輸油管道不停產(chǎn)不動(dòng)火修復(fù)機(jī)理研究

毛仲?gòu)?qiáng)，柳 楠，張金星，梁 玲，陳 浩

（中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，使用管道對(duì)流體的輸送越來(lái)越普遍。采用鋼質(zhì)管道輸送流體，是最安全、最方便快捷也是性?xún)r(jià)比較高的一種輸送方法。但是隨著油田開(kāi)采時(shí)間的增長(zhǎng)，含水率逐年增加及注水水質(zhì)的不斷惡化，硫酸鹽氧化還原菌的不斷增多，輸油和污水管道的結(jié)蠟、結(jié)垢及腐蝕問(wèn)題日益嚴(yán)峻，直接影響著石油管道的使用壽命。

由管道內(nèi)腐蝕原因引起的管壁變薄，隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，管道內(nèi)壁的減薄點(diǎn)增多，減薄區(qū)面積有繼續(xù)擴(kuò)大和管道壁厚繼續(xù)減薄的傾向，該隱患部位有可能發(fā)生穿孔、泄漏、爆管等情形，直接影響著石油管道的安全生產(chǎn)，并給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。另外，為了減少焊接時(shí)的不安全因素，采用傳統(tǒng)的動(dòng)火修復(fù)時(shí)需要停產(chǎn)作業(yè)，從而產(chǎn)生巨大的修復(fù)成本。而采用不停產(chǎn)動(dòng)火補(bǔ)焊，焊穿的危險(xiǎn)性極大，是不科學(xué)、不可行的工藝選擇。另外，對(duì)于易燃易爆、有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向的輸送管道來(lái)說(shuō)，消除焊接應(yīng)力的熱處理措施受到局限，易產(chǎn)生氫脆和冷脆等問(wèn)題。

選擇不動(dòng)火不停產(chǎn)修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝對(duì)管道缺陷處進(jìn)行修復(fù)加強(qiáng)，在確保生產(chǎn)連續(xù)性的同時(shí)，可最大限度地確保輸油管道和污水管道的安全生產(chǎn)，并避免環(huán)境污染等風(fēng)險(xiǎn)。

1 不動(dòng)火修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)方法和修復(fù)層結(jié)構(gòu)

采用復(fù)合修復(fù)技術(shù)對(duì)鋼質(zhì)管道缺陷部位進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，主要是針對(duì)鋼質(zhì)管道內(nèi)、外腐蝕減薄兩種情況。

對(duì)于鋼質(zhì)管道外腐蝕減薄的情況，主要是做金屬修復(fù)，采用超級(jí)金屬修補(bǔ)劑，在鋼質(zhì)管道基礎(chǔ)面因腐蝕的凹陷麻坑等缺陷處涂抹修復(fù)，以恢復(fù)基礎(chǔ)面缺陷部位的強(qiáng)度和鋼質(zhì)管道原有的抗壓強(qiáng)度。

本研究主要針對(duì)鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕減薄的情況，探討采用不動(dòng)火修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝的應(yīng)用。修復(fù)層結(jié)構(gòu)如圖1 所示：①做金屬修復(fù)，采用超級(jí)金屬修補(bǔ)劑，在鋼質(zhì)管道基礎(chǔ)面因腐蝕的凹陷麻坑等缺陷處涂抹修復(fù)，以恢復(fù)基礎(chǔ)面缺陷部位的強(qiáng)度；②玻璃鋼加強(qiáng)層，以環(huán)氧玻璃鋼為主修復(fù)加強(qiáng)層，采用現(xiàn)場(chǎng)纏繞的施工方法，在管道缺陷部位纏繞襯貼具有一定厚度的玻璃鋼加強(qiáng)層，形成緊密結(jié)合的管外玻璃鋼加強(qiáng)管，不同壓力等級(jí)的鋼質(zhì)管道，可根據(jù)設(shè)計(jì)壓力的不同，增加或減少環(huán)氧玻璃鋼加強(qiáng)層厚度；③碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層，在玻璃鋼加強(qiáng)層外面，纏繞碳纖維包敷層整體補(bǔ)強(qiáng)，可根據(jù)設(shè)計(jì)壓力增加碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層厚度；④防護(hù)層在碳纖維包敷補(bǔ)強(qiáng)層外邊，涂刷氯化橡膠防腐涂料二底二面，以保護(hù)里面的玻璃鋼和碳纖維，使其隔離大氣，避免氧化和風(fēng)化，以保持永久的抗壓強(qiáng)度。

