钢套钢蒸汽管道保温技术综述

1 管道保温防腐技术概况 对输油管线防腐保温是降低能耗及保证管道安全 运行的重要手段之一 。管道所用的保温材料较初为石 棉灰、硅藻土、蛭石 ,后发展到矿渣棉 、玻璃棉 、珍珠岩 等,这些材料的保温效果 、吸水性及施工条件等都不够 理想。七十年代初, 随着各种新材料的问世, 原油管线 开始采用硬质聚氨酯泡沫塑料保温, 由于该种材料具 有密度小、比强高、导热系数低 、成型工艺简单等特点 , 使其广泛地应用于油田的保温工程, 在各类繁多的保 温材料中逐渐占据了主导地位 。 埋地输油管线的实际保温效果能否达到预定指 标,取决于保温层的防水性,而保温材料的多孔性使其 吸水性较强 ,硬脂聚氨酯泡沫塑料虽然具有闭孔结构 , 但如果长时间处在一定水压下, 同样要吸水 ,因此 , 对 这类保温材料要外包防水层。国内管道采用硬脂聚氨 酯泡沫保温时使用的外防腐层主要有两种 :即石油沥 青玻璃布防护层和聚乙烯夹克防护层 。硬质聚氨酯泡 沫塑料保温层外加石油沥青玻璃布防护层的施工工艺 为喷涂泡沫成型或模具成型后外缠石油沥青玻璃布 , 生产效率低 ,施工工艺落后,现在已较少使用 。硬脂聚 氨酯塑料保温层外加聚乙烯夹克防护层的施工工艺有 “管中管”成型和“一步法”成型两种, 随着两种施工工 艺日趋成熟, 生产效率高,从而使油田集输管线的保温 几乎全部采用了硬脂聚氨酯泡沫塑料保温外加聚乙烯 夹克的结构。泡沫夹克防腐保温体系的可靠性和安全 性取决于接头补口部位是否可靠 ,国内先后采用了玻 璃钢 、石油沥青玻璃布 、聚乙烯胶带 、聚乙烯电熔补口 套及聚乙烯热收缩带等补口材料 。由于玻璃钢补口材 料与聚乙烯夹克不匹配 ,目前已不使用。

2 防腐保温结构及材料选择

2.1 防腐保温层结构

(1)埋地钢制管道防腐保温层是由防腐层 —保温 层 —防护层组成的复合结构 。防腐层是指防腐涂料或 具有防腐性能的热熔胶层;保温层是指泡沫塑料层 ;防 护层是指聚乙烯塑料层 。

2)防腐层材料及厚度由设计确定, 但厚度不应小 于 80μm 。

(3)保温层厚度应采用经济厚度计算确定, 但不应 小于 25mm 。

(4)防护层厚度应根据管径及施工工艺确定,但不 应小于 1.2mm 。

(5)防腐保温层端面必须用防水帽密封防水 。

钢套钢蒸汽管道保温技术综述

2.2 常用油(气)管道敷设方式及保温结构 油气管道敷设方式通常采用架空 、管沟及直埋敷 设。根据敷设方式的不同, 所采用的保温及外护层材 料亦不同 ,现分述如下:

2 .2 .1 直埋敷设 当温度小于 100 ℃时, 钢管经除锈 后,进行钢管表面防腐, 其防腐材料要求较高 , 目前广 泛采用的涂料有氰凝 、TO 树脂及其它聚氨脂或树脂类 涂料 。保温材料采用较多的为聚氨脂硬质泡沫塑料 , 保温厚度一般为 30 ～ 40mm 。保护层多为三油四布 (沥青玻璃布)、环氧树脂玻璃钢、TO 树脂玻璃钢 ,长输 干线管道采用高密度聚乙烯夹克外护层 。 当温度大于 100 ℃时, 通常在钢管及聚氨脂泡沫 塑料之间加一层硅制品(如微孔硅酸钙), 但这也仅适 用于短距离及站场内部管道。

