带下的管体腐蚀现象

照片2.热收缩带热熔胶局部未熔融导致的补口防腐层密封失效现象

照片3.环氧底漆起泡脱落现象

鉴于热收缩带手工烘烤作业存在的问题、管线补口部位已经发现的腐蚀，目前国内热收缩带仍然为埋地管道防腐层补口的主要材料，而补口手工烘烤作业方式仍然在持续，如果不采取有效措施改变目前的施工方式，可以预言今天发现的管线补口部位的腐蚀还将继续存在和发展。

目前补口部位的腐蚀问题已经潜在的威胁着管道的安全运行，并引起了管道运营公司的高度重视，某些管道已经不得不开始补口防腐层的大修，由此造成的资金浪费也是巨大的。

因此，改变热收缩带手工烘烤方式，针对热收缩带材料的特点，以解决管体无污染方式预热和热熔胶的熔融问题为目标，进行施工机具和配套施工工艺的研究非常必要，也是管道建设施工技术进步的需要。

1.2工法形成过程

针对热收缩带补口施工中存在的问题，2009年，在管道局科技中心的领导下，中国石油天然气管道研究院和中油防腐公司相继进行了“热收缩带补口施工装备及配套技术研究”和“聚乙烯热收缩带及配套材料研制”两项局级科研项目的研究，并取得了如下成果:

1）按照热收缩带补口安装工艺的要求，根据中频感应加热原理，通过控制电路原理分析和设计计算，进行了补口加热用中频电源和无触点推拉开合式补口加热线圈的设计，确定了中频加热设备的基本结构，并完成了样机制作。

由发电机、中频电源控制柜及补口加热线圈组成的补口中频加热设备可组成一个撬装模块，装载在一台客货车上，便于现场施工。

2）进行了热收缩带中频加热补口模拟试验，确定了中频加热补口施工的工艺参数和作业流程，并根据模拟试验的结果对加热线圈的结构进行了改进和完善，在此基础上，在漠大线管道工程二标段施工现场进行了热收缩带中频加热补口工程应用试验。

3）根据本项目所研制的中频加热设备的技术特点及其在热收缩带补口中的实际应用，确定了热收缩带中频加热补口工艺、施工作业过程中的质量控制、中频加热设备的使用方法等，在此基础上编制了“热收缩带补口中频加热设备操作说明书”、“热收缩带中频加热补口施工作业规程”及“埋地钢质管道热收缩带中频加热补口施工技术规范”等规范性文件。

4）根据目前国内热收缩带存在的热熔胶在使用环境中的失粘问题，研制成功了以EEA为基础树脂的热熔胶，其化学结构稳定，具有良好的低温韧性和热稳定性，高温流动性好，对基材润湿性强，粘结性能及耐水性远优于传统的EVA树脂热熔胶，同时选用了具有较高马来酸酐含量的PE共聚材料，提高了热熔胶极性基团的含量，保证了热熔胶与环氧底漆的粘结能力；采用该高性能热熔胶所制成的干、湿膜热收缩带技术性能满足了GB/T23257及西二线技术规格书的最新要求，其中ZF-HSW系列干膜热收缩带产品填补了国内空白，并获得“管道科学二等奖”。

5）根据目前热收缩带配套环氧底漆防腐性能低下的问题，进行了热收缩带配套底漆研制，所研制的无溶剂环氧底漆具有固含量高、防腐性能优异、长期抗阴极剥离能力强、干燥速度快等特点，经具有国家CNAS认证资格的中国石油天然气股份有限公司管道技术研究中心试验测试技术所的检测，其性能达到了GB/T23257的相关要求。

该底漆与ZF-HSW系列热收缩带配套产品，通过了中国石油天然气管道局和中国石油天然气集团公司的鉴定，并且在乍得国际管道工程中得到应用。

在完成以上两项科研课题的基础上，为了使热收缩带中频加热补口施工技术更有效、更具操作性，中油防腐公司对已取得的中频加热设备、补口施工工艺成果及存在的问题进行了系统的分析，并进行了以下改进。

1）中频加热设备的改进

a）中频发电机的组成和技术参数的确定：

由发电机、中频电源控制柜及加热线圈组成的补口中频加热设备组成较为复杂，需要三者之间的良好匹配，且中频电源控制柜现场耐用性及环境适应性较差，通过对国内外设备的调研，直接采用中频发电机替代发电机与中频电源控制柜，使设备的稳定性和适应性得到大幅度提升。

感应加热的基本原理包括电磁感应、集肤效应和热传导三方面，感应加热时，感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小,电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。

中频加热用于热收缩带安装的主要作用是通过管体温度的提高使热熔胶充分熔融，从而保证热收缩带补口的粘结密封性，而热熔胶的熔融需要一定的时间，因此希望中频加热设备的加热层有足够的厚度和蓄热时间，并且加热速度快，经过反复试验并参照国外经验，确定选用电流频率为400Hz、额定输出功率为120kW的中频发电机，方能满足热收缩带补口施工的需要。

b）加热线圈的改进及匹配参数的确定：

加热线圈是中频加热系统的重要组成部分，无触点推拉开合式加热线圈虽然安全性较高，但在补口加热时线圈开合部位有盲区，管口周向温度分布不均匀度较大，通过对国内外设备的调研，改用有触点式加热线圈；感应加热时，加热线圈轴向温度呈“拱”型分布，即中间温度较高而两侧温度较低，而热收缩带补口时需要与两侧主体3PE防腐层搭接，搭接部位PE防腐层表面温度应与中间管体钢管部位均能达到热收缩带热熔胶的熔融温度，因此必须改变加热线圈轴向温度的分布。

