長(zhǎng)輸管道應(yīng)急搶修技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)探討

李玉忠，謝 楠，武國(guó)棟，白曉航，馬偉平

1.中海油石化工程有限公司，山東青島 266101

2.中國(guó)石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南鄭州 451450

3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司沈陽(yáng)輸油氣分公司，遼寧沈陽(yáng) 113001

4.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000

“十三五”期間我國(guó)長(zhǎng)輸管道發(fā)展迅速，截至2017年底，陸上油氣長(zhǎng)輸管道總里程達(dá)13.3×104km[1]。管道發(fā)生油氣泄漏爆炸事故會(huì)造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。2009年12月某成品油管道渭南支線發(fā)生泄漏，約1 500 m3柴油流入黃河造成了嚴(yán)重污染[2]。2013年11月中石化輸油管道泄漏，原油進(jìn)入市政排水暗渠，在暗渠密閉空間內(nèi)油氣聚集遇火花發(fā)生爆炸，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元[3]。定期對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)和維修，可減少管道事故發(fā)生概率，管道應(yīng)急搶修技術(shù)越來越受重視和關(guān)注[4]。我國(guó)管道應(yīng)急搶修存在的問題[5]：搶修隊(duì)伍技術(shù)、裝備水平參差不齊，應(yīng)急搶修體系建設(shè)缺乏科學(xué)規(guī)劃和整合[6]；在高壓管道、海底管道和智能封堵機(jī)具研發(fā)及應(yīng)用方面存在差距[7]；僅有SY/T 7033《鋼質(zhì)油氣管道失效搶修技術(shù)規(guī)范》，缺少長(zhǎng)輸管道應(yīng)急搶修技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

為提高管道行業(yè)快速應(yīng)對(duì)、處置油氣泄漏事故，實(shí)現(xiàn)安全、高效管道搶修作業(yè)，保障管道安全運(yùn)行；以下闡述國(guó)內(nèi)外管道行業(yè)在補(bǔ)板搶修、帶壓開孔封堵、堵漏夾具方面的技術(shù)現(xiàn)狀，涵蓋國(guó)內(nèi)外管道搶修機(jī)具主流產(chǎn)品性能參數(shù)，并介紹智能封堵、復(fù)合材料等新型管道搶修技術(shù)。結(jié)合我國(guó)長(zhǎng)輸管道應(yīng)急搶修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用情況，還將提出管道應(yīng)急搶修體系建設(shè)工作和研究建議。

1 管道補(bǔ)板搶修技術(shù)

補(bǔ)板搶修技術(shù)是先采用漏點(diǎn)處理裝置（形式有木楔式、機(jī)械頂針式和引流補(bǔ)板式）初步封住管道漏點(diǎn)區(qū)域，再用鏈?zhǔn)骄o固器將具有一定弧度的堵漏板與管道緊密貼合，最后焊接為一體堵住泄漏點(diǎn)，見圖1。該技術(shù)簡(jiǎn)便快捷，適用于管道腐蝕穿孔、微小泄漏、表面金屬損失或規(guī)則的小面積機(jī)械損傷缺陷搶修。應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，管道運(yùn)行壓力應(yīng)降至設(shè)計(jì)壓力的1/3，輸氣管道應(yīng)停輸泄壓；還需注意焊接材料與管材的性能匹配和傳力均勻等問題。

圖1 管道補(bǔ)板搶修技術(shù)示意

美國(guó)以往將補(bǔ)孔和半圓補(bǔ)強(qiáng)板用于管道泄漏搶修，補(bǔ)口覆蓋管表面面積較??；半圓補(bǔ)強(qiáng)板覆蓋50%管表面，最長(zhǎng)沿軸向3 m。研究表明，補(bǔ)孔和半圓補(bǔ)強(qiáng)板修復(fù)技術(shù)對(duì)管材制造缺陷很敏感，不適用于高壓力管道泄漏情形，目前歐洲和北美不推薦這類技術(shù)，特別是輸氣管道禁止使用[8]。國(guó)內(nèi)管道工程實(shí)踐證明，補(bǔ)板搶修技術(shù)的安全隱患是補(bǔ)強(qiáng)板與管壁間的角焊縫可能由于應(yīng)力集中引發(fā)疲勞破壞。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)與管道盡可能貼近的補(bǔ)強(qiáng)板弧度，并嚴(yán)格施工組對(duì)，以保證焊縫質(zhì)量。

2 管道開孔封堵技術(shù)

