一種管道補口與3pe主管搭接區的表面處理裝置的製作方法

2023-05-07 07:59:51

專利名稱：一種管道補口與3pe主管搭接區的表面處理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種管道補口與3PE主管搭接區的表面處理裝置。涉及金屬材料的一般防蝕方法和管道系統技術領域。
背景技術：
隨著國內長輸管道建設的日益發展，3PE管道防腐蝕技術(為環氧底漆+膠粘劑+聚乙烯層結構)在我國埋地鋼質管道外壁的腐蝕防護中得到了越來越廣泛的應用。自陝京線始，國內新建以及規劃中的管線大都採用此種防腐結構。但是，多年的實際應用情況表明，現場管道補口的防腐蝕技術已成為制約管道整體防腐的薄弱環節。管道建設中，主管線部分的3PE防腐塗層是在執行嚴格的質量標準和規範化工藝條件的連續生產線上完成的，其質量基本可以得到保障。而對於補口部分的腐蝕防護，傳統的石油浙青、煤焦油瓷漆、環氧煤焦油、聚乙烯膠帶等技術由於防腐質量和環保方面的問題已經逐漸被淘汰.目前所採用的管道補口技術主要是液態環氧底漆+熱收縮帶(HSS)的結構形式。在補口過程中，通過加熱，熱熔膠粘劑將熱收縮帶和焊口處的環氧底漆層緊密粘接到一起，同時實現熱收縮帶與主管線聚乙烯(PE)層在搭接部位的粘接。但現場應用發現，該技術存在環氧底漆和膠粘劑無法與主管PE層形成長期有效粘接的技術缺陷，導致補口出現了大量的早期失效問題。其原因主要是由於聚乙烯的非極性結構導致其表面能很低，難於粘接所致。因此，對搭接區PE層進行表面極化處理，提高其表面能和潤溼性將有助於提高補口搭接區的粘接強度，保障補口防腐質量。目前，在熱收縮帶與PE的搭接部位，大部分熱收縮帶廠商推薦的做法是對PE層進行火焰氧化與機械拉毛處理，然後塗刷環氧底漆，通過環氧底漆實現熱收縮帶熱熔膠與PE層的粘接，也有部分廠家推薦只對PE層進行拉毛處理而不塗刷底漆。火焰氧化處理可以提高PE的表面極性，機械拉毛則可以通過增加表面粗糙度來提高機械嵌合作用，都有助於改善熱收縮帶與搭接PE層的粘接。但通過大量實驗和現場應用發現，這些表面處理方式在短期內對粘接強度有較大改善 ，但由於未形成有效的化學鍵結合，粘接強度不高，在受到交變以及環境應力後，出現了粘接強度的下降，界面脫附現象。此外，該措施還存在人為因素影響大、處理質量難以控制和施工效率低等問題。除此之外，電暈處理也是改善聚烯烴界面粘接性的有效方式。該方法曾在防腐保溫管道增強泡沫與聚乙烯夾克間粘接性能時得以應用。處理時，將聚乙烯夾克置於電暈放電池的兩極之間，利用高壓使兩極間空氣電離，轟擊聚乙烯表面，引起聚烯烴表面氧化，增加極性。此外，密集的電火花轟擊使聚乙烯表面形成許多小凹坑，增加了表面粗糙度，提高了粘接效果。但由於電暈只能在兩個相鄰的平行電極間進行，且距離不能過大，所以電暈處理方法不適合用於三維物體的表面極化處理。此外該方法還存在耗電高、高壓危險等問題，無法在管道補口現場應用。中國專利文獻200710301715.0提出了一種聚乙烯表面極化處理方法。它首先對搭接區的PE層進行噴砂或手工打磨處理，然後用塑料膜和膠帶將處理後的區域密封，在密封膜上開一個與輸氣管外徑相適應的孔，排除空氣後通入氟氦混合氣體進行表面處理，處理IOmin後去除密封膜，最後無溶劑液體環氧塗料進行補口。但該方法所用的混合氣體為劇毒性氣體，可能會造成操作人員中毒，威脅生命安全，此外還存在處理效率低、成本高等不足，無法在現場應用。