鋼套鋼蒸汽管道保溫技術綜述

1 管道保溫防腐技術概況 對輸油管線防腐保溫是降低能耗及保證管道安全 運行的重要手段之一 。管道所用的保溫材料較初為石 棉灰、硅藻土、蛭石 ,后發(fā)展到礦渣棉 、玻璃棉 、珍珠巖 等,這些材料的保溫效果 、吸水性及施工條件等都不夠 理想。七十年代初, 隨著各種新材料的問世, 原油管線 開始采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫, 由于該種材料具 有密度小、比強高、導熱系數(shù)低 、成型工藝簡單等特點 , 使其廣泛地應用于油田的保溫工程, 在各類繁多的保 溫材料中逐漸占據(jù)了主導地位 。 埋地輸油管線的實際保溫效果能否達到預定指 標,取決于保溫層的防水性,而保溫材料的多孔性使其 吸水性較強 ,硬脂聚氨酯泡沫塑料雖然具有閉孔結構 , 但如果長時間處在一定水壓下, 同樣要吸水 ,因此 , 對 這類保溫材料要外包防水層。國內(nèi)管道采用硬脂聚氨 酯泡沫保溫時使用的外防腐層主要有兩種 :即石油瀝 青玻璃布防護層和聚乙烯夾克防護層 。硬質(zhì)聚氨酯泡 沫塑料保溫層外加石油瀝青玻璃布防護層的施工工藝 為噴涂泡沫成型或模具成型后外纏石油瀝青玻璃布 , 生產(chǎn)效率低 ,施工工藝落后,現(xiàn)在已較少使用 。硬脂聚 氨酯塑料保溫層外加聚乙烯夾克防護層的施工工藝有 “管中管”成型和“一步法”成型兩種, 隨著兩種施工工 藝日趨成熟, 生產(chǎn)效率高,從而使油田集輸管線的保溫 幾乎全部采用了硬脂聚氨酯泡沫塑料保溫外加聚乙烯 夾克的結構。泡沫夾克防腐保溫體系的可靠性和安全 性取決于接頭補口部位是否可靠 ,國內(nèi)先后采用了玻 璃鋼 、石油瀝青玻璃布 、聚乙烯膠帶 、聚乙烯電熔補口 套及聚乙烯熱收縮帶等補口材料 。由于玻璃鋼補口材 料與聚乙烯夾克不匹配 ,目前已不使用。

2 防腐保溫結構及材料選擇

2.1 防腐保溫層結構

(1)埋地鋼制管道防腐保溫層是由防腐層 —保溫 層 —防護層組成的復合結構 。防腐層是指防腐涂料或 具有防腐性能的熱熔膠層;保溫層是指泡沫塑料層 ;防 護層是指聚乙烯塑料層 。

2)防腐層材料及厚度由設計確定, 但厚度不應小 于 80μm 。

(3)保溫層厚度應采用經(jīng)濟厚度計算確定, 但不應 小于 25mm 。

(4)防護層厚度應根據(jù)管徑及施工工藝確定,但不 應小于 1.2mm 。

(5)防腐保溫層端面必須用防水帽密封防水 。

鋼套鋼蒸汽管道保溫技術綜述

2.2 常用油(氣)管道敷設方式及保溫結構 油氣管道敷設方式通常采用架空 、管溝及直埋敷 設。根據(jù)敷設方式的不同, 所采用的保溫及外護層材 料亦不同 ,現(xiàn)分述如下:

2 .2 .1 直埋敷設 當溫度小于 100 ℃時, 鋼管經(jīng)除銹 后,進行鋼管表面防腐, 其防腐材料要求較高 , 目前廣 泛采用的涂料有氰凝 、TO 樹脂及其它聚氨脂或樹脂類 涂料 。保溫材料采用較多的為聚氨脂硬質(zhì)泡沫塑料 , 保溫厚度一般為 30 ～ 40mm 。保護層多為三油四布 (瀝青玻璃布)、環(huán)氧樹脂玻璃鋼、TO 樹脂玻璃鋼 ,長輸 干線管道采用高密度聚乙烯夾克外護層 。 當溫度大于 100 ℃時, 通常在鋼管及聚氨脂泡沫 塑料之間加一層硅制品(如微孔硅酸鈣), 但這也僅適 用于短距離及站場內(nèi)部管道。

