专利名称：一种管道补口与3pe主管搭接区的表面处理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种管道补口与3PE主管搭接区的表面处理装置。涉及金属材料的一般防蚀方法和管道系统技术领域。
背景技术：
随着国内长输管道建设的日益发展，3PE管道防腐蚀技术(为环氧底漆+胶粘剂+聚乙烯层结构)在我国埋地钢质管道外壁的腐蚀防护中得到了越来越广泛的应用。自陕京线始，国内新建以及规划中的管线大都采用此种防腐结构。但是，多年的实际应用情况表明，现场管道补口的防腐蚀技术已成为制约管道整体防腐的薄弱环节。管道建设中，主管线部分的3PE防腐涂层是在执行严格的质量标准和规范化工艺条件的连续生产线上完成的，其质量基本可以得到保障。而对于补口部分的腐蚀防护，传统的石油浙青、煤焦油瓷漆、环氧煤焦油、聚乙烯胶带等技术由于防腐质量和环保方面的问题已经逐渐被淘汰.目前所采用的管道补口技术主要是液态环氧底漆+热收缩带(HSS)的结构形式。在补口过程中，通过加热，热熔胶粘剂将热收缩带和焊口处的环氧底漆层紧密粘接到一起，同时实现热收缩带与主管线聚乙烯(PE)层在搭接部位的粘接。但现场应用发现，该技术存在环氧底漆和胶粘剂无法与主管PE层形成长期有效粘接的技术缺陷，导致补口出现了大量的早期失效问题。其原因主要是由于聚乙烯的非极性结构导致其表面能很低，难于粘接所致。因此，对搭接区PE层进行表面极化处理，提高其表面能和润湿性将有助于提高补口搭接区的粘接强度，保障补口防腐质量。目前，在热收缩带与PE的搭接部位，大部分热收缩带厂商推荐的做法是对PE层进行火焰氧化与机械拉毛处理，然后涂刷环氧底漆，通过环氧底漆实现热收缩带热熔胶与PE层的粘接，也有部分厂家推荐只对PE层进行拉毛处理而不涂刷底漆。火焰氧化处理可以提高PE的表面极性，机械拉毛则可以通过增加表面粗糙度来提高机械嵌合作用，都有助于改善热收缩带与搭接PE层的粘接。但通过大量实验和现场应用发现，这些表面处理方式在短期内对粘接强度有较大改善 ，但由于未形成有效的化学键结合，粘接强度不高，在受到交变以及环境应力后，出现了粘接强度的下降，界面脱附现象。此外，该措施还存在人为因素影响大、处理质量难以控制和施工效率低等问题。除此之外，电晕处理也是改善聚烯烃界面粘接性的有效方式。该方法曾在防腐保温管道增强泡沫与聚乙烯夹克间粘接性能时得以应用。处理时，将聚乙烯夹克置于电晕放电池的两极之间，利用高压使两极间空气电离，轰击聚乙烯表面，引起聚烯烃表面氧化，增加极性。此外，密集的电火花轰击使聚乙烯表面形成许多小凹坑，增加了表面粗糙度，提高了粘接效果。但由于电晕只能在两个相邻的平行电极间进行，且距离不能过大，所以电晕处理方法不适合用于三维物体的表面极化处理。此外该方法还存在耗电高、高压危险等问题，无法在管道补口现场应用。中国专利文献200710301715.0提出了一种聚乙烯表面极化处理方法。它首先对搭接区的PE层进行喷砂或手工打磨处理，然后用塑料膜和胶带将处理后的区域密封，在密封膜上开一个与输气管外径相适应的孔，排除空气后通入氟氦混合气体进行表面处理，处理IOmin后去除密封膜，最后无溶剂液体环氧涂料进行补口。但该方法所用的混合气体为剧毒性气体，可能会造成操作人员中毒，威胁生命安全，此外还存在处理效率低、成本高等不足，无法在现场应用。因此，有必要开发一种专门针对现场补口的聚乙烯表面处理方法及设备，且具有处理效果好、质量可控、工艺简单、操作方便、安全高效等优点，有效解决现场补口搭接区域的粘接问题。低温等离子体是一种处于非热力学平衡状态下的等离子体，其离子能量一般约为几个至十几电子伏特，大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特)，完全可以断裂有机大分子的化学键而形成新键。但其能量又远低于高能放射性射线，作用区域只涉及材料表面，不会影响到材料的本体性能。低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，在表面改性中广泛的应用。此外，等离子体处理不受外观形状、基材厚度等限制，处理温度低，不会造成材料的变形、变质等问题，可以达到传统物理和化学方法无法达到的处理效果。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种利用低温等离子体表面处理技术、可有效改善补口防腐材料与主管PE搭接区的粘接性、工艺简单、处理效果好、质量可控、操作方便、节能环保、安全高效的管道补口与3PE主管搭接区的表面处理装置。低温等离子系统中最为主要的部件是等离子发生器和等离子喷枪。