管道E防腐層表面極化處理技術(shù)

管道3PE防腐層表面極化處理技術(shù)研究中國石油天然氣**研究院科研管理部QC小組一、概述管道防腐補(bǔ)口是埋地管道防腐工程的重要環(huán)節(jié)。近年來我國油氣管道外防腐幾乎全部采用3PE防腐結(jié)構(gòu)，但由于3PE材料本身的特性導(dǎo)致與之匹配的補(bǔ)口材料非常少。目前熱收縮套（帶）產(chǎn)品應(yīng)用較多，但在實(shí)際補(bǔ)口施工中存在一定的局限性。本課題通過研究管道3PE表面化處理技術(shù)，解決無溶劑補(bǔ)口涂料與3PE防腐層的牢固粘結(jié)難題，從而為實(shí)現(xiàn)無溶劑涂料極新型補(bǔ)口技術(shù)提供有力支持。二、小組概況1、小組簡介表小組名稱：**研研究院科研管管理部QC小組成立時(shí)間：20007年5月課題名稱：管道33PE防腐層表面面極化處理技技術(shù)研究活動(dòng)時(shí)間：20007年5月～11月注冊編號(hào)：類型：創(chuàng)創(chuàng)新型活動(dòng)次數(shù)：32次次出勤率：988%人均接受TQC教教育：35小時(shí)平均年齡：35歲歲序號(hào)姓名性別學(xué)歷職稱/職務(wù)組內(nèi)分工1女本科助工/QC組長整體策劃、組織實(shí)實(shí)施2男本科高工/主任課題實(shí)施、監(jiān)督檢檢查3男研究生教授級(jí)高工/院長長技術(shù)指導(dǎo)4男博士高工/總工技術(shù)指導(dǎo)、檢查5男本科高工/中國質(zhì)量協(xié)會(huì)質(zhì)量量管理小組活活動(dòng)診斷師策劃；培訓(xùn)、指導(dǎo)導(dǎo)；課題發(fā)表表6女大專政工師課題試驗(yàn)、資料整整理7女本科助工課題試驗(yàn)、資料整整理8男本科工程師課題實(shí)施9男大專工程師課題實(shí)施制表人：**2、小組活動(dòng)表時(shí)間項(xiàng)目5月6月7月8月9月10月11月選定課題設(shè)定目標(biāo)提出各種方案并確確定最佳方案案制定對(duì)策表按照對(duì)策表實(shí)施確認(rèn)效果標(biāo)準(zhǔn)化總結(jié)與今后打算制表人：**三、選擇課題1、問題的提出3PE防腐層具有諸如機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)勢，但由于其材料本身的特性導(dǎo)致補(bǔ)口涂料很難與其牢固粘結(jié)。目前，國內(nèi)外3PE補(bǔ)口技術(shù)沒有新的突破，3PE防腐層補(bǔ)口技術(shù)亟待解決。2、對(duì)問題的分析課題組通過查閱大量的資料，對(duì)3PE材料的特性進(jìn)行歸納，見圖1。圖1有機(jī)涂料難以實(shí)現(xiàn)與3PE表面牢固粘接原因分析有機(jī)涂料難以實(shí)現(xiàn)與3PE表面牢固有機(jī)涂料難以實(shí)現(xiàn)與3PE表面牢固粘接原因分析3PE材料結(jié)晶度高，不能被涂料溶脹3PE臨界表面張力小，潤濕能力差3PE存在弱邊界層，形成弱的粘結(jié)層3PE材料為非極性高分子，表面活性能低3PE存在弱邊界層，形成弱的粘結(jié)層3PE材料為非極性高分子，表面活性能低]制圖人：**對(duì)3PE材料之所以同其它涂料很難牢固地粘結(jié)在一起，是因?yàn)?PE材料的四個(gè)特性所致。要想實(shí)現(xiàn)補(bǔ)口涂料與管道3PE防腐層的牢固粘結(jié)，就必須通過3PE材料表面改性處理來克服以上影響因素。3、選擇突破口（1）提出突破口針對(duì)“如何進(jìn)行3PE防腐層表面改性處理”這一問題，小組運(yùn)用“頭腦風(fēng)暴法”并利用親和圖歸納出四個(gè)可供選擇的突破口，見圖2和表1。圖23PE防腐層表面改性處理方案3PE防腐層表面3PE防腐層表面改性處理方案機(jī)械糙化法火焰加熱處理法法過渡膠粘劑法法3PE表面極化處理技術(shù)制圖人：**表13PE防腐層表面改性處理方案介紹序號(hào)方案名稱原理介紹1機(jī)械糙化法3PE表面經(jīng)機(jī)械械打磨而變得得粗糙，使3PE表面形成許許多孔穴，良良好的潤濕涂涂料涂敷于3PE表面。