Подходит ли полиэтиленовая антикоррозийная лента для подземных трубопроводов? 

Анализ применения полиэтиленовой антикоррозионной ленты в подземных трубопроводах с антикоррозийными свойствами

1. Основные характеристики полиэтиленовой антикоррозионной ленты

Полиэтиленовая антикоррозийная лента - это композитный материал, состоящий из полиэтиленовой основы и клеевого слоя, который специально разработан для защиты металлических труб от коррозии.Этот материал обладает рядом превосходных физических и химических свойств, что делает его важным выбором в области защиты трубопроводов от коррозии.

Судя по составу материала, в качестве основы полиэтиленовой антикоррозионной ленты обычно используется полиэтилен высокой плотности (HDPE) или полиэтилен средней плотности (MDPE). Эти материалы обладают отличной механической прочностью и химической стойкостью.Клеевой слой обычно изготавливается из бутилкаучука или модифицированного асфальта и других материалов, которые обладают хорошими адгезионными и герметизирующими свойствами.Такая двухслойная структура позволяет ленте одновременно выполнять две функции - механическую и химическую защиту.

С точки зрения физических свойств, полиэтиленовая антикоррозийная лента обладает хорошими характеристиками.Ее предел прочности при растяжении обычно составляет от 10 до 20 МПа, а относительное удлинение при разрыве может достигать 300-500%, что позволяет ленте адаптироваться к различным механическим нагрузкам в процессе строительства трубопровода.В то же время гибкость полиэтиленового материала позволяет ему плотно прилегать к поверхности труб различного диаметра и формы, и даже сложные фитинги могут быть хорошо покрыты.

Химическая стабильность - еще одно важное преимущество полиэтиленовой антикоррозионной ленты.Полиэтилен обладает высокой устойчивостью к большинству кислот, щелочей, солей и других химических веществ и имеет широкий диапазон значений рН (обычно от 3 до 11).Кроме того, полиэтилен сам по себе обладает очень низким коэффициентом пропускания водяного пара (<0,1г/м2·24 часа), что позволяет эффективно блокировать проникновение влаги и кислорода и устранять первопричину, необходимую для электрохимической коррозии.

Что касается термостойкости, полиэтиленовая антикоррозийная лента, как правило, может стабильно работать в течение длительного времени в диапазоне температур от -30 ℃ до 70 ℃ и может выдерживать более высокие температуры в краткосрочной перспективе.Такая широкая адаптируемость к температурным условиям позволяет ему соответствовать экологическим требованиям большинства подземных трубопроводов.

2. Особые требования к антикоррозионной защите подземных трубопроводов

Будучи скрытым проектом, подземные трубопроводы сталкиваются с уникальными и серьезными проблемами в области защиты от коррозии.По сравнению с наземными трубопроводами подземная среда является более сложной и изменчивой, что предъявляет более высокие требования к антикоррозийным материалам.

Состояние грунта является основной проблемой, с которой сталкиваются подземные трубопроводы.Различные типы почв обладают существенно различными коррозионными свойствами, и влияющие факторы включают удельное сопротивление почвы, содержание воды, солей, значение рН и микробиологическую активность.Сильно засоленные почвы (например, прибрежные районы) или кислые почвы (рН<5) могут значительно ускорить процесс коррозии металлических труб.Кроме того, блуждающие токи в почве, особенно блуждающие токи постоянного тока от электрифицированных железных дорог или высоковольтных систем электропередачи, могут вызвать серьезную электролитическую коррозию.

Еще одним важным фактором является механическое воздействие.Подземные трубопроводы подвергаются различным механическим нагрузкам во время строительства и эксплуатации, включая удары при обратной засыпке, нагрузки, вызванные оседанием грунта, и вибрацию, передаваемую наземными транспортными нагрузками.Эти нагрузки могут привести к повреждению антикоррозионного слоя, что, в свою очередь, вызывает локальную коррозию.

Долгосрочная стабильность эксплуатационных характеристик является основным требованием к защите подземных трубопроводов от коррозии.Расчетный срок службы подземных трубопроводов обычно достигает 30-50 лет, что требует, чтобы антикоррозионные материалы не только обладали отличными первоначальными эксплуатационными характеристиками, но и обладали долгосрочной стабильностью и могли противостоять воздействию факторов старения, таких как старение окружающей среды и ослабление напряжения.

