定向钻穿越3PE防腐层碳纤维复合材料防护技术dd

定向钻穿越3PE防腐层碳纤维复合材料防护技术

中国页岩气网讯：水平定向钻穿越(HDD)技术具有施工周期短、对环境扰动小等特点，适用于铁路、公路、河流等区域埋地管道的铺设，是一种高效的非开挖埋地管道铺设技术，目前广泛应用于管道穿越工程。由于定向钻穿越技术的工艺特点、穿越段地质条件及施工技术的限制，穿越过程中极易造成管道防腐涂层的磨损和划伤， 甚至损伤管体。

目前，国内定向钻穿越管道防腐层主要选用加强3PE，现场补口则采用定向钻专用热收缩带，并在外层设置牺牲带。尽管聚乙烯具有良好的抗冲击性能，但其耐划伤性能较差。补口处的问题更加严重，在管道穿越回拖过程中，包覆焊口的热收缩带被刮翻事件经常发生，导致补口防腐失效。

针对该问题，国内外通常采取的方式是在管道防腐层外设置耐磨防护层，以确保穿越过程中防腐层的完整性。耐磨涂层除了应具备优异的耐划伤和耐磨性能之外，还需与防腐层之间形成良好粘接，同时具有一定的柔韧性和抗冲击性能，目前主要采用光固化套和玻璃纤维增强复合材料。光固化套防护技术曾在漠大线黑龙江穿越段中使用，但该技术完全被国外垄断， 存在工程造价高、与3PE 防腐层无法有效粘接、纤维不连续、增强效果有限等问题，在国内管道建设中未得到广泛应用。玻璃纤维增强复合材料的研究在国内尚处于起步阶段，复合材料的强度、耐划伤性、与3PE 外防腐层的匹配性均有待提高。为此，尝试利用碳纤维复合材料机械强度高、耐划伤性能好等特点，解决管道穿越过程中外防腐层的划伤问题。

一、外防护层性能实验

1、试件制备

首先将防腐层上的灰尘、污物彻底清除干净，同时保持管体清洁、干燥，严禁管体结露。然后在防腐层上涂刷自制聚乙烯粘接增强剂，待粘接增强剂在空气中干燥至“手触不粘”的程度，即可进行碳纤维复合材料的缠绕。缠绕时首先将配制好的碳纤维专用环氧树脂在涂覆有粘接增强剂的防腐层上涂刷一层，然后缠绕碳纤维布，每缠绕一周，在纤维表面涂刷一层胶液，待碳纤维布完全被胶液浸润后方可继续缠绕，共缠绕3 层。施工过程中，利用消泡罗拉沿纤维方向反复滚压， 施工完成后，室温固化24 h 即可进行性能测试。

2、性能测试

剪切强度依据GB/T 7124-2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定》进行测试，剪切速度10 mm/min。剥离强度依据GB/T 2792-1998《压敏胶粘带180°剥离强度试验方法》进行测试，剥离速度300 mm/min。抗弯曲性能依据GB/T 23257-2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》附录E 防腐层抗弯曲试验方法进行测试，弯曲角度4.5°，测试温度20±5 ℃。冲击强度依据GB/T 23257-2009《埋地钢质管道聚乙烯防腐层》附录K 防腐层冲击强度试验方法进行测试，测试温度20±5 ℃。耐划伤性能采用HS2001 抗划伤测试仪依据SY/T 4113-2007《防腐涂层的耐划伤试验方法》进行测试。划伤头选用SL-1 高质合金划伤头，试件移动速度250 mm/min，试验温度23±2 ℃。试验后，通过观察试件的划伤形态，利用900 V 直流电压检测划伤处是否有漏点，采用划痕深度测量仪测量划痕深度，以评测防腐层的耐划伤性能。

二、结果与讨论

1、聚乙烯的粘接性

聚乙烯是四大难粘材料之一，主要原因：

①表面能低且润湿性差——润湿性是粘接的首要条件，聚乙烯表面能和临界表面张力() 均较低，因而润湿性较差。

②结晶度高——聚乙烯分子链结构规整，结晶度高，化学稳定性好，溶胀和溶解比非结晶高分子困难，当胶粘剂涂在其表面时，很难发生高聚物分子链的相互扩散与缠结，无法形成较强的粘附力。

