專利名稱：一種管道補(bǔ)口與3pe主管搭接區(qū)的表面處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種管道補(bǔ)口與3PE主管搭接區(qū)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(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著國內(nèi)長輸管道建設(shè)的日益發(fā)展，3PE管道防腐蝕技術(shù)(為環(huán)氧底漆+膠粘劑+聚乙烯層結(jié)構(gòu))在我國埋地鋼質(zhì)管道外壁的腐蝕防護(hù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。自陜京線始，國內(nèi)新建以及規(guī)劃中的管線大都采用此種防腐結(jié)構(gòu)。但是，多年的實(shí)際應(yīng)用情況表明，現(xiàn)場管道補(bǔ)口的防腐蝕技術(shù)已成為制約管道整體防腐的薄弱環(huán)節(jié)。管道建設(shè)中，主管線部分的3PE防腐涂層是在執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范化工藝條件的連續(xù)生產(chǎn)線上完成的，其質(zhì)量基本可以得到保障。而對于補(bǔ)口部分的腐蝕防護(hù)，傳統(tǒng)的石油浙青、煤焦油瓷漆、環(huán)氧煤焦油、聚乙烯膠帶等技術(shù)由于防腐質(zhì)量和環(huán)保方面的問題已經(jīng)逐漸被淘汰.目前所采用的管道補(bǔ)口技術(shù)主要是液態(tài)環(huán)氧底漆+熱收縮帶(HSS)的結(jié)構(gòu)形式。在補(bǔ)口過程中，通過加熱，熱熔膠粘劑將熱收縮帶和焊口處的環(huán)氧底漆層緊密粘接到一起，同時實(shí)現(xiàn)熱收縮帶與主管線聚乙烯(PE)層在搭接部位的粘接。但現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)存在環(huán)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(shù)缺陷，導(dǎo)致補(bǔ)口出現(xiàn)了大量的早期失效問題。其原因主要是由于聚乙烯的非極性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其表面能很低，難于粘接所致。因此，對搭接區(qū)PE層進(jìn)行表面極化處理，提高其表面能和潤濕性將有助于提高補(bǔ)口搭接區(qū)的粘接強(qiáng)度，保障補(bǔ)口防腐質(zhì)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(jìn)行火焰氧化與機(jī)械拉毛處理，然后涂刷環(huán)氧底漆，通過環(huán)氧底漆實(shí)現(xiàn)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(jìn)行拉毛處理而不涂刷底漆?；鹧嫜趸幚砜梢蕴岣逷E的表面極性，機(jī)械拉毛則可以通過增加表面粗糙度來提高機(jī)械嵌合作用，都有助于改善熱收縮帶與搭接PE層的粘接。但通過大量實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，這些表面處理方式在短期內(nèi)對粘接強(qiáng)度有較大改善 ，但由于未形成有效的化學(xué)鍵結(jié)合，粘接強(qiáng)度不高，在受到交變以及環(huán)境應(yīng)力后，出現(xiàn)了粘接強(qiáng)度的下降，界面脫附現(xiàn)象。此外，該措施還存在人為因素影響大、處理質(zhì)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(qiáng)泡沫與聚乙烯夾克間粘接性能時得以應(yīng)用。處理時，將聚乙烯夾克置于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。但由于電暈只能在兩個相鄰的平行電極間進(jìn)行，且距離不能過大，所以電暈處理方法不適合用于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(bǔ)口現(xiàn)場應(yīng)用。中國專利文獻(xiàn)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(qū)的PE層進(jìn)行噴砂或手工打磨處理，然后用塑料膜和膠帶將處理后的區(qū)域密封，在密封膜上開一個與輸氣管外徑相適應(yīng)的孔，排除空氣后通入氟氦混合氣體進(jìn)行表面處理，處理IOmin后去除密封膜，最后無溶劑液體環(huán)氧涂料進(jìn)行補(bǔ)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(xiàn)場應(yīng)用。