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​海底管道节点内部液态环氧涂层的施工
2022年03月10日    新闻来源:涂层与防护杂志     |  投稿

0 引言


海底管道将海上油气田、储油设施或陆上处理终端连接成一个有机的整体,使海上生产设施的各个环节通过管道形成相互关联、相互协调作业的生产操作系统。海洋油气管道的泄露往往是由腐蚀造成的,一般包括内部腐蚀和外部腐蚀两大类。在国内,内部腐蚀的防护方法以使用缓蚀剂和不锈钢为主,以环氧树脂作为内涂层的海管仅在国外应用较多涂料在线coatingol.com。大量实验证明,Cl-和CO2环境下碳钢局部腐蚀非常快,增加内涂层后,腐蚀速率能大幅降低。如以熔结环氧粉末(FBE)作为内涂层的海管在中东获得广泛应用,用于防止管道内部腐蚀,延长管道服役寿命,同时减小管道内介质的输送阻力。相比金属复合管,带FBE内涂层的管道制造成本较低。带内涂层的海管同样需要对节点内部进行补口,而且往往是在铺管船舶上进行,以确保内涂层防腐和减阻作用的连续性。


液态环氧自动化喷涂是一种高技术含量的海管节点内部防腐工艺,国内铺管项目中尚无应用先例,国际上也仅有极少数公司具备成熟的自动化喷涂设备和海上施工能力。本文结合国外某海管项目施工情况,介绍了液态环氧自动化喷涂施工及施工设备并给出结论和相关建议。


1 LE涂层材料简介


海底管道铺设项目中,以原油为主的油气混输管线,且介质呈中度酸性(H2S分压为102 Psi,CO2分压为78 Psi,氯离子含量为14 095 mg/L),最高运行温度为71.1 ℃,最高设计温度为82.2 ℃,根据项目设计要求,管体涂层为FBE,节点内部补口涂层为液态环氧。液态环氧(LE)材料选用SP-9888,该材料与项目海管管体内涂层FBE具有较好的兼容性,而且能够较好地适用于自动化喷涂。SP-9888是基于零挥发性酚醛技术生产制造而成,该材料固化后形成高度交联的涂层,具有优异的耐化学腐蚀、耐溶解、耐水浸特性、100%固体、挥发性有机物为零、高耐磨性等特点,可获得较厚涂层、单层涂层结构、优秀的抗冲击性能、良好的流动性,见图1。


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图 1 海管节点内部液态环氧涂层


2 LE涂层的施工


为保证施工程序、材料和施工效率等参数满足项目需要,根据项目业主要求,在海管铺设开始前须按照程序鉴定试验(PQT, Procedure Qualification Trial)和试生产(PPT,Pre-Production Trial)程序的要求进行PQT和PPT试验,验证涂装工艺、设备、材料和人员操作水平是否满足要求。LE的主要施工工序包括表面处理、搭接位置处理、焊后外观检验、表面抛丸清理、LE涂装及检验。


2.1 表面处理


表面处理主要方法为喷砂,其工艺特点与节点外部防腐喷砂基本相同。喷砂期间,海管在转管设备的驱动下按照一定速度旋转,喷砂人员手持喷砂管头进行喷砂,见图2。


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图 2 喷砂


按照SSPC-SP1标准清除钢表面的污染物和油脂,如有必要应用淡水冲洗以降低钢表面盐分。喷砂处理达到SSPC-SP10级,粗糙度、清洁度和盐分满足项目规格书要求,本项目粗糙度要求50~125 μm,清洁度至少达到ISO 8502-3二级,按照ISO8502-6和ISO8502-9方法进行盐分检测结果≤2 μg/cm2。对于搭接区域处理,利用抛光设备或者类似设备将约6.5 mm长的管体端部涂层去除,目的是加工出过渡斜坡,同时去除损坏的涂层以及涂层与基体之间渗入的水分,然后通过喷砂方法以适当的气压对搭接区域进行粗化处理,搭接宽度为25~50 mm。