③分子链呈非极性——聚乙烯是典型的非极性高分子材料，分子上没有任何极性基团，结构对称性好，胶粘剂吸附在其表面，只能形成较弱的色散力，而缺少取向力和诱导力，因而粘附性较差。

④存在较弱的边界层——除结构原因之外，聚乙烯材料表面存在较弱的边界层，这种弱边界层来自聚合物本身的低分子成分以及加工过程中的助剂、杂质等，其存在极大地降低了聚乙烯的粘接强度。

防护层与防腐层的界面粘结对于整体性能的发挥起着至关重要的作用。界面粘结的强弱以及界面粘结状态直接影响防护层与防腐层间的应力传递与分散性，从而影响体系的整体性能。若使两界面间形成足够的粘接强度，两相表面互相浸润是先决条件。聚乙烯分子链是非极性的全碳氢结构，其表面无任何活性点，表面能低，无法被极性环氧树脂所浸润，不能形成化学结合，从而导致界面粘结强度较弱。因此，增强碳纤维/环氧树脂基复合材料与PE 层的界面粘结性是亟待解决的关键问题。但目前对PE 常用的等离子体、电晕、表面接枝、化学氧化等处理方法均无法满足3PE 管道现场施工的要求。新建管道常用的“火焰喷烤+机械打毛”的方法，对增强PE 与环氧树脂的粘接效果非常有限，且存在破坏PE 层完整性的风险。相比而言，通过在3PE 管道外直接涂刷粘接增强剂来改善PE 与碳纤维/环氧树脂基复合材料间的粘接性，更具有现场可行性。

2、聚乙烯粘接增强剂的粘接性

在管道穿越过程中，需要承受巨大的摩擦力和剪切力，防护层与防腐层间良好的粘接是防护作用有效发挥的保证。

图1 　PE 与环氧树脂搭接剪切强度测试照片

当PE被拉伸变形时，环氧树脂与PE 的搭接处依然粘接良好，未发生破坏(图1)。即使当PE 发生严重变形时，PE 与环氧树脂在粘接处仍未脱开，最后对搭接处的测试变成了对聚乙烯的拉伸测试(图2)。

图2 　搭接剪切强度测试前后样品的外观照片

23 ℃ 时，涂刷粘接增强剂后，PE 与环氧树脂间的搭接剪切强度可以达到3.02 MPa 以上，50 ℃时依然可以达到1.83 MPa 以上。相比而言，若将环氧树脂与PE 直接粘接，搭接剪切强度在23 ℃和50 ℃时分别为1.73 MPa 和0.71 MPa。这说明，聚乙烯粘接增强剂的存在有效增强了PE 与环氧树脂之间的粘接强度。此外，在测试中发现，环氧树脂与PE 间的剥离强度较高，甚至当PE 被拉断时，PE 与环氧树脂间仍未发生完全剥离。与搭接剪切强度类似，对PE 表面进行处理后，PE 与环氧树脂间的剥离强度极大地增强，23 ℃时PE 与环氧树脂的剥离强度可达100.6 N/cm，50 ℃时依然可达57.1 N/cm。相比而言，如果未对PE 表面进行处理， PE 与环氧树脂间根本无法形成有效粘接，在23 ℃仅为2.4 N/cm，升高至50 ℃时根本无法得到有效的测试数据(表1)。

表1 　聚乙烯表面处理情况对剪切和剥离强度的影响

3、穿越管道3PE 外防护层性能表征

1)外观

碳纤维/环氧树脂基复合材料由高强度碳纤维、高性能环氧树脂胶粘复合而成，防腐层厚度约2 mm，碳纤维复合材料缠绕3 层，总厚度约1.5 mm。防护层与3PE 防腐层间无明显的界面分离，也无法通过撬拨的方法将两层分开(图3)。

图3 　管道穿越3PE 防腐层增强结构

2)机械性能

在施工过程中，水平定向钻穿越管道外防腐层的损伤主要是磨损和划伤。磨损是由于管道与钻孔孔壁的接触摩擦所致，磨损程度与穿越土壤/岩石类型有关。划伤是由于管道在拖曳过程中，受到尖锐切割力(如伸入钻孔孔道的岩石)所致。通常情况下，耐磨防护涂层对管道无防腐作用，而是保护防腐层免受外界损伤，因此对防护层更多关注的是其机械性能。