因此，有必要開發(fā)一種專門針對現(xiàn)場補(bǔ)口的聚乙烯表面處理方法及設(shè)備，且具有處理效果好、質(zhì)量可控、工藝簡單、操作方便、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，有效解決現(xiàn)場補(bǔ)口搭接區(qū)域的粘接問題。低溫等離子體是一種處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的等離子體，其離子能量一般約為幾個至十幾電子伏特，大于聚合物材料的結(jié)合鍵能(幾個至十幾電子伏特)，完全可以斷裂有機(jī)大分子的化學(xué)鍵而形成新鍵。但其能量又遠(yuǎn)低于高能放射性射線，作用區(qū)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(shù)具有工藝簡單、操作方便、加工速度快、處理效果好、環(huán)境污染小、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在表面改性中廣泛的應(yīng)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(zhì)等問題，可以達(dá)到傳統(tǒng)物理和化學(xué)方法無法達(dá)到的處理效果。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種利用低溫等離子體表面處理技術(shù)、可有效改善補(bǔ)口防腐材料與主管PE搭接區(qū)的粘接性、工藝簡單、處理效果好、質(zhì)量可控、操作方便、節(jié)能環(huán)保、安全高效的管道補(bǔ)口與3PE主管搭接區(qū)的表面處理裝置。低溫等離子系統(tǒng)中最為主要的部件是等離子發(fā)生器和等離子噴槍。等離子發(fā)生器主要用于產(chǎn)生特定頻率的高壓脈沖，同時也用于工藝控制。包括操作參數(shù)的設(shè)定，電壓氣流等運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控等。等離子噴槍是產(chǎn)生等離子體并將其輸送到被處理工件表面的核心部件，在等離子噴槍內(nèi)，通過對工藝氣體進(jìn)行放電而產(chǎn)生等離子體。兩者的配合使他們能夠在大氣壓條件下產(chǎn)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(jì)4、6在氣體混合室7實(shí)現(xiàn)精確混合，然后導(dǎo)入噴槍9內(nèi)，在等離子發(fā)生器8的作用下，通過在噴槍9內(nèi)放電使氣體成為等離子體，再將產(chǎn)生的等離子體通過噴槍9導(dǎo)向需要處理的聚乙烯層10表面，實(shí)現(xiàn)對聚乙烯表面進(jìn)行改性的目的。噴槍9的結(jié)構(gòu)將帶電的電弧局限在噴嘴內(nèi)，同時噴嘴也決定了所產(chǎn)生的等離子體的幾何形態(tài)。本實(shí)用新型是一種利用低溫等離子體表面處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)管道補(bǔ)口防腐涂層與3PE管道在搭接區(qū)域形成有效粘接的裝置。本實(shí)用新型的原理是:等離子體是由帶電的正粒子和負(fù)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于材料表面，從而產(chǎn)生自由基或與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以此改善材料的表面特性。通過等離子體技術(shù)對補(bǔ)口搭接區(qū)域PE層的處理，使材料表面發(fā)生多種的物理、化學(xué)變化，產(chǎn)生刻蝕而粗糙，同時引入極性基團(tuán)使PE表面極化。本發(fā)明對補(bǔ)口搭接區(qū)PE層處理后將發(fā)生如下物理化學(xué)變化:(I) PE層表面部分化學(xué)鍵斷開，形成化學(xué)活性高的自由基；[0015](2)以等離子體狀態(tài)存在的自由基，迅速與PE表面的自由基結(jié)合，形成新的化學(xué)鍵，引入極性基團(tuán)，大幅提高表面的潤濕性能，形成活性表面；(3)PE表面受到轟擊和刻蝕，微觀結(jié)構(gòu)由光滑變得粗糙，有利于粘接材料的滲透和物理嵌合。管道補(bǔ)口與3PE主管搭接區(qū)的表面處理裝置構(gòu)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(jì)I 4、控制閥II 5、流量計(jì)II 6、氣體混合室7、等離子體發(fā)生器8和噴槍9。