一方方面使其粘結(jié)結(jié)面積增大，另另一方面涂料料進(jìn)入3PE孔穴起到機(jī)機(jī)械拴鎖作用用。2火焰加熱處理法3PE表面經(jīng)火焰焰加熱脫氫而而形成聚合物物自由基，然然后進(jìn)一步與與燃燒產(chǎn)生的的氧原子反應(yīng)應(yīng)生成羥基、羧羧基等極性基基因，達(dá)到提提高3PE表面極性、實(shí)實(shí)現(xiàn)與涂料的的化學(xué)鍵粘結(jié)結(jié)。3過渡膠粘劑法合成一種與3PEE材料結(jié)構(gòu)相相似、表面活活性能相近的的膠粘劑。此此種膠粘劑既既能同3PE層形成良好好粘結(jié)，又能能與覆蓋層很很好粘結(jié)，起起搭接作用。43PE表面極化處處理技術(shù)極化處理改性技術(shù)術(shù)是在電磁能能的作用下，將將空氣、惰性性氣體及可反反應(yīng)氣體進(jìn)行行激發(fā)離解和和電離，使之之對(duì)3PE等塑料表面面發(fā)生化學(xué)和和物理作用，從從而改變3PE表面附著性性能。制表人：**（2）突破口的分析、評(píng)估與確定小組通過查找大量的資料，對(duì)四個(gè)可供選擇的突破口進(jìn)行了分析、評(píng)估，并選定了突破口，見表2。表2突破口分析、評(píng)估及選定表序號(hào)突破口內(nèi)容分析評(píng)估綜合得分選定突破口可實(shí)施性經(jīng)濟(jì)性預(yù)計(jì)有效性是否帶來其他問題題1機(jī)械糙化法1．容易實(shí)施；2．成本較低；3．物理方法改進(jìn)33PE表面粘能力力非常有限；；4.無其他隱患患?！颉酢鳌?0不選2火焰加熱處理法1．加熱操作不易對(duì)對(duì)溫度、時(shí)間間、烘烤距離離等參數(shù)準(zhǔn)確確掌握；2．成本較低；3．預(yù)計(jì)改進(jìn)3PEE表面粘能力力有限；4．現(xiàn)場明火作業(yè)存存在安全隱患患?！酢颉鳌?0不選3過渡膠粘劑法1．施工比較方便；；2．合成出性能理想想的膠粘劑難難度很大，費(fèi)費(fèi)用投資大；；3．預(yù)計(jì)有一定的效效果，但不長長久；4．3PE表面化學(xué)性性能可能會(huì)發(fā)發(fā)生改變?！颉酢酢?2不選43PE表面極化處處理技術(shù)1．在管道3PE層層從來沒有應(yīng)應(yīng)用過，但小小組成員長期期在該領(lǐng)域從從事研發(fā)工作作，具備很強(qiáng)強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力力；2．需要一定費(fèi)用；；3．僅限于被處理表表面很淺的深深度，不會(huì)影影響材料的本本體性質(zhì)；4．預(yù)計(jì)有很好的效效果，并且長長效；5．無其他問題?！颉酢颉?8選定表中：◎5分□3分△1分制表人：**日期：4、確定課題：管道3PE防腐層表面極化處理技術(shù)研究四、設(shè)定目標(biāo)課題目標(biāo)：研究管道3PE表面極化處理技術(shù)，改變3PE材質(zhì)特性。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)口材料與管道3PE防腐層的粘結(jié)強(qiáng)度〉6.0MPa（依據(jù)管道局《寒冷地區(qū)管道防腐層補(bǔ)口技術(shù)研究》課題合同制定）。五、提出各種方案并確定最佳方案由于管道3PE防腐層表面極化處理技術(shù)是一種創(chuàng)新性技術(shù)，如何達(dá)到良好的3PE表面極化處理效果，課題組成員運(yùn)用創(chuàng)新思維，借助“頭腦風(fēng)暴法”，相互啟發(fā)，把能夠帶到預(yù)定目標(biāo)的各種方案充分地提出來。最后關(guān)鍵點(diǎn)落在“研制新型管道3PE表面極化處理機(jī)”上。課題組針對(duì)“研制新型管道3PE表面極化處理機(jī)”這一主題展開了廣泛的討論。