Адаптивность конструкции также имеет решающее значение.Подземные трубопроводы в основном строятся в природных условиях, со сложными условиями окружающей среды, простой конструкцией из антикоррозийных материалов, умеренными требованиями к обработке поверхности, и могут нормально строиться в различных климатических условиях (таких как высокая влажность и низкая температура).В то же время материал должен быть удобен для контроля качества на месте и устранения дефектов.

Сочетая эти требования, идеальный антикоррозийный материал для подземных трубопроводов должен обладать превосходной проницаемостью, химической стабильностью, механической прочностью, устойчивостью к старению и удобством в строительстве.Полиэтиленовая антикоррозийная лента демонстрирует высокую конкурентоспособность в этих аспектах, но ее необходимо оценивать целенаправленно в соответствии с конкретными техническими условиями.

3. Анализ преимуществ и недостатков подземного применения полиэтиленовой ленты

Полиэтиленовая антикоррозийная лента обладает значительными преимуществами для использования в подземных трубопроводах, но она также имеет определенные ограничения и нуждается в объективной оценке.

Преимущества：

Водонепроницаемые и непроницаемые характеристики.Сам по себе полиэтиленовый материал обладает очень низкой проницаемостью для водяного пара, а благодаря адгезивному слою с высокой вязкостью он может служить полноценным водонепроницаемым барьером.Экспериментальные данные показывают, что коэффициент водопоглощения высококачественных полиэтиленовых ленточных систем обычно составляет менее 0,1%, что значительно ниже, чем у многих других антикоррозийных материалов.Эта характеристика делает его особенно подходящим для условий с высоким содержанием воды или влажной почвой.

Широко переносимый химический препарат.Полиэтилен обладает высокой устойчивостью к большинству почвенных химикатов (включая соли, слабые кислоты, щелочи и т.д.).По сравнению с эпоксидными антикоррозийными материалами полиэтиленовая лента более устойчива к углеводородам, которые могут содержаться в почве, что особенно важно при прокладке нефте- и газопроводов.

Хорошая механическая защита.Полиэтиленовая лента имеет определенную толщину (обычно 0,5-1,5 мм), которая может эффективно предотвращать механическое повреждение корпуса трубы острыми предметами, такими как гравий, в процессе обратной засыпки.Его высокое удлинение (>300%) позволяет ему адаптироваться к незначительной деформации трубопровода без разрушения.

Конструкция удобна и эффективна.Полиэтиленовая лента изготавливается по технологии холодной намотки, без подогрева или специального оборудования, а скорость строительства может достигать сотен метров в час, что значительно повышает эффективность проекта.Особенно при строительстве в дикой природе или в ограниченном пространстве, это преимущество становится еще более очевидным.

Выдающаяся экономичность.По сравнению с другими антикоррозийными системами стоимость материалов и стоимость изготовления полиэтиленовой ленты относительно невелики, а общая стоимость проекта может быть дополнительно снижена благодаря высокой скорости строительства.Анализ затрат на полный жизненный цикл показывает, что его соотношение цена/производительность вполне конкурентоспособно в большинстве сценариев применения.

Ограничения：

Устойчивость к высоким температурам ограничена.Полиэтиленовый материал постепенно размягчается при температуре выше 70 ℃, и клей также может разрушиться. Поэтому он не подходит для высокотемпературных трубопроводов или наземных трубопроводов, находящихся под воздействием прямых солнечных лучей в тропических районах.Однако в обычных подземных условиях это ограничение оказывает незначительное влияние.

Средняя устойчивость к почвенным нагрузкам.В условиях, подверженных значительному смещению грунта (например, в сейсмоактивных районах и зонах вечной мерзлоты), полиэтиленовая лента может расползаться или отслаиваться из-за постоянного напряжения.В этом случае требуются дополнительные защитные меры.

Следует обратить внимание на совместимость катодной защиты.Полиэтиленовая лента обладает чрезвычайно высокими изоляционными свойствами, что может повлиять на равномерное распределение тока катодной защиты.Расположение анода и параметры тока должны быть разумно спланированы во время проектирования, и при необходимости можно использовать токопроводящую ленту или дополнительные токопроводящие точки.