氣源罐I和功能性氣體罐2出口各經(jīng)控制閥I 3、控制閥II 5和流量計(jì)I 4、流量計(jì)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(fā)生器8產(chǎn)生的高壓脈沖作用下在噴槍6內(nèi)放電產(chǎn)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(jì)I 4、流量計(jì)II 6在氣體混合室7實(shí)現(xiàn)精確混合，然后導(dǎo)入噴槍9內(nèi)，在等離子發(fā)生器8的作用下，通過放電使氣體成為等離子體，再將產(chǎn)生的等離子體通過噴槍9導(dǎo)向需要處理的聚乙火布層10表面。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):(I)PE層表面極性基團(tuán)的存在可以使補(bǔ)口防腐材料與PE層間形成化學(xué)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(bǔ)口搭接區(qū)的粘接難題；(2)該裝置工藝簡單、處理效果好、質(zhì)量可控、操作方便、節(jié)能環(huán)保、安全高效，可以大幅度提高目前管道補(bǔ)口的質(zhì)量和施工速度，并且還可以降低能耗。目前，我國已進(jìn)入管道建設(shè)的高速發(fā)展期，未來的10年內(nèi)，我國至少還要建設(shè)15萬公里的油氣管道，該技術(shù)在管道補(bǔ)口上的應(yīng)用，必將有效提高補(bǔ)口的防腐水平，為管道的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。該項(xiàng)目每年面對的將是高達(dá)幾億元的市場，考慮到技術(shù)和成本上的優(yōu)勢，因此該項(xiàng)目具有 巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1管道補(bǔ)口與3PE主管搭接區(qū)的表面處理裝置構(gòu)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(jì)I5—控制閥II6—流量計(jì)II7—?dú)怏w混合室8—等離子體發(fā)生器9—噴槍10—聚乙烯層
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1.本例是利用射流等離子體來對3PE管道PE層進(jìn)行表面處理，實(shí)現(xiàn)環(huán)氧涂料與PE層的有效粘接。其構(gòu)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(jì)I 4、控制閥II 5、流量計(jì)II 6、氣體混合室7、等離子體發(fā)生器8和噴槍9。氣源罐I和功能性氣體罐2出口各經(jīng)控制閥I 3、控制閥II 5和流量計(jì)I 4、流量計(jì)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(fā)生器8產(chǎn)生的高壓脈沖作用下在噴槍6內(nèi)放電產(chǎn)生低溫等離子體。[0030]首先對PE層進(jìn)行噴砂機(jī)械處理，增加有效粘接面積，錨紋深度為50-75 U m。處理完成后，將表面灰塵除去進(jìn)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(jì)4、流量計(jì)6在氣體混合室7實(shí)現(xiàn)精確混合，然后導(dǎo)入噴槍9內(nèi)，在等離子發(fā)生器8的作用下，通過在噴槍9內(nèi)放電使氣體成為等離子體，再將產(chǎn)生的等離子體通過噴槍9導(dǎo)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(shè)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后，涂刷液體環(huán)氧涂料，在室溫固化24h。表面處理極化處理完成后首先進(jìn)行表面張力測定。涂刷環(huán)氧涂料后的樣品附著力，剪切強(qiáng)度和長期性能測試。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)等離子處理后，水膜可以在PE表面良好鋪展，表面張力大于72.5達(dá)因/厘米。環(huán)氧與PE之間的附著力大于15MPa，剪切強(qiáng)度大于6.5MPa，并且具有優(yōu)異的耐熱水浸泡、耐化學(xué)介質(zhì)及凍融循環(huán)特性，保障了粘接性能的長期有效性。實(shí)施例2.本例是利用射流等離子體來對3PE管道PE層進(jìn)行表面處理，實(shí)現(xiàn)熱收縮帶膠粘劑與PE層的有效粘接。其構(gòu)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(jì)I 4、控制閥II 5、流量計(jì)II 6、氣體混合室7、等離子體發(fā)生器8和噴槍9。