石油化工壓力管道缺陷的分析及處理措施探討

陳慶

【摘 要】對于長輸石油化工壓力管道，管線的建設(shè)實質(zhì)上是一項大規(guī)模的焊接成型和長距離焊接安裝的過程。由于埋地石油化工壓力管道具有輸送距離比較長，管徑比較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜等特點，管線在施焊時不可避免會產(chǎn)生一些焊接缺陷。論文主要對石油化工壓力管道的缺陷做了原因分析，并針對粘貼纖維復合材料修復方法做了重點的探討和闡述。

【關(guān)鍵詞】石油化工；壓力管道；缺陷

0 引言

石油化工壓力管道是國民經(jīng)濟的動脈，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的特種設(shè)備，它廣泛應用于石油化工、能源、冶金、電力、環(huán)保、航空、醫(yī)藥食品等領(lǐng)域，承擔著輸送石油天然氣、高溫高壓、易燃易爆及劇毒、有腐蝕性或放射性物料介質(zhì)的任務，已成為與鐵路、公路、水路、航空運輸并列的運輸方式之一。由于埋地石油化工壓力管道具有輸送距離比較長，管徑比較大等特點，管線在施焊時不可避免會產(chǎn)生一些焊接缺陷。其中錯邊和不同心缺陷是長輸石油化工壓力管道在現(xiàn)場組焊過程中不可避免出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象。它們的存在破壞了管道的連續(xù)性，造成了應力集中，這些易產(chǎn)生缺陷的焊縫接頭處的性能對整條管線的使用壽命和安全可靠性起著至關(guān)重要的作用。

1 石油化工壓力管道的缺陷及原因分析

1.1 缺陷的分類

（1）石油化工壓力管道缺陷按照其形成的原因分類

石油化工壓力管道缺陷按照其形成的原因分類，可分為焊接缺陷和腐蝕缺陷。

焊接缺陷可分為七大類：裂紋、氣孔、固體夾雜、未熔合、未焊透、形狀缺陷、其他缺陷。細化一下焊接缺陷的種類有：未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、焊瘤、燒穿、偏析、未填滿、焊縫裂紋等等。

腐蝕缺陷是指管道長期使用中不可避免出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象。常見的腐蝕形態(tài)有點腐蝕、局部腐蝕、均勻腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕、氫損傷等。腐蝕缺陷對管道的強度及承載能力都有影響，而且腐蝕的產(chǎn)生增大了腐蝕檢修率，降低設(shè)備的更換周期，甚至會干擾整個系統(tǒng)的正常運行。

（2）缺陷按照在焊縫中存在的位置分類

缺陷按照在焊縫中的位置分類，可分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷。

外部缺陷是指缺陷位于焊縫的外表面，用肉眼或放大鏡即能看到。內(nèi)部缺陷是指缺陷位于焊縫內(nèi)部，用探傷技術(shù)或破壞性試驗進行檢修查看。

外部缺陷有：咬邊、焊瘤、表面氣孔和裂縫、弧坑，焊縫尺寸不符合要求；內(nèi)部缺陷有：未焊透、塌陷、氣孔、裂縫，夾渣。

（3）缺陷按照其幾何形狀分類

缺陷按照幾何形狀分類，可分為體缺陷和面缺陷。

1.2 形成缺陷的原因分析

形成焊接缺陷的原因可總結(jié)歸納為五大因素：人為因素、設(shè)備因素、材料因素、焊接方法因素、環(huán)境因素。

人：人是最主要的因素，由于電焊工技術(shù)素質(zhì)情況、焊接技術(shù)存在的陋習或責任心不強等原因造成了焊接缺陷：

機：有些電焊機沒有安裝相應的儀表，有些儀表的數(shù)值也存在不準確不能作為參考，因而這種情況下要嚴格執(zhí)行工藝要求是難的；

材料：鋼板和焊條沒有進行相應的除油、除銹工序；

方法：工藝評定覆蓋面不大，出現(xiàn)自焊、互焊，材料代用的情況，應根據(jù)情況進行相應的調(diào)整；

環(huán)境：環(huán)境因素會影響焊接質(zhì)量，如焊接風速、濕度、雨雪天氣等，這些因素往往是不能忽視的，有些規(guī)定明確標出環(huán)境影響級別。

2 粘貼纖維復合材料修復石油化工壓力管道缺陷的方法探討

纖維復合材料修復鋼質(zhì)輸送管道技術(shù)主要思路是通過粘接樹脂將復合材料包裹在管道外側(cè)，利用復合材料的高強度性能特點，來恢復缺陷管道的服役強度。由于不需要焊接，避免發(fā)生冷脆、氫脆及焊穿的風險，該方法已得到了廣泛的應用。