Ключевым моментом является контроль качества на месте.Производительность ленточной системы в значительной степени зависит от качества конструкции, особенно от обработки поверхности, обхвата ленты и степени уплотнения.Это требует строгого строительного надзора и инспекционных процедур, что увеличивает затраты на управление качеством.

Сложность ремонта относительно высока.После повреждения системы полиэтиленовой ленты процесс ремонта становится относительно сложным, обычно требуются специальные ремонтные материалы и инструменты, а технические требования к обслуживающему персоналу высоки.

4. Технические моменты применения и технические характеристики конструкции

Для обеспечения эксплуатационных характеристик полиэтиленовой антикоррозионной ленты при прокладке подземных трубопроводов необходимо строго соблюдать соответствующие технические требования и строительные стандарты, а также контролировать ключевые моменты контроля качества.

Обработка поверхности является основой успешной работы антикоррозионной системы.Поверхность стальной трубы должна соответствовать стандарту пескоструйной обработки и удаления ржавчины Sa2.5, а глубина поверхностного анкерного рисунка должна составлять от 50 до 75 мкм.Обработанная поверхность должна быть очищена от жира, пыли и окисленной корки, а нанесение грунтовки (при необходимости) и намотка ленты должны быть завершены в течение 4 часов.Когда влажность превышает 85% или температура окружающей среды ниже 5℃, следует принять специальные меры для обеспечения качества обработки.

Выбор грунтовки так же важен, как и способ ее нанесения.Для систем с полиэтиленовой лентой в качестве поддерживающей грунтовки обычно используется модифицированный каучуком асфальт или синтетическая смола, и ее роль заключается в усилении адгезии ленты к стальной трубе.Грунтовку следует равномерно нанести кистью, а ее толщину следует контролировать на уровне 100-200 мкм, чтобы поверхность стальной трубы была полностью покрыта, но не текла.После высыхания грунтовочной поверхности (обычно через 30-60 минут) ленту следует немедленно намотать, чтобы избежать вторичного загрязнения поверхности.

Процесс намотки ленты непосредственно влияет на целостность системы.При намотке следует поддерживать постоянное натяжение (обычно 20-30 Н/см), чтобы лента плотно прилегала к корпусу трубки без образования складок.Ширина нахлеста между соседними ленточными кольцами должна составлять не менее 25 мм (для труб общего назначения) или 50 мм (для крупнокалиберных или важных труб), а продольный нахлест должен быть не менее 100 мм.Для трубной арматуры и деталей специальной формы следует использовать специальную ленту или технологию формования на месте, чтобы обеспечить полное покрытие.

Звено контроля качества является незаменимым.В процессе строительства необходимо провести три основных проверки: проверка внешнего вида (отсутствие пузырьков, складок, механических повреждений), проверка толщины (в соответствии с проектными требованиями, обычно ≥0,7 мм) и обнаружение утечек электроэрозионным способом (напряжение обнаружения рассчитывается в соответствии с толщиной (мм) 3,2 кВ, отсутствие явления поломки).Для важных трубопроводов также следует отобрать образцы для проверки прочности на отрыв (обычно ≥50 Н/см).

Не менее важны меры по защите от обратной засыпки.Перед обратной засыпкой убедитесь, что антикоррозийный слой полностью затвердел (обычно более 24 часов).В грунте для обратной засыпки не должно быть острых камней и строительного мусора, а при необходимости следует уложить защитный слой из мелкого песка.В скальных породах или зонах повышенного напряжения рассмотрите возможность добавления защитного слоя из бетона или защитной плиты из полиэтилена высокой плотности.

Специальные стратегии реагирования на воздействие окружающей среды включают в себя: в районах с вечной мерзлотой следует оценить влияние цикла замораживания-оттаивания на адгезию ленты и при необходимости использовать ленту специального состава; в районах с высокой соленостью и щелочью рассмотрите возможность добавления слоя промежуточного покрытия, стойкого к солености и щелочи; в районах с высокой соленостью там, где микроорганизмы активны, можно выбрать ленточные изделия с антибактериальными свойствами.

5. Сравнительный анализ с другими антикоррозийными системами

Существует множество технических решений в области защиты подземных трубопроводов от коррозии. Сравнение полиэтиленовой ленты с несколькими основными системами защиты от коррозии помогает принимать инженерные решения при выборе.