2 .2 .2 管溝敷設 該種敷設方式廣泛用于站內(nèi)管道 或跨越管段 。鋼管除銹后 ,刷防銹涂料 ,保溫材料常采 用水泥珍珠巖、微孔硅酸鈣、復合硅酸鋁及巖棉或礦渣 棉制品等。再經(jīng)捆軋固定后加外護層 。外護層常采用 瀝青油氈玻璃布結構 、瀝青玻璃布或環(huán)氧煤瀝青玻璃 布結構等 。

2 .2 .3 架空敷設 該種敷設方式僅適用于站場管道 。 鋼管除銹后刷防銹涂料。保溫材料常采用容重較輕的 巖棉制品、礦渣棉制品、復合硅酸鹽材料及制品等 。保 溫層經(jīng)捆軋固定后進行外防護 。防護層采用較多的為 鍍鋅鐵皮 、鋁合金板 , 近年來鋁箔玻璃鋼也被廣泛應 用。 當輸送高粘度介質(zhì)時(如原油、重油), 根據(jù)工藝要 求亦采用保溫加伴熱結構 ,即在保溫層與鋼管之間布 置蒸汽或熱水伴熱管或采用電熱帶 。

2.3 材料

2 .3 .1 防腐涂料其性能如附著力 、柔韌性、耐沖擊強 度等要符合要求 。

2 .3 .2 采用的保溫材料應符合如下系列條件和要求:

(1)導熱系數(shù)不大于 0.12W/(m·k);

(2)密度不大于 400kg/m 3 ;

(3)除軟質(zhì) 、半硬質(zhì)、散狀材料外, 硬質(zhì)成型制品的 抗壓強度不應小于 0.29MPa;

(4)在使用溫度下性能穩(wěn)定 ,保溫材料制品的允許 使用溫度應高于介質(zhì)溫度 。

(5)阻燃或不燃 ,水分含量小、吸水性低, 對金屬無 腐蝕作用 。

(6)相同溫度范圍內(nèi) ,所用的保溫材料應是導熱系 數(shù)小、密度小 、造價低 , 就地取材或就近取材 , 易于施工 ,經(jīng)綜合比較,合理選用。

(7)高溫介質(zhì)的管道 ,經(jīng)綜合經(jīng)濟比較后, 可選用 復合材料。 

3 國內(nèi)外保溫管的材料及結構 3.1 國內(nèi)防腐保溫管道常用材料

3 .1.1 防腐層 鋼管防腐層常用材料有 S52 -1 型聚 氨酯型防腐防水漆、煤焦油瓷漆 、防銹漆 、TO 樹脂、環(huán) 氧粉末 、環(huán)氧樹脂類涂料、環(huán)氧煤瀝青及熱瀝青等。

3 .1.2 保溫層 地上保溫管道多以巖棉、玻璃棉、水 泥蛭石、聚氨酯泡沫塑料等為主 ;埋地保溫管道則主要 以硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料為主, 輸送介質(zhì)溫度較高的保 溫管道則一般采用在鋼管與聚氨酯泡沫之間加夾一層 微孔硅酸鈣等的復合結構。

3.1.3 外保護防水層 地上敷設管道多采用鍍鋅鐵 皮 、鋁箔玻璃鋼等 。埋地管道則多為高、低密度聚乙烯 包覆層, 俗稱夾克 。近來也有將高、低密度聚乙烯綜合 起來使用做防護層的 ,俗稱中密度聚乙烯。該種材料 既有近似于高密度聚乙烯的強度 ,同時又具有低密度 聚乙烯的韌性 , 將二者綜合后的材料大大延長了材料 的耐環(huán)境應力開裂時間 。埋地保溫管道的外防水層也 有的使用 TO 樹脂玻璃鋼 、環(huán)氧樹脂玻璃鋼或改性石 油瀝青玻璃布等 。整改、整修的管道一般采用環(huán)氧煤 瀝青、冷纏膠帶、煤焦油瓷漆等防水防腐材料。

3 .1.4 補口材料 根據(jù)統(tǒng)計,管道腐蝕的主要原因是 由于地下水從管道補口處侵入保溫層后, 由電化學腐 蝕引起的 。但從近十幾年來各油田的陸上保溫管道的 補口材料來看 ,過去主要采用冷纏帶 、石油瀝青玻璃布 等 ,近年來,由于熱縮制品的發(fā)展 ,多采用聚乙烯熱收 縮帶 、聚乙烯熱熔套等 。針對補口是保溫管道的關鍵 環(huán)節(jié),設計中一般在管端采用輻射交聯(lián)熱收縮性防水 帽 ,并在補口處鋼管外壁采用加強防腐措施 ,采用的材 料有加強煤焦油瓷漆、加厚型S52 —1 型聚氨酯防 水防腐漆 、環(huán)氧類防水材料、輻射交聯(lián)熱收縮套(帶) 等 。