問題主要集中在極化裝置電源模塊的設(shè)計(jì)和放電電極材質(zhì)的選擇這兩個(gè)要點(diǎn)上。小組成員對(duì)這兩個(gè)要點(diǎn)列舉出了多種方案，并逐一進(jìn)行分析，試驗(yàn)論證，最終確定了可采用的方案。要點(diǎn)一、極化裝置電源模塊的設(shè)計(jì)極化裝置電源模塊的設(shè)計(jì)方案此種極化裝置從未生產(chǎn)制造過，沒有可直接借鑒的產(chǎn)品。小組成員運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法，圍繞實(shí)現(xiàn)小組活動(dòng)目標(biāo)，提出了許多想法和看法，并利用親和圖進(jìn)行親和，針對(duì)極化裝置電源模塊的設(shè)計(jì)歸納成以下三種方案：方案一：整流部分采用晶閘管可控橋式整流；逆變部分采用晶閘管逆變。方案二：整流部分采用晶閘管不可控；逆變部分采用晶閘管逆變。方案三：整流部分采用橋式整流硅堆；逆變部分采用IGBT（逆變模塊）。各種方案的可行性分析及評(píng)估：表3極化裝置電源模塊設(shè)計(jì)方案表序號(hào)模塊設(shè)計(jì)方案分析評(píng)估綜合得分是否采用組員項(xiàng)目孫晶楊天冰白世武詹春秋****蘇瑞黃河1整流部分采用晶閘閘管可控橋式式整流；逆變變部分采用晶晶閘管逆變1.設(shè)計(jì)容易，技技術(shù)成熟。2.費(fèi)用低；3.控制系統(tǒng)不穩(wěn)穩(wěn)定；4.體積較大，較較重。5.頻率低，預(yù)計(jì)計(jì)極化效果不不理想。難易度經(jīng)濟(jì)性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性輕便性預(yù)計(jì)效果◎◎△△△◎□△△□□◎△□□□□□△□◎□□△□□◎△□□□□△□□◎◎△△△116不采用2整流部分采用晶閘閘管不可控；；逆變部分采用晶閘閘管逆變1.設(shè)計(jì)較容易；；2.需要一定費(fèi)用用，但不會(huì)很很高。3.控制系統(tǒng)穩(wěn)定定性一般；4.體積較小，較較輕。5.頻率范圍窄，預(yù)預(yù)計(jì)極化效果一般。難易度經(jīng)濟(jì)性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性輕便性預(yù)計(jì)效果□□△□△◎□△□□□□△◎□◎□△□□◎□□□□□△△◎□□□△□△◎□△□□112不采用3整流部分采用橋式式整流硅堆；；逆變部分采用IGGBT（逆變變模塊）1.技術(shù)先進(jìn)，有有一定難度。2.需要一定資金金；3.控制系統(tǒng)穩(wěn)定定；4.體積小，重量量輕。5.功率范圍廣，預(yù)預(yù)計(jì)處理效果果佳。難易度經(jīng)濟(jì)性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性輕便性預(yù)計(jì)效果◎◎□◎◎◎◎□◎◎◎□◎□□□□◎□◎□◎◎◎◎◎□□◎□□◎◎◎◎◎◎□◎◎172采用表中：◎5分□3分△1分制表人：**評(píng)估結(jié)果：極化裝置電源模塊設(shè)計(jì)方案各項(xiàng)綜合得分滿分為200分，我們把得分率最高的方案作為采用的方案，則電源模塊設(shè)計(jì)方案采用整流部分采用橋式整流硅堆；逆變部分采用IGBT（逆變模塊）方案。要點(diǎn)二、放電電極材質(zhì)的選擇1、放電電極材質(zhì)的選擇方案極化處理電極是創(chuàng)新裝置的技術(shù)核心部分。如何選擇合適的材質(zhì)，研制出機(jī)械性能好，放電均勻，極化效果好，經(jīng)久耐用的極化電極。小組成員運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法，圍繞實(shí)現(xiàn)小組活動(dòng)目標(biāo)，針對(duì)極化電極的材質(zhì)選擇歸納成以下三種方案：方案一：采用金屬放電電極。方案二：石英玻璃電極。方案三：進(jìn)口電工陶瓷管。