等离子发生器主要用于产生特定频率的高压脉冲，同时也用于工艺控制。包括操作参数的设定，电压气流等运行参数的监控等。等离子喷枪是产生等离子体并将其输送到被处理工件表面的核心部件，在等离子喷枪内，通过对工艺气体进行放电而产生等离子体。两者的配合使他们能够在大气压条件下产生有效的等离子体。图1是等离子体表面极化处理示意图。处理时将气罐I中的气源和气罐2中 的功能性气体分别通过控制阀3、5和流量计4、6在气体混合室7实现精确混合，然后导入喷枪9内，在等离子发生器8的作用下，通过在喷枪9内放电使气体成为等离子体，再将产生的等离子体通过喷枪9导向需要处理的聚乙烯层10表面，实现对聚乙烯表面进行改性的目的。喷枪9的结构将带电的电弧局限在喷嘴内，同时喷嘴也决定了所产生的等离子体的几何形态。本实用新型是一种利用低温等离子体表面处理技术来实现管道补口防腐涂层与3PE管道在搭接区域形成有效粘接的装置。本实用新型的原理是:等离子体是由带电的正粒子和负粒子组成的集合体，其能量可通过福射、中性粒子流和离子流的碰撞等作用于材料表面，从而产生自由基或与材料表面发生化学反应，以此改善材料的表面特性。通过等离子体技术对补口搭接区域PE层的处理，使材料表面发生多种的物理、化学变化，产生刻蚀而粗糙，同时引入极性基团使PE表面极化。本发明对补口搭接区PE层处理后将发生如下物理化学变化:(I) PE层表面部分化学键断开，形成化学活性高的自由基；[0015](2)以等离子体状态存在的自由基，迅速与PE表面的自由基结合，形成新的化学键，引入极性基团，大幅提高表面的润湿性能，形成活性表面；(3)PE表面受到轰击和刻蚀，微观结构由光滑变得粗糙，有利于粘接材料的渗透和物理嵌合。管道补口与3PE主管搭接区的表面处理装置构成如图1所示，包括气源罐1、功能性气体罐2、控制阀I 3、流量计I 4、控制阀II 5、流量计II 6、气体混合室7、等离子体发生器8和喷枪9。气源罐I和功能性气体罐2出口各经控制阀I 3、控制阀II 5和流量计I 4、流量计II 6接气体混合室7，气体混合室7有管路接入喷枪9，同时在等离子体发生器8产生的高压脉冲作用下在喷枪6内放电产生低温等离子体。将气源罐I和功能性气体罐2中的气体通过控制阀I 3、控制阀II 5和流量计I 4、流量计II 6在气体混合室7实现精确混合，然后导入喷枪9内，在等离子发生器8的作用下，通过放电使气体成为等离子体，再将产生的等离子体通过喷枪9导向需要处理的聚乙火布层10表面。本实用新型与现有技术相比具有如下优点:(I)PE层表面极性基团的存在可以使补口防腐材料与PE层间形成化学键，同时等离子的表面刻蚀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，可有效解决管道补口搭接区的粘接难题；(2)该装置工艺简单、处理效果好、质量可控、操作方便、节能环保、安全高效，可以大幅度提高目前管道补口的质量和施工速度，并且还可以降低能耗。目前，我国已进入管道建设的高速发展期，未来的10年内，我国至少还要建设15万公里的油气管道，该技术在管道补口上的应用，必将有效提高补口的防腐水平，为管道的安全运行提供技术保障。该项目每年面对的将是高达几亿元的市场，考虑到技术和成本上的优势，因此该项目具有 巨大的经济效益。
图1管道补口与3PE主管搭接区的表面处理装置构成图其中I一气源罐2-功能性气体罐3—控制阀I4一流量计I5—控制阀II6—流量计II7—气体混合室8—等离子体发生器9—喷枪10—聚乙烯层
具体实施方式
实施例1.本例是利用射流等离子体来对3PE管道PE层进行表面处理，实现环氧涂料与PE层的有效粘接。其构成如图1所示，包括气源罐1、功能性气体罐2、控制阀I 3、流量计I 4、控制阀II 5、流量计II 6、气体混合室7、等离子体发生器8和喷枪9。气源罐I和功能性气体罐2出口各经控制阀I 3、控制阀II 5和流量计I 4、流量计II 6接气体混合室7，气体混合室7有管路接入喷枪9，同时在等离子体发生器8产生的高压脉冲作用下在喷枪6内放电产生低温等离子体。[0030]首先对PE层进行喷砂机械处理，增加有效粘接面积，锚纹深度为50-75 U m。处理完成后，将表面灰尘除去进行等离子体表面处理。处理时将气罐I中的气源和气罐2中的功能性气体分别通过控制阀3、控制阀5和流量计4、流量计6在气体混合室7实现精确混合，然后导入喷枪9内，在等离子发生器8的作用下，通过在喷枪9内放电使气体成为等离子体，再将产生的等离子体通过喷枪9导向需要处理的聚乙烯层10表面。