3 .2 國外保溫管道結構及常用材料 根據(jù)對國外保溫管道檢索資料分析, 國外保溫管 道常用的材料主要有以下幾種類型: (1)保溫管道的結構為輸送鋼管———防腐層 ——— 保溫層———外保護層。其保溫層的材料為閉孔型硬質(zhì) 泡沫塑料 ,地上管道保溫層外的保護層一般采用鍍鋅 鐵皮,地下管道保溫層外的保護層一般采用聚乙烯夾 克 。補口采用現(xiàn)場泡沫塑料澆注 ,然后用熱收縮套和 鐵皮雙重保護。目前保溫管道的防護層采用纏繞法涂 敷工藝,使涂敷質(zhì)量更佳 ,較其它涂敷工藝更經(jīng)濟 。

(2)對管道采用導管傾倒巖石和砂石碎屑進行保 護和保溫。即對預先開挖管溝, 對管線覆蓋保溫砂層 和保護性巖石碎屑的保溫保護方式 。英國北海管道 、 挪威的國家石油公司對近海油井出油管道采取這種保 溫保護方式證明 ,它是一種有效的經(jīng)濟的保溫方式 。

(3)國外近年來用于保溫管道的材料, 除以上所述 外還有: ①纖維類保溫材料 主要為巖棉制品 、礦渣棉制品 、硅酸鹽纖維制品 、 玻璃棉制品等。這類材料造價低, 施工方便 ,工期短 , 結構簡單 。 硅酸鹽纖維制品有硅酸鋁氈、保溫繩、陶瓷纖維紡 織品。這類材料的特點是耐火、保溫 ,使用溫度高 , 化 學穩(wěn)定性好,但價格較貴 。 玻璃棉及制品材料密度小 ,導熱系數(shù)小, 在日本使 用廣泛。 ②氣孔狀(亦稱空氣層型)(粉未類)保溫材料 這類保溫材料有珍珠巖、硅藻土 、膨脹硅石 、硅酸 鈣制品 、復合硅酸鹽制品(硅酸鎂、海泡石 、硅酸鉛 、稀 土復合保溫材料等)。 目前在這類材料基礎上又發(fā)展出超輕量硅酸鈣及 超微粒子二氧化硅。超輕量硅酸鈣密度、線收縮率、防 水性能 、添加增強材料等方面均優(yōu)于普通硅酸鈣制品 。 它的導熱系數(shù)僅是其它無機保溫材料的 1/3 ～ 1/4 。 ③多泡型保溫材料 目前, 國外發(fā)泡型保溫材料分為 :a)有機發(fā)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 、聚異氰脲酯泡沫塑料等 。它們都具有導熱系 數(shù)小、吸水率低 、抗壓強度高、易于成型 ,方便施工等特 點;b)無機發(fā)泡塑料如:發(fā)泡珍珠巖 、玻璃發(fā)泡體、發(fā)泡 水泥、發(fā)泡粘土 、發(fā)泡蛭石 、水玻璃發(fā)泡體、發(fā)泡陶瓷以 及磷酸鹽等 。國外通過對無機發(fā)泡材料的開發(fā)和研究 表明, 有相當部分無機保溫材料很理想 , 且價格低廉 。 這些無機發(fā)泡材料有取代泡沫夾克中聚氨酯泡沫塑料 保溫材料的趨勢 ;c)復合泡沫材料如 :由樹脂粘合玻璃 泡沫而形成的一種復合泡沫保溫材料 。異氰酸脂與堿 金屬硅酸鹽類反應, 可制成有機無機復合泡沫塑料 。 該類材料的較大優(yōu)點是泡沫結構非常堅固 , 抗壓強度 大和耐高溫,其特點是密度大 、導熱系數(shù)大、價格高 。 從上所述可以看出, 管道保溫材料從其類型上可 分為多泡型、空氣層型和纖維型三大類 。 由于多泡型保溫材料具有導熱系數(shù)小、吸水率低、 抗壓強度高及易于成型和便于施工等優(yōu)點, 在國外的 油氣管道保溫中已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。