因此，有必要開發一種專門針對現場補口的聚乙烯表面處理方法及設備，且具有處理效果好、質量可控、工藝簡單、操作方便、安全高效等優點，有效解決現場補口搭接區域的粘接問題。低溫等離子體是一種處於非熱力學平衡狀態下的等離子體，其離子能量一般約為幾個至十幾電子伏特，大於聚合物材料的結合鍵能(幾個至十幾電子伏特)，完全可以斷裂有機大分子的化學鍵而形成新鍵。但其能量又遠低於高能放射性射線，作用區域只涉及材料表面，不會影響到材料的本體性能。低溫等離子體技術具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環境汙染小、節能等優點，在表面改性中廣泛的應用。此外，等離子體處理不受外觀形狀、基材厚度等限制，處理溫度低，不會造成材料的變形、變質等問題，可以達到傳統物理和化學方法無法達到的處理效果。

實用新型內容本實用新型的目的是設計一種利用低溫等離子體表面處理技術、可有效改善補口防腐材料與主管PE搭接區的粘接性、工藝簡單、處理效果好、質量可控、操作方便、節能環保、安全高效的管道補口與3PE主管搭接區的表面處理裝置。低溫等離子系統中最為主要的部件是等離子發生器和等離子噴槍。等離子發生器主要用於產生特定頻率的高壓脈衝，同時也用於工藝控制。包括操作參數的設定，電壓氣流等運行參數的監控等。等離子噴槍是產生等離子體並將其輸送到被處理工件表面的核心部件，在等離子噴槍內，通過對工藝氣體進行放電而產生等離子體。兩者的配合使他們能夠在大氣壓條件下產生有效的等離子體。圖1是等離子體表面極化處理示意圖。處理時將氣罐I中的氣源和氣罐2中 的功能性氣體分別通過控制閥3、5和流量計4、6在氣體混合室7實現精確混合，然後導入噴槍9內，在等離子發生器8的作用下，通過在噴槍9內放電使氣體成為等離子體，再將產生的等離子體通過噴槍9導向需要處理的聚乙烯層10表面，實現對聚乙烯表面進行改性的目的。噴槍9的結構將帶電的電弧局限在噴嘴內，同時噴嘴也決定了所產生的等離子體的幾何形態。本實用新型是一種利用低溫等離子體表面處理技術來實現管道補口防腐塗層與3PE管道在搭接區域形成有效粘接的裝置。本實用新型的原理是:等離子體是由帶電的正粒子和負粒子組成的集合體，其能量可通過福射、中性粒子流和離子流的碰撞等作用於材料表面，從而產生自由基或與材料表面發生化學反應，以此改善材料的表面特性。通過等離子體技術對補口搭接區域PE層的處理，使材料表面發生多種的物理、化學變化，產生刻蝕而粗糙，同時引入極性基團使PE表面極化。本發明對補口搭接區PE層處理後將發生如下物理化學變化:(I) PE層表面部分化學鍵斷開，形成化學活性高的自由基；[0015](2)以等離子體狀態存在的自由基，迅速與PE表面的自由基結合，形成新的化學鍵，引入極性基團，大幅提高表面的潤溼性能，形成活性表面；(3)PE表面受到轟擊和刻蝕，微觀結構由光滑變得粗糙，有利於粘接材料的滲透和物理嵌合。管道補口與3PE主管搭接區的表面處理裝置構成如圖1所示，包括氣源罐1、功能性氣體罐2、控制閥I 3、流量計I 4、控制閥II 5、流量計II 6、氣體混合室7、等離子體發生器8和噴槍9。氣源罐I和功能性氣體罐2出口各經控制閥I 3、控制閥II 5和流量計I 4、流量計II 6接氣體混合室7，氣體混合室7有管路接入噴槍9，同時在等離子體發生器8產生的高壓脈衝作用下在噴槍6內放電產生低溫等離子體。