2 .2 .2 管沟敷设 该种敷设方式广泛用于站内管道 或跨越管段 。钢管除锈后 ,刷防锈涂料 ,保温材料常采 用水泥珍珠岩、微孔硅酸钙、复合硅酸铝及岩棉或矿渣 棉制品等。再经捆轧固定后加外护层 。外护层常采用 沥青油毡玻璃布结构 、沥青玻璃布或环氧煤沥青玻璃 布结构等 。

2 .2 .3 架空敷设 该种敷设方式仅适用于站场管道 。 钢管除锈后刷防锈涂料。保温材料常采用容重较轻的 岩棉制品、矿渣棉制品、复合硅酸盐材料及制品等 。保 温层经捆轧固定后进行外防护 。防护层采用较多的为 镀锌铁皮 、铝合金板 , 近年来铝箔玻璃钢也被广泛应 用。 当输送高粘度介质时(如原油、重油), 根据工艺要 求亦采用保温加伴热结构 ,即在保温层与钢管之间布 置蒸汽或热水伴热管或采用电热带 。

2.3 材料

2 .3 .1 防腐涂料其性能如附着力 、柔韧性、耐冲击强 度等要符合要求 。

2 .3 .2 采用的保温材料应符合如下系列条件和要求:

(1)导热系数不大于 0.12W/(m·k);

(2)密度不大于 400kg/m 3 ;

(3)除软质 、半硬质、散状材料外, 硬质成型制品的 抗压强度不应小于 0.29MPa;

(4)在使用温度下性能稳定 ,保温材料制品的允许 使用温度应高于介质温度 。

(5)阻燃或不燃 ,水分含量小、吸水性低, 对金属无 腐蚀作用 。

(6)相同温度范围内 ,所用的保温材料应是导热系 数小、密度小 、造价低 , 就地取材或就近取材 , 易于施工 ,经综合比较,合理选用。

(7)高温介质的管道 ,经综合经济比较后, 可选用 复合材料。 

3 国内外保温管的材料及结构 3.1 国内防腐保温管道常用材料

3 .1.1 防腐层 钢管防腐层常用材料有 S52 -1 型聚 氨酯型防腐防水漆、煤焦油瓷漆 、防锈漆 、TO 树脂、环 氧粉末 、环氧树脂类涂料、环氧煤沥青及热沥青等。

3 .1.2 保温层 地上保温管道多以岩棉、玻璃棉、水 泥蛭石、聚氨酯泡沫塑料等为主 ;埋地保温管道则主要 以硬质聚氨酯泡沫塑料为主, 输送介质温度较高的保 温管道则一般采用在钢管与聚氨酯泡沫之间加夹一层 微孔硅酸钙等的复合结构。

3.1.3 外保护防水层 地上敷设管道多采用镀锌铁 皮 、铝箔玻璃钢等 。埋地管道则多为高、低密度聚乙烯 包覆层, 俗称夹克 。近来也有将高、低密度聚乙烯综合 起来使用做防护层的 ,俗称中密度聚乙烯。该种材料 既有近似于高密度聚乙烯的强度 ,同时又具有低密度 聚乙烯的韧性 , 将二者综合后的材料大大延长了材料 的耐环境应力开裂时间 。埋地保温管道的外防水层也 有的使用 TO 树脂玻璃钢 、环氧树脂玻璃钢或改性石 油沥青玻璃布等 。整改、整修的管道一般采用环氧煤 沥青、冷缠胶带、煤焦油瓷漆等防水防腐材料。

3 .1.4 补口材料 根据统计,管道腐蚀的主要原因是 由于地下水从管道补口处侵入保温层后, 由电化学腐 蚀引起的 。但从近十几年来各油田的陆上保温管道的 补口材料来看 ,过去主要采用冷缠带 、石油沥青玻璃布 等 ,近年来,由于热缩制品的发展 ,多采用聚乙烯热收 缩带 、聚乙烯热熔套等 。针对补口是保温管道的关键 环节,设计中一般在管端采用辐射交联热收缩性防水 帽 ,并在补口处钢管外壁采用加强防腐措施 ,采用的材 料有加强煤焦油瓷漆、加厚型S52 —1 型聚氨酯防 水防腐漆 、环氧类防水材料、辐射交联热收缩套(带) 等 。