4 保溫管材料應用及其特性

4.1 防腐層 管道防腐材料選擇應做到技術可靠、經(jīng)濟合理、因地 制宜。管道常用防腐材料基本性能及適用范圍如下:

4 .1 .1 石油瀝青防腐涂料 石油瀝青具有良好的粘 結力,電絕緣性能好,吸水性低, 化學穩(wěn)定性強, 并且成 本低 、防腐效果好等優(yōu)點 ,但石油瀝青耐候性差, 不耐 陽光直接照射 ,機械強度較低,易受植物根系穿透和微 生物侵蝕 ,因此適用于輸送介質(zhì)溫度不超過 80 ℃的埋 地鋼質(zhì)管道。石油瀝青外防腐管道不宜敷設在水下或 沼澤及蘆葦?shù)貛А?img alt="" src="https://img73.hbzhan.com/73c1482f3b90472aaa57ad8cc349771fc7ad181f3e8d58098e4cad27c7a87cd027a57063a70f4b2d.jpg" style="height:500px; width:500px" />

4 .1 .2 環(huán)氧煤瀝青防腐涂料 該涂料由環(huán)氧樹脂 、煤 瀝青、有機溶劑、防銹劑和填料等組成。它不僅具有環(huán) 氧樹脂的高粘結力 、高機械強度 、耐化學介質(zhì)侵蝕等性 能 ,具有煤瀝青優(yōu)異的耐水性、抗微生物、抗植物根系 等優(yōu)點。其絕緣性能優(yōu)良, 能在各種酸 、堿、鹽、水和油 類中長期浸泡,使用溫度在 -40 ℃～ 110 ℃之間 。 環(huán)氧煤瀝青涂料是甲、乙雙組分涂料,并和相應的 稀釋劑配套使用。 環(huán)氧煤瀝青抗紫外線性能差 ,涂敷施工要求嚴格, 但具有抗植物根莖穿透的特點, 一般適用于管溝管道、 埋地管道,不宜用于地上裸露管道。

4 .1 .3 氯化橡膠防腐涂料 氯化橡膠分為防銹底漆 和各色面漆。它具有良好的耐侯性、除銹性能, 附著力 良好 ,耐水和耐化學介質(zhì)的腐蝕性等優(yōu)點。它使用維 修方便, 漆膜基本無毒 。氯化橡膠應采用厚漿型面漆, 總的漆膜厚度應在 200μm 左右 。適用于地上管線及 管溝管線。

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 、耐酸堿鹽類腐蝕性和 耐水 、耐油、抗寒等性能, 其附著力強, 柔韌性、耐磨性 好 ,漆膜干燥快和抗離子輻射性能強 ,一般適用于地上 管線。

4 .1 .5 TO 樹脂防腐涂料 TO 樹脂防腐涂料主要是 由 TO 樹脂及加入的增韌劑 、固化劑 、稀釋劑等組成。 其主要特點是附著力強 、密封絕緣性好、韌性和抗沖擊 性強、涂膜無毒,可在溫度-60 ～ 150 ℃下長期使用。 TO 樹脂防腐防水涂料適用于鋼質(zhì)直埋管線或理 地保溫管線的外保護層, 也適用于常年在強烈日光照 

射場合使用的設施, 如架空管線 、露天儲罐及設備的防 腐蝕 。

4 .1 .6 聚氨脂涂料 其中的聚氨脂底漆廣泛應用于 油(氣)管道 、儲罐及海洋條件、中強腐蝕環(huán)境下鋼結構 及砼結構的防護。而聚氨脂面漆具有高光澤 , 保色性 和保光性強,耐酸、堿 、鹽類腐蝕性 。

4.2 保溫層

4 .2 .1 巖棉、礦渣棉 巖棉、礦渣棉可加入酚醛樹脂 制成或直接貼面縫合成氈 、板、帶、管殼 、縫氈 、貼面氈 等各種制品 。廣泛用于架空敷設的保溫油(氣)管道 , 當用于地溝敷設時, 應采用加強防水措施。

4 .2 .2 聚氨脂硬質(zhì)泡沫塑料 它是一種發(fā)泡體保溫 材料, 廣泛應用于地下直埋敷設保溫油(氣)管道, 尤其 是長輸干線管道 。

4 .2 .3 復方硅酸鋁 復方硅酸鋁棉又稱陶瓷棉, 是一 種具有絕熱 、耐火雙重功能的無機纖維材料 。它的主 要成分是氧化鋁和氧化硅 。主要用于架空高溫管道 , 其使用溫度為 800 ～ 1200 ℃。