根据热收缩带补口加热的要求，通过调整线圈电缆密度的分布以及线圈匝数，改变了加热线圈轴向温度的“拱”型分布状态，同时对不同管径加热线圈的电感与电容的最佳匹配进行了反复试验和调整，最终确定了不同管径加热线圈的技术参数，并获得中频发电机的高功率输出，从而提高了加热速度和施工工效。

2）施工工艺的改进

a）国外热收缩带中频加热安装工艺存在的问题分析：

“热收缩带补口施工装备及配套技术研究”课题研究参照国外热收缩带安装工艺，所确定的主要施工顺序为：

其主要技术特征是两次中频加热工艺，第一次中频加热的目的是预热管体，第二次中频加热使管体温度达到热熔胶熔融温度其目的是底漆干燥和辅助热熔胶熔融。

经实施发现该工艺存在2个问题，其一是第二次中频加热到热收缩带安装收缩至管体大约需要3min时间，其间管表面部分热量散失，管体温度有可能下降至热熔胶熔融温度以下；其二是手工安装热收缩带工序时间较长。

b）中频加热施工顺序的调整：

综上所述，热收缩带采用中频加热所要解决的技术关键是管体预热时不会对管体表面造成无污染及热熔胶的熔融问题，围绕这两项技术关键，将热收缩带中频加热施工顺序进行了调整，并经过反复试验和摸索，确定了如下施工顺序：

调整后的施工工艺的特点是：

手工安装热收缩带时只需要将热收缩带收缩到位与管体贴紧，而无需考虑熔胶，从而缩短了安装时间；中频对安装到位的热收缩带直接进行加热回火熔胶，被加热的管壁通过热传导使热熔胶快速熔融，而以往手工火焰烘烤由外向内进行热量传递，热收缩带的聚乙烯基材导热系数较小，使得回火熔胶时间几乎占到补口整体安装时间的一半，且加热温度不均匀，如果操作人员稍有疏忽，就会造成热熔胶未充分熔融或局部未熔融等缺陷，中频加热通过控制管壁加热温度保证热熔胶的整体熔融，并缩短了补口安装时间。

c）中频加热补口工艺参数的确定：

热收缩带中频加热安装工艺的关键参数是中频加热温度的确定和控制，二次中频加热工艺中，首次加热的目的是去除管表的潮气并符合无溶剂环氧底漆涂敷的要求，对于干膜安装热收缩带来说，加热温度需保证底漆的厚涂和快干；第二次中频加热的目的是回火熔胶，加热温度至少应达到热熔胶的软化点，但在加热过程中不允许对管道主体3PE防腐层造成损伤，例如加热温度过高所产生的翘边等缺陷，因此需通过试验按照线圈的温度分布情况，确定加热温度的上限。

针对具体管径确定了中频加热温度后，由于现场施工环境不同，因此现场施工时应在每天开工前进行工艺评定，记录达到预定温度所需要的时间，通过加热时间的控制实现加热温度的控制。

d）无溶剂环氧底漆涂敷工艺的改进：

无溶剂环氧底漆作为热收缩带补口防腐层系统的重要组成部分，保证其涂层的完整性和厚度对补口管体的安全性至关重要，而国内由于不能解决环氧底漆干燥问题对补口施工进度的影响，致使热收缩带干膜安装工艺不能被施工单位所接受。

采用中频加热方式，并采用多道涂刷工艺，实现了底漆的厚涂和快干，补口作业可有序连续进行，解决了热收缩带干膜安装工艺的瓶颈，为热收缩带干膜安装的工程应用提供了有效可行的施工方法。

经过以上工艺改进，中油防腐公司将中频加热回火熔胶工艺与所开发的热收缩带补口材料相结合，形成了实用化的热收缩带中频加热安装施工作业方法，有效解决了热收缩带补口热熔胶的熔融问题，为提高热收缩带施工质量提供了的技术保障。

1.3工法的应用

热收缩带中频加热安装施工作业方法形成后，为了对该工法的科学性、可行性、操作性进行确认，并进行进一步的改进，2010年12月16日，中油防腐公司在廊坊召开了“热收缩带冬季补口施工作业技术及产品推介会”，中国石油天然气管道公司、西气东输管道公司、东南亚管道公司、管道设计院、西南设计院、中石油工程技术研究院、管道研究院、管道科技中心、管道局各工程公司等运营、设计、科研、施工单位的代表及业界防腐专家参加了会议（见照片4），与会代表观看了热收缩带中频加热补口安装的全过程，给予热收缩带中频加热施工工法充分的肯定，并形成推介意见。

照片4.“热收缩带冬季补口施工作业技术及产品推介会”会场

推介意见扫描件

根据推介会专家组意见，中油防腐公司对热收缩带中频加热安装施工作业方法和施工装备进行了进一步的改进和完善，2011年10月，在西气东输二线洛阳支线管道工程中按照业主要求，采用中频加热干膜安装工艺和ZF-HSW系列干膜热收缩带进行补口施工约2.5km，共计补口××道，单机作业工效达××道口/日班。

中国石油天然气管道局专家咨询委员会组织专家汇同业主单位、施工单位及监理单位对施工过程和安装补口质量进行了现场检验（见照片5），检验结果达到了GB/T23257和西气东输二线热收缩带补口技术规格书的要求，专家提出了对加热设备的改进意见，并建议尽快推广应用。

照片5.中国石油天然气管道局专家咨询委员会组织专家在西气东输洛阳支线施工现场

a）中频加热补口施工装备（见照片6）

中频发电机1台