3 .2 国外保温管道结构及常用材料 根据对国外保温管道检索资料分析, 国外保温管 道常用的材料主要有以下几种类型: (1)保温管道的结构为输送钢管———防腐层 ——— 保温层———外保护层。其保温层的材料为闭孔型硬质 泡沫塑料 ,地上管道保温层外的保护层一般采用镀锌 铁皮,地下管道保温层外的保护层一般采用聚乙烯夹 克 。补口采用现场泡沫塑料浇注 ,然后用热收缩套和 铁皮双重保护。目前保温管道的防护层采用缠绕法涂 敷工艺,使涂敷质量更佳 ,较其它涂敷工艺更经济 。

(2)对管道采用导管倾倒岩石和砂石碎屑进行保 护和保温。即对预先开挖管沟, 对管线覆盖保温砂层 和保护性岩石碎屑的保温保护方式 。英国北海管道 、 挪威的国家石油公司对近海油井出油管道采取这种保 温保护方式证明 ,它是一种有效的经济的保温方式 。

(3)国外近年来用于保温管道的材料, 除以上所述 外还有: ①纤维类保温材料 主要为岩棉制品 、矿渣棉制品 、硅酸盐纤维制品 、 玻璃棉制品等。这类材料造价低, 施工方便 ,工期短 , 结构简单 。 硅酸盐纤维制品有硅酸铝毡、保温绳、陶瓷纤维纺 织品。这类材料的特点是耐火、保温 ,使用温度高 , 化 学稳定性好,但价格较贵 。 玻璃棉及制品材料密度小 ,导热系数小, 在日本使 用广泛。 ②气孔状(亦称空气层型)(粉未类)保温材料 这类保温材料有珍珠岩、硅藻土 、膨胀硅石 、硅酸 钙制品 、复合硅酸盐制品(硅酸镁、海泡石 、硅酸铅 、稀 土复合保温材料等)。 目前在这类材料基础上又发展出超轻量硅酸钙及 超微粒子二氧化硅。超轻量硅酸钙密度、线收缩率、防 水性能 、添加增强材料等方面均优于普通硅酸钙制品 。 它的导热系数仅是其它无机保温材料的 1/3 ～ 1/4 。 ③多泡型保温材料 目前, 国外发泡型保温材料分为 :a)有机发泡材料 如:酚醛泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑 料 PVC 、聚异氰脲酯泡沫塑料等 。它们都具有导热系 数小、吸水率低 、抗压强度高、易于成型 ,方便施工等特 点;b)无机发泡塑料如:发泡珍珠岩 、玻璃发泡体、发泡 水泥、发泡粘土 、发泡蛭石 、水玻璃发泡体、发泡陶瓷以 及磷酸盐等 。国外通过对无机发泡材料的开发和研究 表明, 有相当部分无机保温材料很理想 , 且价格低廉 。 这些无机发泡材料有取代泡沫夹克中聚氨酯泡沫塑料 保温材料的趋势 ;c)复合泡沫材料如 :由树脂粘合玻璃 泡沫而形成的一种复合泡沫保温材料 。异氰酸脂与碱 金属硅酸盐类反应, 可制成有机无机复合泡沫塑料 。 该类材料的较大优点是泡沫结构非常坚固 , 抗压强度 大和耐高温,其特点是密度大 、导热系数大、价格高 。 从上所述可以看出, 管道保温材料从其类型上可 分为多泡型、空气层型和纤维型三大类 。 由于多泡型保温材料具有导热系数小、吸水率低、 抗压强度高及易于成型和便于施工等优点, 在国外的 油气管道保温中已经得到越来越广泛的应用。

4 保温管材料应用及其特性

4.1 防腐层 管道防腐材料选择应做到技术可靠、经济合理、因地 制宜。管道常用防腐材料基本性能及适用范围如下:

4 .1 .1 石油沥青防腐涂料 石油沥青具有良好的粘 结力,电绝缘性能好,吸水性低, 化学稳定性强, 并且成 本低 、防腐效果好等优点 ,但石油沥青耐候性差, 不耐 阳光直接照射 ,机械强度较低,易受植物根系穿透和微 生物侵蚀 ,因此适用于输送介质温度不超过 80 ℃的埋 地钢质管道。石油沥青外防腐管道不宜敷设在水下或 沼泽及芦苇地带。

4 .1 .2 环氧煤沥青防腐涂料 该涂料由环氧树脂 、煤 沥青、有机溶剂、防锈剂和填料等组成。它不仅具有环 氧树脂的高粘结力 、高机械强度 、耐化学介质侵蚀等性 能 ,具有煤沥青优异的耐水性、抗微生物、抗植物根系 等优点。其绝缘性能优良, 能在各种酸 、碱、盐、水和油 类中长期浸泡,使用温度在 -40 ℃～ 110 ℃之间 。 环氧煤沥青涂料是甲、乙双组分涂料,并和相应的 稀释剂配套使用。 环氧煤沥青抗紫外线性能差 ,涂敷施工要求严格, 但具有抗植物根茎穿透的特点, 一般适用于管沟管道、 埋地管道,不宜用于地上裸露管道。

4 .1 .3 氯化橡胶防腐涂料 氯化橡胶分为防锈底漆 和各色面漆。它具有良好的耐侯性、除锈性能, 附着力 良好 ,耐水和耐化学介质的腐蚀性等优点。它使用维 修方便, 漆膜基本无毒 。氯化橡胶应采用厚浆型面漆, 总的漆膜厚度应在 200μm 左右 。适用于地上管线及 管沟管线。

4 .1 .4 氯磺化聚乙烯防腐涂料 氯磺化聚乙烯具有 良好的耐臭氧和耐天候老化性 、耐酸碱盐类腐蚀性和 耐水 、耐油、抗寒等性能, 其附着力强, 柔韧性、耐磨性 好 ,漆膜干燥快和抗离子辐射性能强 ,一般适用于地上 管线。

4 .1 .5 TO 树脂防腐涂料 TO 树脂防腐涂料主要是 由 TO 树脂及加入的增韧剂 、固化剂 、稀释剂等组成。 其主要特点是附着力强 、密封绝缘性好、韧性和抗冲击 性强、涂膜无毒,可在温度-60 ～ 150 ℃下长期使用。 TO 树脂防腐防水涂料适用于钢质直埋管线或理 地保温管线的外保护层, 也适用于常年在强烈日光照 

射场合使用的设施, 如架空管线 、露天储罐及设备的防 腐蚀 。

4 .1 .6 聚氨脂涂料 其中的聚氨脂底漆广泛应用于 油(气)管道 、储罐及海洋条件、中强腐蚀环境下钢结构 及砼结构的防护。而聚氨脂面漆具有高光泽 , 保色性 和保光性强,耐酸、碱 、盐类腐蚀性 。

4.2 保温层

4 .2 .1 岩棉、矿渣棉 岩棉、矿渣棉可加入酚醛树脂 制成或直接贴面缝合成毡 、板、带、管壳 、缝毡 、贴面毡 等各种制品 。广泛用于架空敷设的保温油(气)管道 , 当用于地沟敷设时, 应采用加强防水措施。

4 .2 .2 聚氨脂硬质泡沫塑料 它是一种发泡体保温 材料, 广泛应用于地下直埋敷设保温油(气)管道, 尤其 是长输干线管道 。

4 .2 .3 复方硅酸铝 复方硅酸铝棉又称陶瓷棉, 是一 种具有绝热 、耐火双重功能的无机纤维材料 。它的主 要成分是氧化铝和氧化硅 。主要用于架空高温管道 , 其使用温度为 800 ～ 1200 ℃。