2、各種方案的試驗(yàn)論證在2007年6月份，小組成員對(duì)上述三種電極設(shè)計(jì)方案逐一進(jìn)行了試驗(yàn)分析，論證其利弊。見表4及圖3、圖4。表4放電電極材質(zhì)的設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)情況序號(hào)電極試驗(yàn)方案試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析結(jié)論1金屬放電電極1.具有一定的極極化效果，但但3PE表面極極化不均勻。2.對(duì)補(bǔ)口管段的的鋼管過早放放電，存在很很大的極化處處理盲區(qū)。3.放電溫度過高高，3PE涂層表表面出現(xiàn)了輕輕微碳化。1.設(shè)計(jì)較容易；；2.費(fèi)用較低；3.機(jī)械性能強(qiáng)；；4.耐久性一般；；5.放電不均勻，極極化處理效果果不好。6.3PE涂層表表面產(chǎn)生碳化化，影響涂料料粘結(jié)。未能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)標(biāo)2石英玻璃電極1.具有很好的極極化效果，33PE表面極極化處理均勻勻。2.這種電極機(jī)械械性能差，要要輕拿輕放，小小心使用。3.隨著放電極化化，電極中石石英也在損耗耗，適用性能能受影響，適適用時(shí)間較短短。1.設(shè)計(jì)較難；2.費(fèi)用適中；3.機(jī)械性能差；；4.耐久性差；4.極化效果好。極化效果很好，但但由于機(jī)械性性能還奶久性性因素影響，該該材質(zhì)不適用用于現(xiàn)場使用用。3進(jìn)口電工陶瓷管1.具有很好的極極化效果，33PE表面極極化處理均勻勻。2.技術(shù)先進(jìn)，設(shè)設(shè)計(jì)有一定難難度。3.電極機(jī)械性能能強(qiáng)，很耐用用。4.溫度低，可避避免損傷PEE表面。5.極化處理工效效高。1.技術(shù)先進(jìn)，設(shè)設(shè)計(jì)較難；2.費(fèi)用較高；3.機(jī)械性能高；；4.耐候耐久性優(yōu)優(yōu)；5.極化效果好。達(dá)到很好的極化效效果，適用于于現(xiàn)場使用。費(fèi)費(fèi)用需要得到到領(lǐng)導(dǎo)的支持持。制表人：**從試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，極化放電電極采用進(jìn)口電工陶瓷管材質(zhì)能夠達(dá)到很好的極化效果，并且適用于現(xiàn)場使用。試驗(yàn)及論證結(jié)論：最終確定電源模塊設(shè)計(jì)方案采用整流部分采用橋式整流硅堆；逆變部分采用IGBT（逆變模塊），極化放電電極采用進(jìn)口電工陶瓷管材質(zhì)方案。圖3試驗(yàn)極化電極圖4檢測3PE表面極化處理效果制圖人：**日期：2007.06.16制圖人：**六、制定對(duì)策表5對(duì)策表序號(hào)對(duì)策目標(biāo)措施地點(diǎn)負(fù)責(zé)人完成日期1組裝極化處理機(jī)電電源箱提供輸出電壓2000-2500V，輸出頻頻率40-1100KHzz的電源。1．將50Hz交流流電整流為直直流電。2．濾除電源雜波，保保證平滑的直直流電波。3．采用先進(jìn)的IGGBT逆變模模塊，保證逆逆變后的輸出出頻率在400-100KKHz的范圍圍。實(shí)驗(yàn)室2007年7月20日2制作高頻變壓器電源輸出電壓提高高至8-122KV，保持持輸出頻率440-1000KHz不變變。次級(jí)繞組大于初級(jí)級(jí)繞組。實(shí)驗(yàn)室2007年7月25日3制作極化處理電極極均勻傳遞電源能量量，保證極化化效果均勻。選擇阻擋介質(zhì)均勻勻的進(jìn)口陶瓷瓷管作為材質(zhì)質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室2007年7月30日4組裝極化處理機(jī)整整機(jī)，并進(jìn)行行調(diào)試極化處理后的3PPE表面張力力〉48dyyn/cm1．