管道開孔封堵技術(shù)是先在維修管段或閥門兩側(cè)安裝機(jī)械三通、夾板閥與開孔機(jī)，利用開孔機(jī)及筒刀進(jìn)行管道開孔作業(yè)，最后注入封堵頭完成封堵。國(guó)內(nèi)管道行業(yè)主要配備塞式（盤式）封堵器和擋板-囊式封堵器，還應(yīng)用了懸掛式、筒式和折疊式封堵技術(shù)。塞式封堵設(shè)備為美國(guó)TDW公司產(chǎn)品，擋板-囊式封堵器適用于低壓力管道（施工壓力不超過0.3 MPa），作業(yè)前需降低管道運(yùn)行壓力。懸掛式封堵利用管內(nèi)介質(zhì)壓力使皮碗膨脹實(shí)現(xiàn)密封，適用于多種介質(zhì)、高壓力、管內(nèi)清潔度差的管道情形。筒式封堵適用于中低壓氣體管道，開孔直徑大于管徑，成本較高，只適用DN500以下管道。折疊封堵適用于大口徑（720～1 219 mm）、低壓力（施工壓力低于1.1 MPa）管道，開孔直徑僅為管徑的1/3。通過引進(jìn)美國(guó)設(shè)備和自主研發(fā)，國(guó)內(nèi)已具備管徑34～1 219 mm、運(yùn)行壓力12 MPa以下油氣管道的不停輸開孔封堵維修能力，有效降低了油氣停輸造成的經(jīng)濟(jì)損失，目前正在開展管徑1 422 mm管道搶修設(shè)備研究[9]。

國(guó)外帶壓開孔封堵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管徑25～2438mm管道設(shè)施搶修，適用最大工作壓力10 MPa以上，廣泛應(yīng)用于換管、更換閥門和分輸改造等突發(fā)性事故搶修[10]，代表性產(chǎn)品是美國(guó)TDW公司研發(fā)的2400型開孔機(jī)，最大帶壓開孔直徑達(dá)到2 500 mm（罐體容器開孔）、最高工作壓力15 MPa、最大操作溫度370℃，對(duì)于輸氣管道的最大允許流速為9.2 m/s。美國(guó)TDW公司產(chǎn)品STOPPLE封堵機(jī)，采用塞式封堵，最大操作壓力10.2 MPa（37.7℃），最高操作溫度371.1℃（4.8 MPa），可對(duì)管徑101.6～914.4 mm的管道進(jìn)行封堵。美國(guó)Furmanite公司懸掛式封堵頭，最高設(shè)計(jì)壓力12.5 MPa，經(jīng)1.5倍最大封堵壓力試驗(yàn)驗(yàn)證成功，可對(duì)管徑1 372 mm管道實(shí)施封堵[11]。

帶壓開孔封堵技術(shù)在管道搶修中發(fā)揮著重要作用，存在的問題有：開孔機(jī)刀具振動(dòng)導(dǎo)致鞍形板掉落；封堵器密封性能不能得到根本保證，開孔封堵作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)；開孔機(jī)開孔作業(yè)效率、精度和筒刀壽命還需提高。未來研究方向是研發(fā)高性能開孔機(jī)和新型筒刀，提高開孔作業(yè)的效率與精度，保證開孔作業(yè)安全；優(yōu)化改進(jìn)封堵頭注入機(jī)械結(jié)構(gòu)，解決封堵器密封問題，特別是大管徑封堵頭在重力作用下的橡膠變形[12]。

3 夾具堵漏技術(shù)

夾具堵漏技術(shù)是在管道泄漏部位安裝夾具，夾具與泄漏部位形成密封空腔，實(shí)現(xiàn)管道堵漏和補(bǔ)強(qiáng)。夾具搶修操作簡(jiǎn)便，無(wú)需焊接作業(yè)，避免焊接殘余應(yīng)力，適用于因裂紋、腐蝕穿孔導(dǎo)致的較小油氣泄漏情形，但管道形變應(yīng)在夾具精度允許范圍內(nèi)，且在壓力等級(jí)較低的管道應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)陸上油氣管道夾具技術(shù)成熟，常用夾具類型有鏈?zhǔn)椒忸^夾具、單面鎖式夾具、套袖封堵夾具和對(duì)開式（弧板型）夾具等[13]。代表性產(chǎn)品有上海光本公司的T型搶修夾具、M高壓搶修卡具；北京管通公司的拆耳浮環(huán)夾具、局部雙層夾具等，產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 國(guó)內(nèi)管道搶修夾具產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