等离子体气氛为空气，流速为3L/min ;等离子体设备功率为60w，电源频率为20KHz，常压放电；喷枪喷嘴直径为20mm，喷嘴与PE层表面距离为5mm ;处理长度为lm，处理宽度为60mm，处理速度为3m/min。表面等离子体极化处理完成后，涂刷液体环氧涂料，在室温固化24h。表面处理极化处理完成后首先进行表面张力测定。涂刷环氧涂料后的样品附着力，剪切强度和长期性能测试。经测试发现，经等离子处理后，水膜可以在PE表面良好铺展，表面张力大于72.5达因/厘米。环氧与PE之间的附着力大于15MPa，剪切强度大于6.5MPa，并且具有优异的耐热水浸泡、耐化学介质及冻融循环特性，保障了粘接性能的长期有效性。实施例2.本例是利用射流等离子体来对3PE管道PE层进行表面处理，实现热收缩带胶粘剂与PE层的有效粘接。其构成如图1所示，包括气源罐1、功能性气体罐2、控制阀I 3、流量计I 4、控制阀II 5、流量计II 6、气体混合室7、等离子体发生器8和喷枪9。气源罐I和功能性气体罐2出口各经控制阀I 3、控制阀115和流量计I 4、流量计116接气体混合室7，气体混合室7有管路接入喷枪9，同时在等离子体发生器8产生的高压脉冲作用下在喷枪6内放电产生低温等离子体。首先对PE层进行喷砂机械处理，增加有效粘接面积，锚纹深度为50-75 U m。处理完成后，将表面灰尘除去进行等离子体表面处理。处理时将气罐I中的气源和气罐2中的功能性气体分别通过控制阀3、5和流量计4、6在气体混合室7实现精确混合，然后导入喷枪9内，在等离子发生器8的作用下，通过在喷枪9内放电使气体成为等离子体，再将产生的等离子体通过喷枪9导向需要处理的聚乙烯层10表面。等离子体气氛为氧气与氩气的混合气体，混合比例为5:1，流速为4L/min ;等离子体设备功率为50w，电源频率为20KHz，常压放电；喷枪喷嘴直径为20mm，喷嘴与PE层表面距离为5mm ;处理长度为lm，处理宽度为60mm，处理速度为3m/min。表面等离子体极化处理完成后，通过热熔喷枪将热熔胶涂覆在PE层上，室温冷却。表面处 理极化处理完成后首先进行表面张力测定。涂覆热熔胶粘剂对样品进行剥离强度、剪切强度和长期性能测试。经测试发现，经等离子处理后，水膜可以在PE表面良好铺展，表面张力大于72.5达因/厘米。热熔胶与PE层的室温剥离强度大于155N/cm，且破坏发生在胶层，胶与PE层粘接良好，室温剪切强度大于3.5MPa，并且在耐热水浸泡、耐化学介质及冻融循环测试中，胶与PE层界面粘接良好，保障了粘接性能的长期有效性。经试验，利用低温等离子体表面处理技术，可有效改善补口防腐材料与主管PE搭接区的粘接性，工艺简单，处理效果好，质量可控，操作方便，节能环保，安全高效。
权利要求1.一种管道补口与3PE主管搭接区的表面处理装置，其特征是包括气源罐(I)、功能性气体罐(2)、控制阀I (3)、流量计I (4)、控制阀II (5)、流量计II (6)、气体混合室(7)、等离子体发生器(8)和喷枪(9);气源罐(I)和功能性气体罐(2)出口各经控制阀I (3)、控制阀II (5)和流量计I (4)、流量计II (6)接气体混合室(7)，气体混合室(7)有管路接入喷枪(9)，在等离子体发生器(8)产生的高压脉冲作用下，在喷枪(6)内放电产生低温等离子体；将气源罐(I)和功能性气体罐(2)中的气体通过控制阀I (3)、控制阀II (5)和流量计I (4)、流量计II (6)在气体混合室(7)实现精确混合，然后导入喷枪(9)内，在等离子发生器(8)的作用下，通过放电使气体成为等离子体，再将产生的等离子体通过喷枪(9)导向需要处理的聚乙烯层(10 )表面。
专利摘要本实用新型是一种管道补口与3PE主管搭接区的表面处理装置。涉及金属材料的一般防蚀方法和管道系统技术领域。它包括气源罐(1)、功能性气体罐(2)、控制阀Ⅰ(3)、流量计Ⅰ(4)、控制阀Ⅱ(5)、流量计Ⅱ(6)、气体混合室(7)、等离子体发生器(8)和喷枪(9)；气源罐(1)和功能性气体罐(2)出口各经控制阀Ⅰ(3)、控制阀Ⅱ(5)和流量计Ⅰ(4)、流量计Ⅱ(6)接气体混合室(7)，气体混合室(7)有管路接入喷枪(9)，等离子体发生器(8)产生的高压脉冲接喷枪(6)。本实用新型可有效改善补口防腐材料与主管PE搭接区的粘接性，工艺简单，处理效果好，质量可控，操作方便，节能环保，安全高效。
文档编号C08J7/12GK203079894SQ201220635758
公开日2013年7月24日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者冯少广, 李荣光, 赵国星, 李睿, 张鑫, 刘玲莉, 侯宇, 刘萌萌, 刘井会, 段瑞哲 申请人:中国石油天然气股份有限公司