將氣源罐I和功能性氣體罐2中的氣體通過控制閥I 3、控制閥II 5和流量計I 4、流量計II 6在氣體混合室7實現精確混合，然後導入噴槍9內，在等離子發生器8的作用下，通過放電使氣體成為等離子體，再將產生的等離子體通過噴槍9導向需要處理的聚乙火布層10表面。本實用新型與現有技術相比具有如下優點:(I)PE層表面極性基團的存在可以使補口防腐材料與PE層間形成化學鍵，同時等離子的表面刻蝕作用也可以增加粘接的物理嵌合作用，提高表面粘接的可靠性和持久性，可有效解決管道補口搭接區的粘接難題；(2)該裝置工藝簡單、處理效果好、質量可控、操作方便、節能環保、安全高效，可以大幅度提高目前管道補口的質量和施工速度，並且還可以降低能耗。目前，我國已進入管道建設的高速發展期，未來的10年內，我國至少還要建設15萬公裡的油氣管道，該技術在管道補口上的應用，必將有效提高補口的防腐水平，為管道的安全運行提供技術保障。該項目每年面對的將是高達幾億元的市場，考慮到技術和成本上的優勢，因此該項目具有 巨大的經濟效益。

圖1管道補口與3PE主管搭接區的表面處理裝置構成圖其中I一氣源罐2-功能性氣體罐3—控制閥I4一流量計I5—控制閥II6—流量計II7—氣體混合室8—等離子體發生器9—噴槍10—聚乙烯層
具體實施方式
實施例1.本例是利用射流等離子體來對3PE管道PE層進行表面處理，實現環氧塗料與PE層的有效粘接。其構成如圖1所示，包括氣源罐1、功能性氣體罐2、控制閥I 3、流量計I 4、控制閥II 5、流量計II 6、氣體混合室7、等離子體發生器8和噴槍9。氣源罐I和功能性氣體罐2出口各經控制閥I 3、控制閥II 5和流量計I 4、流量計II 6接氣體混合室7，氣體混合室7有管路接入噴槍9，同時在等離子體發生器8產生的高壓脈衝作用下在噴槍6內放電產生低溫等離子體。[0030]首先對PE層進行噴砂機械處理，增加有效粘接面積，錨紋深度為50-75 U m。處理完成後，將表面灰塵除去進行等離子體表面處理。處理時將氣罐I中的氣源和氣罐2中的功能性氣體分別通過控制閥3、控制閥5和流量計4、流量計6在氣體混合室7實現精確混合，然後導入噴槍9內，在等離子發生器8的作用下，通過在噴槍9內放電使氣體成為等離子體，再將產生的等離子體通過噴槍9導向需要處理的聚乙烯層10表面。等離子體氣氛為空氣，流速為3L/min ;等離子體設備功率為60w，電源頻率為20KHz，常壓放電；噴槍噴嘴直徑為20mm，噴嘴與PE層表面距離為5mm ;處理長度為lm，處理寬度為60mm，處理速度為3m/min。表面等離子體極化處理完成後，塗刷液體環氧塗料，在室溫固化24h。表面處理極化處理完成後首先進行表面張力測定。塗刷環氧塗料後的樣品附著力，剪切強度和長期性能測試。經測試發現，經等離子處理後，水膜可以在PE表面良好鋪展，表面張力大於72.5達因/釐米。環氧與PE之間的附著力大於15MPa，剪切強度大於6.5MPa，並且具有優異的耐熱水浸泡、耐化學介質及凍融循環特性，保障了粘接性能的長期有效性。實施例2.本例是利用射流等離子體來對3PE管道PE層進行表面處理，實現熱收縮帶膠粘劑與PE層的有效粘接。其構成如圖1所示，包括氣源罐1、功能性氣體罐2、控制閥I 3、流量計I 4、控制閥II 5、流量計II 6、氣體混合室7、等離子體發生器8和噴槍9。氣源罐I和功能性氣體罐2出口各經控制閥I 3、控制閥115和流量計I 4、流量計116接氣體混合室7，氣體混合室7有管路接入噴槍9，同時在等離子體發生器8產生的高壓脈衝作用下在噴槍6內放電產生低溫等離子體。