2 不動(dòng)火修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層性能分析

2.1 超級(jí)金屬修復(fù)劑

金屬修復(fù)層采用超級(jí)金屬修補(bǔ)劑修復(fù)，該材料是富含金屬的高分子復(fù)合材料，經(jīng)雙組分混合調(diào)配，可在常溫下固化、硬化后形成一種堅(jiān)固的、類(lèi)似金屬狀的材料，可以用于車(chē)床車(chē)削、磨削、鉆孔、攻絲等傳統(tǒng)的各種機(jī)械加工。在管道設(shè)備修復(fù)方面，它是一種理想的冷焊劑，可替代傳統(tǒng)的熱焊接工藝。采用超級(jí)金屬修補(bǔ)劑對(duì)管道凹陷麻坑等缺陷部位修復(fù)，有效恢復(fù)鋼質(zhì)設(shè)備管道缺陷部位的強(qiáng)度。該材料室溫即可固化，適用于多種鋼件的缺陷修補(bǔ)，綜合性能好，與機(jī)體結(jié)合強(qiáng)度高，固化后硬度高、無(wú)收縮，具有耐磨損、耐老化、耐油、防水、抗各種化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能。超級(jí)金屬修復(fù)劑的性能見(jiàn)表1。

圖1 修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層結(jié)構(gòu)示意

表1 超級(jí)金屬修復(fù)劑的性能指標(biāo)

2.2 玻璃鋼加強(qiáng)層

修復(fù)加強(qiáng)層以環(huán)氧玻璃鋼為修復(fù)主加強(qiáng)層，采用現(xiàn)場(chǎng)纏繞的施工方法，在管道缺陷部位襯貼纏繞，再造一段能承壓的玻璃鋼加強(qiáng)層，和被修復(fù)管線(xiàn)形成粘接力良好的管外加強(qiáng)管。加強(qiáng)層固化后，與被修復(fù)管道形成一體，固化后的環(huán)氧玻璃鋼抗壓強(qiáng)度和與彈性模量和鋼材相接近，可代替鋼質(zhì)管道材料承載管內(nèi)壓力，從而達(dá)到恢復(fù)甚至超過(guò)管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力的目的。環(huán)氧玻璃鋼加強(qiáng)層現(xiàn)場(chǎng)襯貼時(shí)，不受基材幾何尺寸的限制：可以對(duì)彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)，也可以用于腐蝕、機(jī)械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)；可以對(duì)管道缺陷部位局部修復(fù)增強(qiáng)，也可以用于整個(gè)管段的提壓增強(qiáng)處理；該加強(qiáng)管現(xiàn)場(chǎng)施工、常溫固化成型，在原管道腐蝕變薄乃至穿孔，也可以單獨(dú)承壓繼續(xù)使用。

環(huán)氧玻璃鋼補(bǔ)強(qiáng)層厚度的設(shè)計(jì)方法：依據(jù)被修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的鋼質(zhì)管道的厚度，采用等強(qiáng)度原理，確定修復(fù)加強(qiáng)層的厚度。以Q235 鋼管線(xiàn)為例，材料抗拉強(qiáng)度為375 MPa，環(huán)氧玻璃鋼管鋼抗拉強(qiáng)度為358 MPa，與鋼材抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，補(bǔ)強(qiáng)層厚度選擇與管線(xiàn)壁厚一致。

2.3 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層

在管壁減薄區(qū)和減薄點(diǎn)，隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增加，減薄區(qū)管壁厚度有可能繼續(xù)減薄，面積繼續(xù)增大，直至腐蝕穿孔，存在爆管的風(fēng)險(xiǎn)。在玻璃鋼加強(qiáng)層的外層襯貼碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層，能和里面的玻璃鋼補(bǔ)強(qiáng)管共同承壓，使其耐壓強(qiáng)度提高到鋼管的1.6倍以上，從而避免該處爆管的風(fēng)險(xiǎn)。