海管在陆地存储或运输过程中,会进入一些尘土、沙子或其他污染物;海上施工期间会有部分设备(如坡口、内对口器等)在海管内部工作并与海管内表面接触或者空气相对湿度超过85%,这些情况均不利于控制待喷涂表面质量。因此需要采取措施保证管内的清洁,并保证所有与海管内表面接触的设备不会划伤或破坏表面和管体内部FBE涂层,主要措施包括:①一般利用淡水对海管进行清洗,清洗完成后用管帽封住管口,防止海管内表面污染,在海上施工期间,如果发现管内有必要进一步清理,一般可用清管球对海管内部进行整体清理,清管球支架为圆柱形且为金属材料,支架直径略小于海管内径,需要适当控制支架重量,否则影响清理效果,清管球表面用毛巾或类似材料覆盖;②喷砂工作在管端内部进行,要使用管塞以防止磨料进入管内不易清理,保持管内清洁的环境并保护管体涂层免受损伤,提高cutback(管端金属表面预留长度)区域的喷砂效率;③所有与海管内表面接触的设备都需要对接触面或点进行保护,防止损伤管体涂层或破坏处理后的基材表面,而且喷砂需要在坡口加工完成之后进行,防止机加工碎屑划伤处理后的表面;④如果相对湿度>85%,需要创造相对湿度可控的环境,一般在喷砂的管端搭建工棚,并通过除湿机或工业空调使工棚内相对湿度<85%;⑤在距离试件端部用记号笔在试件内部做节点编号标注,保证节点内部喷涂质量的可追溯性,记号笔应该是对比色明显而且无油脂、无氯化物。


2.2 根焊内表面外观检验


管端喷砂结束后,待喷涂表面需要经过焊接消磁、焊接预热、坡口组对、封底焊接等环节,最后才可以进入喷涂环节。其中坡口组对和焊接环节对待喷涂表面质量影响最大且频率最高。在组对完成以后焊接开始前,需要对坡口进行预热,内部对中器中的润滑脂可能液化而滴落到待喷涂表面;另外焊接也可能产生一些焊接缺陷,如熔透不好、加强高过高、不可轻扫掉的焊接飞溅、尖锐表面等。为了保证待喷涂表面质量,需要在封底焊接之后对待喷涂表面进行一次外观检查(内窥镜检查,见图3),该检验工作由专用的检验设备来完成(该设备一般位于焊接对中器之后并与内对中器机械连接,与内对中器同步运动),确保整个待喷涂区域的可喷涂性。一般情况下如果目视焊缝余高>1.5 mm、焊接飞溅粒度大、存在尖锐表面或者表面有油污时,需要直接切口重焊,除非具备对表面进行修磨清理的条件(如人钻进海管内进行打磨或者内对中器之后外挂修磨设备)。

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图 3 焊道内部外观检验


2.3 喷涂前表面抛丸清理


计算机控制内防腐小车,首先将离心式抛丸盘定位于焊缝区域,然后启动抛丸清理以及真空回收程序,程序中控制参数主要有抛丸速度、抛丸时间、丝杆运行宽度等,这些参数已经通过PQT和PPT进行评定。其中抛丸清理首先以顺时针方向旋转清理,然后反方向旋转清理,该清扫工作主要用于清除表面浮锈、杂物、粉尘或细小颗粒物,对于较大颗粒焊接飞溅或者油污等则无法清除,最后通过内防腐小车上的360°旋转该摄像头来确认灰尘、焊接烟尘等是否被清理干净。


2.4  液态环氧自动化喷涂


根据SP-9888材料厂家推荐,待喷表面温度需要保持在15~60 ℃(基材表面温度不宜过高,否则再喷涂时间过短,补漆操作时间紧张),喷涂工艺参数(喷涂盘旋转速度、涂料供给流量、喷涂往返行程宽度、喷涂时间等)通过PQT或PPT试验最终确定并由计算机直接控制。施工期间,以正常铺管为主,铺管效率稳定,铺管作业线流水线上的焊接、焊道检验以及节点涂覆均进行高效率作业,节点内防腐设备可以按照设定好的程序对每个节点进行连续喷涂作业。当海况较差或者遇到一些特殊情况不得不进行缓慢铺设时,节点内部防腐需要相应降低喷涂效率,与铺管效率相匹配。