首先對PE層進行噴砂機械處理，增加有效粘接面積，錨紋深度為50-75 U m。處理完成後，將表面灰塵除去進行等離子體表面處理。處理時將氣罐I中的氣源和氣罐2中的功能性氣體分別通過控制閥3、5和流量計4、6在氣體混合室7實現精確混合，然後導入噴槍9內，在等離子發生器8的作用下，通過在噴槍9內放電使氣體成為等離子體，再將產生的等離子體通過噴槍9導向需要處理的聚乙烯層10表面。等離子體氣氛為氧氣與氬氣的混合氣體，混合比例為5:1，流速為4L/min ;等離子體設備功率為50w，電源頻率為20KHz，常壓放電；噴槍噴嘴直徑為20mm，噴嘴與PE層表面距離為5mm ;處理長度為lm，處理寬度為60mm，處理速度為3m/min。表面等離子體極化處理完成後，通過熱熔噴槍將熱熔膠塗覆在PE層上，室溫冷卻。表面處 理極化處理完成後首先進行表面張力測定。塗覆熱熔膠粘劑對樣品進行剝離強度、剪切強度和長期性能測試。經測試發現，經等離子處理後，水膜可以在PE表面良好鋪展，表面張力大於72.5達因/釐米。熱熔膠與PE層的室溫剝離強度大於155N/cm，且破壞發生在膠層，膠與PE層粘接良好，室溫剪切強度大於3.5MPa，並且在耐熱水浸泡、耐化學介質及凍融循環測試中，膠與PE層界面粘接良好，保障了粘接性能的長期有效性。經試驗，利用低溫等離子體表面處理技術，可有效改善補口防腐材料與主管PE搭接區的粘接性，工藝簡單，處理效果好，質量可控，操作方便，節能環保，安全高效。
權利要求1.一種管道補口與3PE主管搭接區的表面處理裝置，其特徵是包括氣源罐(I)、功能性氣體罐(2)、控制閥I (3)、流量計I (4)、控制閥II (5)、流量計II (6)、氣體混合室(7)、等離子體發生器(8)和噴槍(9);氣源罐(I)和功能性氣體罐(2)出口各經控制閥I (3)、控制閥II (5)和流量計I (4)、流量計II (6)接氣體混合室(7)，氣體混合室(7)有管路接入噴槍(9)，在等離子體發生器(8)產生的高壓脈衝作用下，在噴槍(6)內放電產生低溫等離子體；將氣源罐(I)和功能性氣體罐(2)中的氣體通過控制閥I (3)、控制閥II (5)和流量計I (4)、流量計II (6)在氣體混合室(7)實現精確混合，然後導入噴槍(9)內，在等離子發生器(8)的作用下，通過放電使氣體成為等離子體，再將產生的等離子體通過噴槍(9)導向需要處理的聚乙烯層(10 )表面。
專利摘要本實用新型是一種管道補口與3PE主管搭接區的表面處理裝置。涉及金屬材料的一般防蝕方法和管道系統技術領域。它包括氣源罐(1)、功能性氣體罐(2)、控制閥Ⅰ(3)、流量計Ⅰ(4)、控制閥Ⅱ(5)、流量計Ⅱ(6)、氣體混合室(7)、等離子體發生器(8)和噴槍(9)；氣源罐(1)和功能性氣體罐(2)出口各經控制閥Ⅰ(3)、控制閥Ⅱ(5)和流量計Ⅰ(4)、流量計Ⅱ(6)接氣體混合室(7)，氣體混合室(7)有管路接入噴槍(9)，等離子體發生器(8)產生的高壓脈衝接噴槍(6)。本實用新型可有效改善補口防腐材料與主管PE搭接區的粘接性，工藝簡單，處理效果好，質量可控，操作方便，節能環保，安全高效。
文檔編號C08J7/12GK203079894SQ201220635758
公開日2013年7月24日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者馮少廣, 李榮光, 趙國星, 李睿, 張鑫, 劉玲莉, 侯宇, 劉萌萌, 劉井會, 段瑞哲 申請人:中國石油天然氣股份有限公司