氣源罐I和功能性氣體罐2出口各經(jīng)控制閥I 3、控制閥115和流量計(jì)I 4、流量計(jì)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(fā)生器8產(chǎn)生的高壓脈沖作用下在噴槍6內(nèi)放電產(chǎn)生低溫等離子體。首先對PE層進(jìn)行噴砂機(jī)械處理，增加有效粘接面積，錨紋深度為50-75 U m。處理完成后，將表面灰塵除去進(jìn)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(jì)4、6在氣體混合室7實(shí)現(xiàn)精確混合，然后導(dǎo)入噴槍9內(nèi)，在等離子發(fā)生器8的作用下，通過在噴槍9內(nèi)放電使氣體成為等離子體，再將產(chǎn)生的等離子體通過噴槍9導(dǎo)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(shè)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后，通過熱熔噴槍將熱熔膠涂覆在PE層上，室溫冷卻。表面處 理極化處理完成后首先進(jìn)行表面張力測定。涂覆熱熔膠粘劑對樣品進(jìn)行剝離強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和長期性能測試。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)等離子處理后，水膜可以在PE表面良好鋪展，表面張力大于72.5達(dá)因/厘米。熱熔膠與PE層的室溫剝離強(qiáng)度大于155N/cm，且破壞發(fā)生在膠層，膠與PE層粘接良好，室溫剪切強(qiáng)度大于3.5MPa，并且在耐熱水浸泡、耐化學(xué)介質(zhì)及凍融循環(huán)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(jīng)試驗(yàn)，利用低溫等離子體表面處理技術(shù)，可有效改善補(bǔ)口防腐材料與主管PE搭接區(qū)的粘接性，工藝簡單，處理效果好，質(zhì)量可控，操作方便，節(jié)能環(huán)保，安全高效。
權(quán)利要求1.一種管道補(bǔ)口與3PE主管搭接區(qū)的表面處理裝置，其特征是包括氣源罐(I)、功能性氣體罐(2)、控制閥I (3)、流量計(jì)I (4)、控制閥II (5)、流量計(jì)II (6)、氣體混合室(7)、等離子體發(fā)生器(8)和噴槍(9);氣源罐(I)和功能性氣體罐(2)出口各經(jīng)控制閥I (3)、控制閥II (5)和流量計(jì)I (4)、流量計(jì)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(fā)生器(8)產(chǎn)生的高壓脈沖作用下，在噴槍(6)內(nèi)放電產(chǎn)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(jì)I (4)、流量計(jì)II (6)在氣體混合室(7)實(shí)現(xiàn)精確混合，然后導(dǎo)入噴槍(9)內(nèi)，在等離子發(fā)生器(8)的作用下，通過放電使氣體成為等離子體，再將產(chǎn)生的等離子體通過噴槍(9)導(dǎo)向需要處理的聚乙烯層(10 )表面。
專利摘要本實(shí)用新型是一種管道補(bǔ)口與3PE主管搭接區(qū)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(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它包括氣源罐(1)、功能性氣體罐(2)、控制閥Ⅰ(3)、流量計(jì)Ⅰ(4)、控制閥Ⅱ(5)、流量計(jì)Ⅱ(6)、氣體混合室(7)、等離子體發(fā)生器(8)和噴槍(9)；氣源罐(1)和功能性氣體罐(2)出口各經(jīng)控制閥Ⅰ(3)、控制閥Ⅱ(5)和流量計(jì)Ⅰ(4)、流量計(jì)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(fā)生器(8)產(chǎn)生的高壓脈沖接噴槍(6)。本實(shí)用新型可有效改善補(bǔ)口防腐材料與主管PE搭接區(qū)的粘接性，工藝簡單，處理效果好，質(zhì)量可控，操作方便，節(jié)能環(huán)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(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)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