По сравнению с традиционными системами нефтяного асфальтобетона, полиэтиленовая лента обладает очевидными преимуществами.Для нанесения антикоррозионного слоя нефтяного асфальта обычно требуется многослойная структура (асфальт + стеклоткань + внешняя защита) общей толщиной 4-6 мм. Процесс строительства сложен, а загрязнение окружающей среды велико.Система полиэтиленовых лент имеет простую конструкцию, толщина обычно составляет всего 0,7-1,4 мм, а вес снижается более чем на 60%.Что касается термостойкости, то нефтяной асфальт легко течет при высокой температуре (обычно применимая температура ≤60 ℃) и легко растрескивается при низкой температуре (≥-10 ℃), в то время как полиэтиленовая лента подходит для более широкого диапазона температур.С точки зрения защиты окружающей среды, полиэтиленовая лента не содержит растворителей и летучих веществ, а конструкция более чистая.

По сравнению с системой наплавленного эпоксидного порошка (FBE) у них есть свои преимущества.FBE обладает адгезией (>70 Н/см) и совместимостью с катодной защитой, но его толщина меньше (обычно 0,3-0,5 мм), механическая защита слабая, и требуется профессиональное оборудование и строгий контроль процесса.Полиэтиленовая лента обладает лучшей механической защитой и простым строительным оборудованием, но требования к обработке поверхности не менее строгие.С точки зрения устойчивости к нагрузкам на грунт, FBE лучше; с точки зрения ударопрочности и износостойкости полиэтиленовая лента работает лучше.С точки зрения стоимости, первоначальные инвестиции в систему FBE высоки, но затраты на техническое обслуживание невелики, что подходит для проектов с длительным сроком службы и высокими стандартами; первоначальная стоимость системы с полиэтиленовой лентой низкая, что подходит для проектов с ограниченным бюджетом или средами средней агрессивности.

По сравнению с трехслойной полиэтиленовой системой (3LPE), 3LPE обладает превосходными эксплуатационными характеристиками, но высокой стоимостью.3LPE сочетает в себе преимущества склеивания FBE с механической защитой полиэтилена. Общая толщина обычно составляет 2-3 мм, что подходит для суровых условий эксплуатации.Однако его необходимо предварительно изготовить на заводе, обработка швов на месте сложна, а ремонт затруднен.Полиэтиленовая лента больше подходит для строительства и ремонта на месте и обладает большей гибкостью.Для трубопроводов малого и среднего калибра или проектов по техническому обслуживанию экономия полиэтиленовой ленты более заметна.

По сравнению с полипропиленовой лентой, они относятся к тем же антикоррозийным материалам, что и лента.Полипропиленовая лента обладает более высокой термостойкостью (до 100℃), но ее гибкость и низкотемпературные характеристики оставляют желать лучшего, а стоимость обычно на 20-30% выше.Полиэтиленовая лента имеет более высокое соотношение цены и качества в большинстве подземных условий, если только рабочая температура трубопровода не превышает 70℃ в течение длительного времени.

В совокупности полиэтиленовая лента имеет четкие позиции в области защиты подземных трубопроводов от коррозии: она особенно подходит для трубопроводов малого и среднего диаметра в среднеагрессивных средах и обеспечивает хороший баланс между удобством конструкции, общей производительностью и стоимостью.Для проектов со сверхдолгим сроком службы (>50 лет) или в экстремальных условиях (таких как глубоководье, вечная мерзлота) может потребоваться использование антикоррозионных систем более высокого класса.

6. Долгосрочная оценка эффективности и инженерные кейсы

Многолетняя эффективность полиэтиленовой антикоррозионной ленты для подземных трубопроводов была подтверждена лабораторными испытаниями и фактической инженерной проверкой, а также накопленным богатым опытом.

Данные испытаний на ускоренное старение показывают, что после 3000 часов выдержки высококачественной полиэтиленовой ленты в условиях имитируемого грунта скорость изменения ключевых показателей эффективности обычно контролируется на уровне: изменение прочности при растяжении составляет <15%, изменение относительного удлинения при разрыве составляет <20%, а отслаивание прочность снижается менее чем на25%.Согласно уравнению Аррениуса, фактический срок службы, соответствующий этой скорости затухания, может достигать более 30 лет.Особенно формула с добавлением антиоксидантов и УФ-стабилизаторов обладает лучшей устойчивостью к старению.