高转速喷盘通过前后移动可以达到的喷涂区域宽度约为200 mm(基于cutback为60 mm并且不超过粗化的搭接区域),考虑到喷涂后可能需要局部修补,因此正常喷涂厚度设计为500~1 000 μm,需要留一定的厚度余量(一般为500 μm),涂层最厚不超过1 500 μm,喷涂厚度通过计算机软件加以控制。


如果发现局部喷涂不充分,操作人员可以通过调整喷涂小车位置对该区域进行重新喷涂或者对整个节点进行喷涂。但是需要注意:重新喷涂需要在最大再喷涂间隔时间范围内进行,最大再喷涂时间间隔由材料自身性能决定,一般材料生产商会提供推荐值,比如涂层周围环境温度为30 ℃时,SP-9888液态环氧材料的最大再喷涂时间间隔为2.4 h,而当环境温度为60 ℃时,最大再喷涂时间间隔缩短至25 min。


2.5 最终检查


通过内防腐小车上的可360°旋转的摄像头,喷涂操作人员和防腐QC人员对喷涂后的表面情况进行目视检测,核实cutback、焊缝区域以及搭接区域(至少25mm)是否被完全覆盖,是否存在肉眼可见的针孔缺陷,喷涂区域是否超过粗化的搭接区域。如果喷涂区域超出粗化的搭接区域很少或者有零散的喷涂点出现在未粗化的管体涂层上,在不影响节点补口整体内防腐涂层质量的前提下是可以接受的。同时要检查标记的节点编号,这些视频和照片资料存档并提交给业主存档。目视检查结果需要被喷涂操作人员以及防腐QC人员接受,并记录在施工日报中。


3 LE涂层用施工设备


LE自动化喷涂工艺需要进行喷砂、焊后外观检验和喷涂等操作,焊后外观检验设备结构较为简单,主要对喷砂系统和专门设计的自动化喷涂设备进行如下介绍。


3.1 喷砂设备和焊道检验设备


主要包括2台空压机(一用一备)、1套空气干燥设备、1台气罐、2套气体准备系统(调节最终的喷砂气体压力)、2套喷砂回收系统(喷砂&砂粒回收、喷砂头和管线);1套便携式喷砂机,结构简单,喷砂气压压力较低,只能用于轻度喷砂,主要用来清扫灰尘和清除新生浮锈,一般用于焊道切口后的内部喷砂除浮锈;1套转管系统,包括2套转动滚轮、1个液压动力站和1个中控设备,见图4;由于海管铺管对施工效率要求较高,因此喷砂系统经常使用转管设备,以提高喷砂效率。本项目用到的外观检验设备较为简单,仅有内窥镜,见图5。总体来说,管端喷砂系统均为常规设备,喷砂效果良好,但是占用的空间较大。

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图 4 转管设备


3.2  自动化喷涂小车


节点内部喷涂在海管内部进行,依据海管直径选择相应规格的全自动化喷涂设备,喷涂小车集成了多个功能模块,见图5。包括爬行动力单元,为内防腐小车提供爬行动力;电池组,为爬行、清理、喷涂等功能模块提供电力;离心式抛丸清理机构,清理待喷涂表面的灰尘、小颗粒焊接飞溅及其他附在待喷涂表面的杂物等;真空回收单元,回收喷出的砂粒;喷涂单元,负责按照设定的程序进行喷涂;检查设备,由摄像系统组成,主要用于内防腐小车定位、喷涂前后的表面检查、节点编号检查等。