碳纖維材料是航空航天高強(qiáng)材料，耐壓強(qiáng)度是鋼材的10 倍以上，彈性模量與鋼材、玻璃纖維的彈性模量相當(dāng)。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層與玻璃纖維和鋼管有非常好的變形協(xié)同性，能夠和管道缺陷處玻璃鋼加強(qiáng)層共同承擔(dān)管道的內(nèi)壓。碳纖維現(xiàn)場(chǎng)襯貼時(shí)，不受基材幾何尺寸的限制，可用于彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)，可以用于腐蝕、機(jī)械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算原理，玻璃鋼加強(qiáng)層和外層襯貼碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層，可使管材耐壓強(qiáng)度提高到鋼管的1.6 倍以上。應(yīng)依據(jù)碳纖維材料與鋼材的耐壓強(qiáng)度比值，確定碳纖維纏繞粘貼厚度，一般取待修復(fù)管道壁厚的0.075 倍。

2.4 防老化涂料

玻璃纖維和碳纖維長(zhǎng)期受紫外線(xiàn)照射，易發(fā)生風(fēng)化、老化和失強(qiáng)的現(xiàn)象，在碳纖維外壁涂刷耐大氣腐蝕、抗紫外線(xiàn)優(yōu)良的氯化橡膠防腐涂料（即防護(hù)層），可以使修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層長(zhǎng)久保持足夠的抗壓強(qiáng)度。

3 不動(dòng)火修復(fù)過(guò)程質(zhì)量控制

3.1 修復(fù)前準(zhǔn)備

在管壁因腐蝕繼續(xù)變薄直至穿孔后，隱患處的管壁靠加強(qiáng)層和補(bǔ)強(qiáng)層單獨(dú)承壓，腐蝕介質(zhì)有從原管道外壁和玻璃鋼加強(qiáng)層內(nèi)壁的間隙向外滲透的傾向。減薄點(diǎn)和缺陷部位，修復(fù)層自減薄點(diǎn)沿軸向往兩端各延伸30 cm；減薄區(qū)部位，修復(fù)層自減薄點(diǎn)沿軸向往兩端各延伸50 cm，可以有效延緩滲漏的時(shí)間。同時(shí)在玻璃鋼襯貼之前，在修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)處涂抹一層薄的LOCTITE 浸潤(rùn)劑120HP，以增加復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)層和鋼材基體的剝離強(qiáng)度，從而有效阻止管道穿孔后液體從復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)層夾層中往外滲透。

3.2 過(guò)程質(zhì)量控制

（1）施工環(huán)境：①施工環(huán)境溫度為10～30 ℃，不得低于5 ℃；②基體表面溫度必須高于露點(diǎn)溫度3 ℃以上；③施工環(huán)境相對(duì)濕度不大于80 %，在雨、霧、雪、大風(fēng)（風(fēng)速大于3 級(jí)）、揚(yáng)塵（沙）時(shí)，不得在室外做修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)施工。

（2）表面處理。管道表面如果有油污、油脂和積垢，應(yīng)按規(guī)定的方法進(jìn)行處理。表面處理應(yīng)采用噴砂除銹，噴砂后除銹等級(jí)要達(dá)到Sa 3 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，錨紋深度要達(dá)到70～120 μm。噴砂除銹后，采用潔凈的壓縮空氣強(qiáng)力吹掃管體表面，并用丙酮擦拭，使基礎(chǔ)面清潔。

（3）修復(fù)層施工.按規(guī)定的配合比將超級(jí)金屬修復(fù)劑各組份充分混合，攪拌均勻，用刮板或膠刀將混合好的修補(bǔ)劑涂于待修表面，用刮板或膠刀反復(fù)按壓，使修補(bǔ)劑與基體充分浸潤(rùn)灌實(shí)。在室溫（20～25 ℃）固化8 h 即可打磨修整，24 h 后可投入使用；溫度每提升11 ℃，固化時(shí)間縮短1/2，但提升溫度不得超出材料的承受溫度。