Последующие исследования реальных инженерных кейсов дают более убедительные доказательства.В одном проекте водопровода для защиты от коррозии используется полиэтиленовая лента. После 25 лет эксплуатации земляные работы и испытания показали, что общий уровень целостности ленточной системы превысил 90%. Не было обнаружено существенного проникновения влаги или коррозии основания, а на месте локального механического повреждения произошла лишь незначительная коррозия.Испытания подземных трубопроводов в другом химическом парке после 18 лет эксплуатации показали, что адгезионные свойства ленты остаются хорошими, и только края кронштейнов для труб, по-видимому, деформировались из-за длительного воздействия.

Исследования совместимости катодной защиты показывают, что хорошо спроектированная система полиэтиленовой ленты хорошо сочетается с катодной защитой.Данные мониторинга показывают, что защитный потенциал области, покрытой лентой, стабилен и составляет от -0,85 до -1,2 В (относительно электрода Cu/CuSO4), и нет ни чрезмерной, ни недостаточной защиты.Стоит отметить, что изоляция ленточной системы фактически снижает потребность в токе катодной защиты, что может значительно снизить эксплуатационные расходы в крупных трубопроводных сетях.

Анализ режимов сбоев выявляет связи, на которых необходимо сосредоточить внимание.Статистика показывает, что основными причинами выхода из строя систем из полиэтиленовой ленты являются: дефекты конструкции (на которые приходится 42%), механические повреждения (35%), старение материала (15%) и другие факторы (8%).Среди них строительные дефекты в основном проявляются в некачественной обработке поверхности, недостаточном притирании ленты и недостаточном уплотнении; механические повреждения в основном возникают при обратной засыпке и последующих земляных работах.Эти данные подчеркивают важность строгого контроля качества и надлежащей механической защиты.

Направления инноваций и усовершенствований включают: разработку нанокомпозитных полиэтиленовых материалов для повышения механической прочности и термостойкости; разработку самовосстанавливающихся адгезивных систем для автоматического устранения незначительных повреждений; внедрение интеллектуальных функций мониторинга, таких как встраивание проводящих волокон для онлайн-мониторинга состояния антикоррозионных слоев.Ожидается, что эти технологические достижения еще больше повысят эффективность применения полиэтиленовой ленты в подземных трубопроводах.

7. Выводы и рекомендации

Всесторонняя оценка показывает, что полиэтиленовая антикоррозийная лента является надежным, экономичным и удобным антикоррозийным решением для большинства подземных трубопроводов.Его превосходная водостойкость, химическая стабильность и механические защитные свойства позволяют удовлетворить потребности в защите обычных подземных трубопроводов, а относительно низкая стоимость и гибкость конструкции делают его более конкурентоспособным в небольших и средних проектах.

Ниже приведены рекомендации по отбору проектов：

(1) Для трубопроводов обычных сред, таких как вода и газ, с расчетным сроком службы менее 30 лет, полиэтиленовая лента является отличным экономичным выбором.；

(2) В районах с высоким уровнем воды или химически загрязненной почвой следует выбирать изделия с подложкой из полиэтилена высокой плотности и толстым клеевым слоем (≥1 мм).；

(3) В районах со значительным напряжением почвы или вечной мерзлотой рекомендуется использовать усиленную внутреннюю сетчатую ленту или дополнительную механическую защиту в сочетании；

(4) Для работы при высоких температурах (>60℃) или в особых химических условиях следует использовать другие, более профессиональные антикоррозионные системы；

(5) В любом случае, должны строго соблюдаться стандарты обработки поверхности и технологии строительства, а также проводиться всесторонние проверки качества.

Прогноз будущих тенденций развития: С развитием технологии материалов полиэтиленовая антикоррозийная лента будет развиваться в направлении повышения производительности, функционализации и защиты окружающей среды.Экологичные продукты, такие как полиэтилен на биологической основе и ленты, пригодные для вторичной переработки, постепенно будут становиться популярными, а интеллектуальные антикоррозионные системы также станут актуальной темой исследований и разработок.Однако в обозримом будущем традиционная полиэтиленовая антикоррозийная лента по-прежнему будет занимать важное место в области антикоррозионной защиты подземных трубопроводов, особенно при строительстве инфраструктуры в развивающихся странах и на мировом рынке технического обслуживания трубопроводов.