2.1 玻璃纖維材料修復

目前，由于玻璃纖維的強度低，大多數(shù)是制造成一定厚度的半成品，施工時，采用干法纏繞。若用玻璃纖維材料來修復管道，只有當管道發(fā)生很大的塑性變形時，才能將應力值傳遞至補強的玻璃纖維材料，效果不是很明顯。隨著時間的增長，玻璃纖維的強度隨之降低。

2.2 碳纖維材料修復

由于碳纖維的抗拉強度非常高、柔韌性非常好，在施工現(xiàn)場大都采用濕法纏繞。能與鋼管協(xié)調(diào)變形，其強度隨著時間的增長基本上保持不變。碳纖維價格降低，再加上它具有抗拉強度高、彈性模量高、耐高溫、厚度薄、操作簡單等特點，其優(yōu)勢已遠遠超過玻璃纖維修復技術(shù)。

2.2.1 CFRP 加固補強原理

碳纖維復合材料修復技術(shù)是利用補強纖維和基體樹脂在管道外形成復合材料增強層，來分擔管體承受內(nèi)壓，降低管道由內(nèi)壓引起的環(huán)向應力及徑向膨脹，并且限制缺陷處的應力集中，從而達到對缺陷管道修復補強的目的，以此來恢復管道的正常運行能力。由于碳纖維絲很難共同工作，當承受較低的荷載時，應力水平較高的碳纖維絲就會達到其抗拉強度，隨之退出工作，以此類推，各碳纖維絲逐步斷裂，直到碳纖維布整體破壞。而粘接膠不但能提高碳纖維布的抗拉強度；而且又能確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，提高結(jié)構(gòu)的抗剪、抗彎承載能力，從而達到補強、加固的目的。

碳纖維復合材料修復技術(shù)，首先是利用特有的填平樹脂對缺陷處進行填平處理，固化后的填平樹脂可達到抗壓強度為 100MPa 的優(yōu)異性能。其次，包裹碳纖維布、涂刷環(huán)氧樹脂。碳纖維布與固化后的環(huán)氧樹脂生成碳纖維復合材料補強層，具有較高的抗拉強度，通過填平樹脂以及自身與管道的膠結(jié)力來傳遞內(nèi)壓，能夠限制管道徑向變形產(chǎn)生的環(huán)向壓力，并且分擔管道的內(nèi)壓，實現(xiàn)了對缺陷管道的補強、加固。

2.2.2 CFRP 的施工工藝及特點

基本的施工工藝為：現(xiàn)場開挖→剝離、清除防腐層→管道表面清理→基層處理→缺陷填平處理→涂刷粘接膠→粘貼碳纖維材料→端口及補強層防護→作業(yè)區(qū)域固化→土壤回填復原。

它具有優(yōu)異的力學性能，在修復管道領(lǐng)域中，具有以下優(yōu)點：

（1）免焊不動火，可在帶壓狀態(tài)下進行修復。

（2）施工操作簡單，不需要大型吊裝設(shè)備，操作時間短，2 小時左右即完工。

（3）碳纖維的彈性模量與母材（鋼）的彈性模量極為接近，這樣有利于 CFRP盡可能承載多的管道壓力，降低管道缺陷處的應力集中，限制了管道的徑向變形。

（4）該法采用濕法纏繞，其鋪設(shè)方式比較靈活。應用范圍廣泛，對螺旋焊縫、環(huán)焊縫、三通、彎管、大小頭等不規(guī)則的管件都可進行修復。

（5）碳纖維最主要的特點是其抗拉強度高，修復管道安全性極高。

（6）碳纖維的伸長率≥1.7%。即使缺陷管道發(fā)生塑性變形，碳纖維仍處于安全范圍。

（7）碳纖維布厚度薄，方便于防腐處理，降低了由于土壤運動形成的軸向滑脫力。

（8）可在各種環(huán)境（陰雨、風沙、潮濕）下施工，其施工溫度范圍廣。

（9）CFRP 抗蠕變性能好，隨著時間的增加，其強度基本保持不變。

（10）在有水介質(zhì)中，CFRP 性能穩(wěn)定；CFRP 不僅可用于多種缺陷的修復，還可用于提壓增強整個管段。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，石油化工壓力管道的數(shù)量增長很快，一些在役的石油化工壓力管道由于存在原始的和在使用過程中出現(xiàn)的缺陷，有的嚴重威脅了生命和財產(chǎn)的安全性。管道的補強修復是延長管道使用壽命和保證其完整性的重要手段。雖然每種方法各有其優(yōu)點，但從總體來說，碳纖維復合材料修復方法的綜合性能最好，是應用前景最為廣泛的修復技術(shù)。

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[責任編輯：鄧麗麗]