國(guó)外管道搶修夾具技術(shù)成熟，解決了海洋管道水下密封與承壓技術(shù)問題，主要用于海底管道和立管的維修搶修。Oil-States Hydro Tech公司成功進(jìn)行了140次海底管道搶修作業(yè)，最大深度1 615 m，最大工作壓力10.5 MPa。STATS-Group公司的搶修夾具如圖2所示，夾具內(nèi)部雙重密封橡膠能對(duì)維修管段實(shí)現(xiàn)軸向壓力密封，具有較好錨固性能，適用于工作壓力不大于30 MPa、管徑114～1 168 mm的海底管道、立管、干線管道的搶修。美國(guó)TDW公司研發(fā)的耦合式堵漏卡具適用于管徑1 219 mm管道，可用于砂眼、腐蝕坑、裂縫等微量泄漏的永久堵漏，工作壓力可達(dá)13.8 MPa[14]。Furmanite公司對(duì)開套管維修夾具（見圖3）廣泛應(yīng)用于在役管道泄漏修復(fù)和管體損傷維修，可以直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)壁厚管道上，無(wú)需焊接施工，如管道形變過大或者表面狀況較差，可能影響密封能力，安裝前需檢測(cè)管道光潔度和橢圓度。

圖2 STATS-Group公司夾具示意

圖3 Furmanite公司管道搶修夾具

管道搶修夾具未來將在高寒、山區(qū)、水網(wǎng)等復(fù)雜惡劣環(huán)境應(yīng)用，對(duì)其應(yīng)用提出更高要求，例如密封壓力越來越高，實(shí)現(xiàn)永久性修復(fù)，易于安裝等。借助計(jì)算機(jī)有限元等輔助工具，針對(duì)卡具材料、本體、耳體、螺栓、密封材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)等[15]。海洋管道搶修夾具發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā)新型密封材料以適應(yīng)高密封壓力[16]，適用于深水管道，借助水下機(jī)器人或機(jī)具完成夾具安裝，遠(yuǎn)程可靠控制操作。

4 鋼質(zhì)環(huán)氧套筒補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

鋼質(zhì)環(huán)氧套筒補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)實(shí)施過程是，先用鋼質(zhì)套筒將管道故障部位包裹，然后用密封劑對(duì)套筒兩端進(jìn)行密封，最后在套筒與管體之間的空隙注入環(huán)氧樹脂。該技術(shù)適用于天然氣管道和成品油管道，較為經(jīng)濟(jì)安全。

鋼質(zhì)環(huán)氧套筒補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在國(guó)外非常成熟，廣泛用于管道搶修。從2005年陜京管道、西氣東輸管道和西南油氣田公司管道搶修作業(yè)開始采用該技術(shù)，管徑為406～1 016 mm。四川科宏石油天然氣工程有限公司的鋼質(zhì)環(huán)氧套筒的設(shè)計(jì)壓力達(dá)10 MPa，管徑為108～1 620 mm。

5 管道搶修前沿技術(shù)

5.1 復(fù)合材料搶修技術(shù)

復(fù)合材料搶修技術(shù)是將高強(qiáng)度填料涂敷在管道缺陷部位，將作用在缺陷部位的應(yīng)力均勻傳遞至復(fù)合材料套筒，二者緊密貼合、分布管道應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)管道補(bǔ)強(qiáng)。該技術(shù)具有安裝簡(jiǎn)便、施工時(shí)間短、成本低、可永久性恢復(fù)管道承壓能力等優(yōu)點(diǎn)，可用于管道不停輸搶修和惡劣復(fù)雜環(huán)境。復(fù)合材料由玻璃/碳纖維和聚酯/乙烯酯/環(huán)氧樹脂組成，復(fù)合材料施工方法包括預(yù)成型法、濕纏繞法和預(yù)浸料法。

國(guó)外代表性產(chǎn)品是美國(guó)ClockSpring公司的ClockSpring復(fù)合套筒[17]（見圖4），由高強(qiáng)度單向復(fù)合套筒、快速固化強(qiáng)力雙面黏合劑和超高抗壓強(qiáng)度填料組成，該產(chǎn)品適用于管體補(bǔ)強(qiáng)、堵漏和裂縫抑制等情形，用于管道補(bǔ)漏修復(fù)時(shí)，孔洞直徑不超過25 mm。截至目前ClockSpring復(fù)合套筒在北美和歐洲修復(fù)管道9 000多例，與管道100%粘合，濕氣不會(huì)進(jìn)入管道缺陷，對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)無(wú)影響。其他國(guó)外復(fù)合材料有美國(guó)的Armor Plate、Diamondwrap及英國(guó)的Furmanite等[18]。

圖4 美國(guó)ClockSpring復(fù)合套筒

碳纖維彈性模量與鋼材接近，碳纖維和管材協(xié)同變形具有優(yōu)勢(shì)，碳纖維敷設(shè)方式和綜合性能最優(yōu)，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)是發(fā)展趨勢(shì)?？傮w來看，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，還不能完全滿足高寒、山區(qū)等特殊環(huán)境管道搶修要求，僅在X52鋼級(jí)及以下的中低等級(jí)輸油管道應(yīng)用[19]，還應(yīng)進(jìn)一步在X70、X80鋼級(jí)高壓天然氣管道進(jìn)行驗(yàn)證應(yīng)用研究。

5.2 管道智能封堵技術(shù)