4 .2 .4 复方硅酸盐保温涂料 它广泛用于架空及地 沟敷设的管道, 因其适用于涂抹施工及对保温面的良 好粘接性能,尤其适合于各种不规则保温面(如管件 、 阀门等), 其温度适用范围为-25 ℃～ 600 ℃。 4.2.5 膨胀珍珠岩 膨胀珍珠岩及其制品是较早并较多 在油(气)管道上应用的保温材料, 其温度使用范围为50 ℃～ 900 ℃,对管沟敷设的各种管道尤为经济合理。

4 .2 .6 微孔硅酸钙 微孔硅酸钙耐温达 650 ℃, 较多 用于地沟及架空敷设的各种保温管道 , 尤其是近年来 和聚氨脂硬质泡沫塑料的配合使用, 使其在高温直埋 管道上得以广泛使用 。

4.3 外防护层 管道保温工程质量的好坏在很大程度上取决于防 护层材料质量的优劣 。由于目前采用的大多数保温材 料都具有一定的吸水率, 所以一旦外防护层破坏, 水很 容易侵入保温层内部 , 此时保温层就失去了干态时的 优良性能, 导致热损失增大 , 管道加速腐蚀 , 管道运行 就会偏离较佳工况。因此, 国外都很重视对防水防护 材料的开发和选用, 常用非金属防水防护层材料有 :

4.3.1 高(低)密度聚乙烯覆盖层(国内俗称“夹克”) 聚乙烯是一种超高分子聚合物, 用聚乙烯作为保 温材料的保护层 ,可以有效地阻止水向保温层的渗透 , 且这种材料的电绝缘性好 , 易于加工成型 。用这种材 料制成的防水保护夹克具有一定的抗磨、抗冲击、抗撕 裂和抗拉性能, 可以满足施工、运行载荷的要求。目前 国内外多采用聚乙烯作为防水防护层 。 聚乙烯分为高密度聚乙烯和低密度聚乙烯, 它们 均可用作防水防护夹克材料 。二者的不同点是高密度 聚乙烯的拉伸强度 、断裂伸长率和耐老化性能优于低 密度聚乙烯, 而低密度聚乙烯的耐环境应力开裂性能 优于高密度聚乙烯 。目前国外已有将高、低密度聚乙 烯共同混制成新材料(国内亦称其为中密度), 这种共 混的新材料的性能优于两种单纯的聚乙烯原料, 其密 度介于二者之间。

4.3.2 有机硅憎水剂 这是一种含有硅元素的有机 高分子聚合物, 它具有优异的防潮、憎水 、耐温 、耐老 化 、电绝缘、阻燃及化学性质稳定等特点 。并且易于加 工 ,用量少,一般用于无机保温材料的防水处理 。其处 理方式有两种 :一是表面憎水,即将稀释到一定浓度的 有机硅憎水剂乳液涂刷在保温材料表面 ,然后烘干 ;二 是整体防水, 即将一定量的有机硅憎水剂掺入保温材 料内部, 使其以分子状态均匀分布在每个孔隙中,使保 温制品形成整体防水体 。

4.3.3 模制聚氨酯夹克 它一般用于 PVC 泡沫塑料 保温管道 。这种夹克是通过在保温层外面涂敷聚氨酯 并使聚氨酯渗入 PVC 泡沫保温块之间的缝隙而形成 的 ,因而保温层与模制聚氨酯夹克之间的粘接力相当 高 ,同时这种夹克具有很好的耐磨性能。

4.3.4 橡胶防水层 目前 ,国外使用较多的是氯丁橡 胶 ,它既可用作钢管的防腐涂层 ,亦可用作泡沫保温层 的防水保护层。当用作保温层的防水保护层时, 一般 用于 PVC 保温管道 。

4.3.5 其它防水材料 如 :改性沥青、防水塑料、玻璃 布 、镀锌铁皮 、增强 PVC 塑料布等 ,一般多用于陆上架 空管道或短距离埋地管道, 且多用于纤维状 、气孔状保 温材料的防水层。