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图 5 根部焊道检验设备


内防腐小车的电池需要定时更换或充电,喷砂磨料和液态环氧材料也需要根据消耗情况及时添加。以36英寸内防腐设备为例,需要每12 h或者每50个节点出来更换一次电池。每次内防腐小车退出海管后都要做标定检查,执行一个完整的喷涂程序,记录所喷出涂料的总质量以及涂料混合比例(环氧涂料按照体积计算),以保证和验证设备运行的稳定性和精确度。另外,标定检查之后,需要确认液态环氧和固化剂是否超过材料厂家所推荐的最高温度,使用在标定有效期内的测温探针测量每种材料的实际温度。液态环氧最高温度为65 ℃,固化剂最高温度为45 ℃,所有的测试信息都要记录在内防腐小车退出报告中。另外需要检查钢砂磨料的状态,每次给内防腐小车充电或更换电池时检查钢砂磨料的状态,主要检查磨料的规格是否有明显减小,看磨料是否被水或者油脂物质所污染,如果发现异常,需要更换磨料。如果控制信号丢失或者设备故障等原因,导致内防腐小车无法正常爬行,需要启动应急锁定功能,等待救援小车援救。


3.3  控制系统


控制系统主要包括:1台主机、1套可显示模拟动画的控制程序、若干个显示屏、1个外观检验设备控制系统,对讲机1台(可与管端内部预喷砂工作站以及内防腐小车维修站人员进行沟通,如传达操作指令或者确认一些操作信息等),这些设备集中于集装箱内,见图6。由经验丰富的领队对所有施工动作进行管控。


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图 6 内防腐设备控制系统


控制系统主要功能包括:①观察各工作区的作业情况,包括甲板区的喷砂工作,作业线0-1站的内防腐设备维保工作及设备功能性测试工作等;②发出控制信号并控制焊道背面外观检验动作和喷涂小车的动作(爬行、喷砂、清理砂粒、喷涂、喷涂后外观检验)。


4 结论和建议

4.1 结论


本项目是我公司承揽的首个带有节点内防腐施工的国际铺管工程,该项目为节点内防腐技术在国内海管项目中应用积累了丰富的施工管理经验,但是也发现了当前国际上节点内防腐施工技术存在的不足:①国际项目中一般不对内防腐涂层加速固化并进行厚度、漏点等检测,仅通过严格的过程控制来保证涂层质量,涂层质量评判方法主要由经验丰富的喷涂操作人员和防腐QC人依靠喷涂设备上的内窥镜进行外观检查,虽然这种涂层质量控制方法获得了沙特阿美及其他一些国家业主的认可,但是存在一定的主观性;②节点内防腐设备较为复杂,施工过程中设备稳定性和控制信号稳定性需要严格控制,并需要在每次喷涂之前和之后分别对内防腐设备的运行进行测试,一定程度上影响施工效率。


4.2 建议

国内少数公司已经具有国产的自动化喷涂设备,但是缺少在海管施工工况下对喷涂质量稳定性的大量验证,如果要使该技术在国内实现广泛的工程应用,需要探索科学合理可靠的液态环氧涂层质量保证措施或者研发新的涂层质量检测方法,并做充分的验证。建议再从这些方面加强过程控制:①管端表面处理环节,喷砂设备占用较大的船舶空间,一般会增加设备布置难度,建议使用或研发体积更小的喷砂设备;②焊接完成后,建议内窥镜与激光扫查联合使用,有利于获取更加精确的表面状态信息,有利于判断表面的可喷涂性;③对于不可喷涂的表面状态,建议使用修磨设备,避免切口而严重影响铺管效率;④焊道在管端喷砂结束完成,建议强化内防腐设备上的清理功能,更好地保证焊道区域的粗糙度;⑤建议使用封底焊接质量较高的焊接工艺,如钨极氩弧焊或STT(表面张力过渡)自动焊或CMT(冷金属过渡)等,尽可能保证焊后内部表面的平整性。



参考文献(略)

作者 | 彭清华,满新宝,吴业卫,等

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)


标签:工业涂料辅料与设备今日头条涂装应用技术中心防腐涂料船舶涂料
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