管道智能封堵技術(shù)由挪威PSI公司開發(fā)，突破了封堵器由開孔進(jìn)入管道的結(jié)構(gòu)性局限。封堵器從管道清管器發(fā)球端進(jìn)入，在管內(nèi)介質(zhì)壓力推動(dòng)下向前運(yùn)行，到達(dá)指定位置時(shí)在超低頻電磁脈沖信號(hào)（ELF）控制下啟動(dòng)微型液壓系統(tǒng)進(jìn)行剎車并完成封堵，在ELF控制下啟動(dòng)自動(dòng)解封，在管內(nèi)介質(zhì)壓力下移動(dòng)至收球端取出[20]。該技術(shù)無(wú)需管道開孔、焊接作業(yè)，適用于管道干線截?cái)嚅y更換維修。代表性產(chǎn)品是TDW公司產(chǎn)品SmartPlug[21]，適用管徑254～1 067 mm，最大工作壓力20 MPa。

2013年3月TDW公司研發(fā)出Smarttrack TM監(jiān)控系統(tǒng)，可與SmartPlug聯(lián)合進(jìn)行管道封堵，封堵器運(yùn)行及定位更加準(zhǔn)確可靠，并實(shí)時(shí)監(jiān)控管道壓力、溫度參數(shù)，可應(yīng)用于管道搶修和清管作業(yè)，不需要降低管道運(yùn)行壓力，待維修管段也不需放空，即降低了開孔、焊接的風(fēng)險(xiǎn)，又降低了管道維修成本。STATSGroup公司的封堵產(chǎn)品適用管徑323～1067mm，代表性產(chǎn)品Tecno Plug TM（見圖5）具有自動(dòng)防故障的雙封堵頭，可以通過遠(yuǎn)程控制和手動(dòng)操作完成封堵器的坐封與解封操作。管道智能封堵技術(shù)的發(fā)展方向是：封堵器制動(dòng)裝置準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)封堵；通信系統(tǒng)可靠，提高處理速度，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制功能，應(yīng)用于管道清管和內(nèi)檢測(cè)等。

圖5 STATS Group公司Tecno Plug TM實(shí)物

5.3 裂縫密封機(jī)器人

裂縫密封機(jī)器人是使用厭氧型密封膠材料注入裂縫實(shí)現(xiàn)密封，主要適用于管徑為150～310 mm的中小管道，管道修復(fù)機(jī)器人自主完成作業(yè)，無(wú)需管道停輸和開孔焊接作業(yè)。

5.4 小孔洞泄漏修復(fù)夾具

小孔洞泄漏修復(fù)夾具（見圖6）屬于新型管道修復(fù)夾具，主要適用于管徑150～350 mm的中小管道，最大封堵壓力為14 MPa，適用于封堵最大孔徑12 mm的泄漏孔，是修復(fù)管道較小腐蝕穿孔、局部小孔泄漏的快速通用方法。

圖6 小孔洞泄漏修復(fù)夾具

6 結(jié)論

管道應(yīng)急搶修技術(shù)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、多學(xué)科高度集成的系統(tǒng)工程，應(yīng)著力滿足當(dāng)前管道運(yùn)行管理需求，持續(xù)跟蹤國(guó)外新型管道搶修技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。建議如下：

（1）解決高壓力、大口徑、高鋼級(jí)管道封堵設(shè)備密封問題，目的是提升封堵作業(yè)的安全性，這也是管道應(yīng)急搶修的研究方向。

（2）加強(qiáng)管道搶修專用機(jī)具設(shè)備研發(fā)，研究方向是智能化、數(shù)字化、輕便快捷，例如智能組對(duì)、全自動(dòng)焊接技術(shù)可縮短搶修時(shí)間；研發(fā)高鋼級(jí)管道用補(bǔ)強(qiáng)套袖；研究高寒、山地、水網(wǎng)等特殊環(huán)境用搶修設(shè)備進(jìn)場(chǎng)方式等。

（3）建立管道應(yīng)急搶修數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（Emergency Pipeline Repair System，EPRS），對(duì)在役管道進(jìn)行可靠性評(píng)估，分析研究腐蝕、裂紋、凹坑等缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)，掌握管道缺陷發(fā)展趨勢(shì)，制定科學(xué)維修方案。

（4）開展海底管道搶修技術(shù)研究迫在眉睫，我國(guó)海底管道總長(zhǎng)度已達(dá)5 000 km，隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，管道失效概率增加，受制于國(guó)外技術(shù)封鎖，管道維修費(fèi)用十分高昂。

（5）與國(guó)外知名管道搶修公司相比，我國(guó)在海底管道搶修、高溫高壓封堵、管道斷裂搶修以及特殊介質(zhì)搶修技術(shù)方面還存在差距，這是下一步研究工作重點(diǎn)。