4 .2 .4 復方硅酸鹽保溫涂料 它廣泛用于架空及地 溝敷設的管道, 因其適用于涂抹施工及對保溫面的良 好粘接性能,尤其適合于各種不規(guī)則保溫面(如管件 、 閥門等), 其溫度適用范圍為-25 ℃～ 600 ℃。 4.2.5 膨脹珍珠巖 膨脹珍珠巖及其制品是較早并較多 在油(氣)管道上應用的保溫材料, 其溫度使用范圍為50 ℃～ 900 ℃,對管溝敷設的各種管道尤為經(jīng)濟合理。

4 .2 .6 微孔硅酸鈣 微孔硅酸鈣耐溫達 650 ℃, 較多 用于地溝及架空敷設的各種保溫管道 , 尤其是近年來 和聚氨脂硬質(zhì)泡沫塑料的配合使用, 使其在高溫直埋 管道上得以廣泛使用 。

4.3 外防護層 管道保溫工程質(zhì)量的好壞在很大程度上取決于防 護層材料質(zhì)量的優(yōu)劣 。由于目前采用的大多數(shù)保溫材 料都具有一定的吸水率, 所以一旦外防護層破壞, 水很 容易侵入保溫層內(nèi)部 , 此時保溫層就失去了干態(tài)時的 優(yōu)良性能, 導致熱損失增大 , 管道加速腐蝕 , 管道運行 就會偏離較佳工況。因此, 國外都很重視對防水防護 材料的開發(fā)和選用, 常用非金屬防水防護層材料有 :

4.3.1 高(低)密度聚乙烯覆蓋層(國內(nèi)俗稱“夾克”) 聚乙烯是一種超高分子聚合物, 用聚乙烯作為保 溫材料的保護層 ,可以有效地阻止水向保溫層的滲透 , 且這種材料的電絕緣性好 , 易于加工成型 。用這種材 料制成的防水保護夾克具有一定的抗磨、抗沖擊、抗撕 裂和抗拉性能, 可以滿足施工、運行載荷的要求。目前 國內(nèi)外多采用聚乙烯作為防水防護層 。 聚乙烯分為高密度聚乙烯和低密度聚乙烯, 它們 均可用作防水防護夾克材料 。二者的不同點是高密度 聚乙烯的拉伸強度 、斷裂伸長率和耐老化性能優(yōu)于低 密度聚乙烯, 而低密度聚乙烯的耐環(huán)境應力開裂性能 優(yōu)于高密度聚乙烯 。目前國外已有將高、低密度聚乙 烯共同混制成新材料(國內(nèi)亦稱其為中密度), 這種共 混的新材料的性能優(yōu)于兩種單純的聚乙烯原料, 其密 度介于二者之間。

4.3.2 有機硅憎水劑 這是一種含有硅元素的有機 高分子聚合物, 它具有優(yōu)異的防潮、憎水 、耐溫 、耐老 化 、電絕緣、阻燃及化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點 。并且易于加 工 ,用量少,一般用于無機保溫材料的防水處理 。其處 理方式有兩種 :一是表面憎水,即將稀釋到一定濃度的 有機硅憎水劑乳液涂刷在保溫材料表面 ,然后烘干 ;二 是整體防水, 即將一定量的有機硅憎水劑摻入保溫材 料內(nèi)部, 使其以分子狀態(tài)均勻分布在每個孔隙中,使保 溫制品形成整體防水體 。

4.3.3 模制聚氨酯夾克 它一般用于 PVC 泡沫塑料 保溫管道 。這種夾克是通過在保溫層外面涂敷聚氨酯 并使聚氨酯滲入 PVC 泡沫保溫塊之間的縫隙而形成 的 ,因而保溫層與模制聚氨酯夾克之間的粘接力相當 高 ,同時這種夾克具有很好的耐磨性能。

4.3.4 橡膠防水層 目前 ,國外使用較多的是氯丁橡 膠 ,它既可用作鋼管的防腐涂層 ,亦可用作泡沫保溫層 的防水保護層。當用作保溫層的防水保護層時, 一般 用于 PVC 保溫管道 。

4.3.5 其它防水材料 如 :改性瀝青、防水塑料、玻璃 布 、鍍鋅鐵皮 、增強 PVC 塑料布等 ,一般多用于陸上架 空管道或短距離埋地管道, 且多用于纖維狀 、氣孔狀保 溫材料的防水層。