通過調(diào)整IGBBT模塊試驗(yàn)驗(yàn)，設(shè)定合理理的輸出頻率率和輸出電壓壓。2．測試極化處理后后的3PE表面張張力。實(shí)驗(yàn)室2007年8月25日制表人：**七、方案實(shí)施小組對(duì)此方案的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分的討論，并取得了一致意見。經(jīng)過兩個(gè)月的實(shí)施，完成了新型管道3PE表面極化處理機(jī)的設(shè)計(jì)和加工，并對(duì)管道3PE表面進(jìn)行了大量的極化處理試驗(yàn)和效果檢測工作。實(shí)施一（1）為了更好的掌握IGBT（逆變模塊）的設(shè)計(jì)原理和工作模式，小組成員**、楊天冰到常州進(jìn)行了學(xué)習(xí)，并購買了一套IGBT（逆變模塊）。（2）組裝電路，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，調(diào)試輸出頻率、輸出電壓參數(shù)。（3）2007年7月20日組裝完畢電源箱。實(shí)施二（1）小組**、黃河兩名同志選擇高頻率的鐵芯。（2）通過計(jì)算輸出功率，選擇線徑和繞組圈數(shù)。（3）使用絕緣油組裝高頻變壓器，2007年7月25日完成制作高頻變壓器。實(shí)施三（1）由組長**組織大家調(diào)研，購買到一根進(jìn)口電工陶瓷管。（2）黃河、**、**三名同志利用10天時(shí)間，制作陶瓷管放電電極。（3）制作絕緣電極手柄和連接線。（4）試驗(yàn)電極放電狀況。實(shí)施四（1）小組成員**、黃河、**三名同志利用1周時(shí)間組裝極化處理機(jī)。（2）組長**組織成員**、**、**、黃河利用兩周進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)工作，確定合理的電源輸出頻率和輸出電壓等工作參數(shù)。（3）采用達(dá)因液檢測方法，測試極化處理后3PE表面的表面張力，來確定極化處理的效果。圖5組裝好的3PE表面極化處理機(jī)圖6在3PE試件上試驗(yàn)極化處理機(jī)制圖人：**日期：2007.08.25制圖人：**八、效果檢查管道3PE防腐層表面進(jìn)行極化處理，最終目的是通過這種方法，改變3PE表面特性，從而提高補(bǔ)口材料與3PE表面的粘結(jié)力。我們以3PE防腐層表面極化處理后與補(bǔ)口涂料（改性聚脲）的粘結(jié)強(qiáng)度作為極化處理效果的最終檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。課題組在2007年8月25日到9月30日共進(jìn)行了5次補(bǔ)口材料噴涂實(shí)驗(yàn)，并對(duì)極化后3PE防腐層與改性聚脲補(bǔ)口材料的附著力進(jìn)行了數(shù)據(jù)記錄(噴涂后一周測試附著力)。見圖7、圖8。沒有處理過的3PE防腐層表面與補(bǔ)口材料附著力值平均值：0.5MPa；極化處理后的3PE表面與補(bǔ)口材料附著力值平均值為：8.1MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表6。圖7噴涂補(bǔ)口材料實(shí)驗(yàn)圖8對(duì)試件進(jìn)行附著力檢測制圖人：**日期：2007.09.02制圖人：**表6補(bǔ)口材料噴涂試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)序號(hào)試驗(yàn)時(shí)間試件個(gè)數(shù)附著力值（MPa）附著力平均值（MPa）167.27.68.78.19.08.58.2267.68.97.38.17.27.07.7388.38.97.57.38.19.08.77.18.1488.07.97.57.78.99.18.77.68.2588.57.47.17.98.89.38.77.98.2補(bǔ)口材料與3PEE防腐層附著著力平均值8．1