① 柔韧性与抗冲击强度

对比涂刷聚乙烯粘接增强剂前后防护涂层抗弯曲试验的照片可见，该防护层完全可以承4.5°弯曲且无裂纹出现，当PE 层未涂刷聚乙烯粘接增强剂时，极易发生碳纤维层与PE 层的剥离(图4 ①);涂刷聚乙烯粘接增强剂后，碳纤维复合材料与PE 层间结合良好，经过4.5°弯曲，防护层与防腐层仍旧结合良好(图4 ②)。从侧面说明聚乙烯粘接剂的存在有效增强了环氧碳纤维复合材料与聚乙烯的粘接。

图4 　涂刷聚乙烯粘接增强剂前后防护涂层4.5°抗弯曲试验

通过室温条件下防护层的抗冲击性能试验结果可知，碳纤维复合材料本身具有非常好的抗冲击性能， 经40 J 冲击25 次后，防护层仍然完整无损，这远高于3PE 防腐层8 J/mm 的要求。此外，聚乙烯粘接增强剂的存在，有效改善了碳纤维/环氧树脂基复合材料与PE 的粘接，当未涂刷粘接增强剂时，防护层经6 次冲击便发生了防护层与防腐层的脱离，而涂刷有聚乙烯粘接剂的样品经过100 次冲击后，防护层虽有破损，但两层之间仍紧密结合(图5)。

图5 　室温条件下防护层40 J 冲击测试

② 耐划伤性

在管道穿越回拖过程中，尤其当土壤中含有岩石或石块时，非常容易发生防腐层的划伤。由于通常无法对穿越段防腐层的破损情况进行测试，因此保护防腐层免受损伤至关重要。进行了4 种不同划伤载荷防护涂层耐划伤性能的测试，涂层所承受的载荷分别为30 kg、50 kg、70 kg 和130 kg。测试结果表明，随着划伤载荷的逐渐加大，划痕的深度逐渐增加。当载荷为30 kg 时，仅有防护层表面的树脂出现划痕，未对碳纤维层造成损伤。当载荷逐渐增大至70 kg 时，防护层剩余厚度仍约为74%，即使当划伤载荷增加至130 kg 时，防护层仍未被完全划伤，剩余厚度约45%(图6)。

图6 　4 种不同划伤载荷条件下涂层的耐划伤性能

中国石油天然气集团公司企业标准Q/CNPC38-2002 《埋地钢质管道双层熔结环氧粉末外涂层技术规范》 规定：双层环氧粉末涂层的耐划标准为30 kg 载荷，无漏点。可见，该复合防护涂层具有良好的耐划伤性，可以确保防腐层免受划伤破坏。

结论：

? 通过在3PE 防腐层外涂刷粘接增强剂，极大地改善了环氧树脂与聚乙烯的粘接性能，室温剪切强度从1.73 MPa 增加至3.02 MPa 以上，剥离强度由 2.4 N/cm 增加至100.6 N/cm。

? 该防护层具有良好的柔韧性，可以承受4.5°弯曲，同时粘接增强剂的存在保证了3PE 防腐层与碳纤维/环氧树脂基复合材料间的粘接，经过弯曲测试后两者之间依然结合良好。

? 碳纤维/环氧树脂基复合材料具有良好的抗冲击性能，可以承受40 J 的冲击而无破损。但未在PE 表面涂刷粘接增强剂时，经6 次冲击便可导致防护层与防腐层的剥离;而涂刷粘接增强剂后，经25 次冲击后仍未发生两者的剥离。

? 优异的耐划伤性是管道成功穿越的关键，通过实验发现，该防护层可以承受130 kg 载荷的划伤测试， 远高于目前常用防腐层的耐划伤测试指标。

? 通过在3PE 防腐层和补口处安装防护层，可以有效保护管道在HDD 穿越过程中免受地下坚硬岩石的损伤，杜绝在穿越过程中可能发生的防腐层损伤和热收缩套脱落现象，从而确保防腐层的完整有效。

(冯少广 李荣光 张鑫 李睿 赵云峰 赵国星 / 中国石油管道科技

研究中心· 中国石油天然气集团公司油气储运重点实验室)

(王文荣 / 中国石油天然气管道局北戴河培训中心)

(任文静 / 中国石油大学)

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