（4）加強(qiáng)層施工，采用手糊連續(xù)纏繞法施工。環(huán)氧膠料各組分配合比按規(guī)定準(zhǔn)確稱(chēng)量，使用機(jī)械攪拌使其均勻，配制成的環(huán)氧樹(shù)脂膠，先在基層上均勻刷一層襯布膠料，隨即纏繞粘貼一層玻璃布、貼實(shí)，使環(huán)氧膠料侵入布的纖維內(nèi)，鋪平、無(wú)折皺和氣泡。玻璃布表面膠料無(wú)流淌現(xiàn)象。常溫下4 h 自然固化，玻璃鋼表面要平整光滑，色澤均勻，與基體粘結(jié)牢固，無(wú)起鼓脫層現(xiàn)象。

（5）補(bǔ)強(qiáng)層施工，采用手糊連續(xù)纏繞法施工。碳纖維浸漬膠各組分配合比按規(guī)定準(zhǔn)確稱(chēng)量，使用機(jī)械攪拌使其均勻，配制成的碳纖維浸漬膠：先在基層上均勻刷一層，隨即纏繞粘貼一層碳纖維布，碾壓浸潤(rùn)，自然固化，碳纖維表面要平整光滑，色澤均勻，與基體粘結(jié)牢固，無(wú)起鼓脫層現(xiàn)象。玻璃鋼外碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層纏繞粘貼、修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)切面分別如圖2、圖3 所示。

（6）防護(hù)層施工。加強(qiáng)層及補(bǔ)強(qiáng)層固化后，修復(fù)段兩端修整打磨。為避免日光紫外線(xiàn)長(zhǎng)期照射，造成環(huán)氧玻璃鋼及碳纖維風(fēng)化失強(qiáng)，在碳纖維外壁涂刷抗紫外線(xiàn)性能良好的氯化橡膠防腐涂料（圖4）。

4 管道不動(dòng)火修復(fù)應(yīng)用

2016 年6 月18 日、7 月3 日至7 月12 日，對(duì)某油氣分離器進(jìn)出口匯管等管線(xiàn)進(jìn)行了漏磁腐蝕檢測(cè)、超聲波測(cè)厚、焊縫超聲波探傷工作：油氣分離器出口管線(xiàn)環(huán)焊縫附近連續(xù)發(fā)生3次泄漏，直管段檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)3 處減薄區(qū)16 個(gè)減薄點(diǎn)；焊縫檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)8 處缺陷；彎頭定點(diǎn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2 個(gè)減薄點(diǎn)，最小壁厚剩4.41 mm，約為管道壁厚的1/2。于2016 年10 月1 日至10月20 日，對(duì)上述管線(xiàn)缺陷處進(jìn)行了不停產(chǎn)不動(dòng)火修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層設(shè)計(jì)壓力為鋼管的1.6 倍。完工后對(duì)該修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層進(jìn)行了模擬耐壓實(shí)驗(yàn)，選擇2 m已穿孔的管線(xiàn)作為實(shí)驗(yàn)管段，在穿孔部位做和來(lái)油匯管同級(jí)別的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)修復(fù)，按規(guī)范試壓4.0 MPa、穩(wěn)壓72 h 穿孔處不刺漏，證明該修復(fù)工藝安全可靠。修復(fù)后的輸油匯管至今未出現(xiàn)過(guò)穿孔泄漏現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期修復(fù)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，石油管道建設(shè)工程越來(lái)越多，由于管道的腐蝕導(dǎo)致的輸油及污水管道的穿孔、泄漏和爆管的可能性也越來(lái)越普遍，這將直接影響著石油管道的安全生產(chǎn)，并給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)?？茖W(xué)選擇不停產(chǎn)不動(dòng)火修復(fù)工藝，在不停產(chǎn)的情況下恢復(fù)并提高管道缺陷部位的強(qiáng)度，以適應(yīng)石油管道越來(lái)越嚴(yán)峻的腐蝕環(huán)境，這在石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域及易燃易爆環(huán)境下極為重要，是避免管道維護(hù)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高管線(xiàn)使用壽命，避免管道因內(nèi)腐蝕導(dǎo)致的穿孔泄漏，降低維護(hù)成本等行之有效的方法。這可以最大限度地確保輸油和污水管道的安全生產(chǎn)，避免環(huán)境污染等風(fēng)險(xiǎn)，為石油管道平穩(wěn)運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 玻璃鋼外碳纖維補(bǔ)強(qiáng)層纏繞粘貼

圖3 修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)切面

圖4 修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層成品