與壓力容器相連油氣管道的碳纖維復合材料搶修

郝大勇，宋兆軍，董常家，齊高良，李 松

冀東油田公司，河北唐山 063299

與壓力容器相連油氣管道的碳纖維復合材料搶修

郝大勇，宋兆軍，董常家，齊高良，李 松

冀東油田公司，河北唐山 063299

在油田油氣管道搶修作業中，如果遇到該管道與壓力容器設備直接相連而無法實現有效隔離，常規的動火搶修作業就存在較大的安全風險。碳纖維復合材料修復技術的發展，為實現在不動火情況下對與壓力容器設備直接相連的油氣管道進行搶修提供了一種解決途徑。簡要介紹了碳纖維復合材料性能、碳纖維復合材料修復技術適用范圍及其特點，而后結合冀東油田某轉油站三相分離器來液管道穿孔搶險等兩個工程案例，提出了在采用鋼帶緊固堵漏之后，應用碳纖維復合材料修復技術進行永久修復的方案，并較詳細地論述了方案的實施過程等。實踐表明，碳纖維復合材料修復技術能夠在不停輸、不動火的情況下實現對管道的永久修復，特別適用于與壓力容器設備直接相連的油氣管道的快速維搶修處理。

油氣管道；碳纖維復合材料；修復技術；搶修

在油田油氣管道搶修作業中，如果遇到該管道與壓力容器設備直接相連而無法實現有效隔離時，則常規的動火搶修作業就存在較大的安全風險。傳統的維修方法中，為了達到動火作業條件，需要進行停產、吹掃、置換等工作，不但影響生產運行，且措施費用較高，吹掃置換過程中也會產生新的風險。近幾年，碳纖維復合材料補強技術的發展，為實現在不動火情況下對與壓力容器設備直接相連的油氣管道進行搶修作業提供了一種解決途徑。

1 碳纖維復合材料修復技術

1.1 碳纖維復合材料性能

碳纖維復合材料修復技術涉及的修復材料主要包括專用樹脂、專用填平膩子和碳纖維布，表1和表2給出了管道缺陷修復碳纖維復合材料的主要技術指標。

表1 修復專用樹脂與填平膩子的性能指標[1]

表2 碳纖維復合材料性能指標[1]

1.2 碳纖維復合材料修復技術適用范圍

依據ASME PCC-2，碳纖維復合材料修復技術可應用于以下幾方面：

（1）缺陷程度低于80%管道壁厚的腐蝕、裂紋、機械損傷、焊縫缺陷等的修復補強。

（2）內腐蝕管道臨時增強、單點補強，也可用于整體管段的缺陷補強。

（3）增加管道安全系數和用于管道提高運行壓力時的管道增強。

（4）不規則管件，如彎頭和三通的缺陷修復。（5）油氣管道的泄漏修復。

1.3 碳纖維復合材料修復技術特點

碳纖維復合材料修復技術用于管道補強具有如下技術特點：

（1）作業簡便、快速，現場修復設備簡單，無需焊接，不產生明火。

（2）碳纖維彈性模量與鋼材的彈性模量接近，有利于補強層與鋼管之間的協同變形，使應力達到均勻分布，取得良好補強效果。

（3）碳纖維延伸率大于1.4%，管道處于最大操作壓力時對應的變形量只占碳纖維復合材料可承受變形量的1/4～1/10，因此滿足管體變形需求[2]。

（4）可采用不同的粘結樹脂和施工工藝，工作溫度范圍廣。

（5）在載荷作用下，碳纖維的穩定性好，在含水介質中，碳纖維復合材料性能也很穩定，能夠實現永久性修復。

（6）復合材料可緊緊地包覆在管道的外層，與管道形成一體，共同承載管內壓力，以便使管道恢復到甚至超過管道的設計運行壓力。

2 應用案例一

2013年2月19日，冀東油田陸上作業區某轉油站三相分離器來液管道發生穿孔泄漏，漏點在入地彎頭底部位置，呈橢圓形，最大直徑11.6mm。泄漏彎頭規格為準457mm×8mm的1.5D無縫彎頭，材質為L360 M。該條管道設計壓力為1.6MPa，發生穿孔時管道運行壓力為0.3MPa。見圖1。

圖1 泄漏管道的位置

2.1 搶修方案分析

常見的油氣管道不停輸搶修技術如表3所示，根據表3和工程實際情況，對以下幾種搶修方案進行了論證。

（1）方案一，動火補焊作業。由于設備不能停產，且泄漏管道與三相分離器直接相連，中間沒有隔斷閥門，在與壓力容器無法進行有效隔離的情況下，直接焊接存在較大的安全風險，故排除該方案。

（2）方案二，使用堵漏夾具。需要找專業廠家測量定制，加工周期長。

（3）方案三，鋼帶緊固堵漏。泄漏點是彎頭部位，緊固效果不好，此方案只能作為臨時性的處置方案，不能實現永久修復。

（4）方案四，在方案三的基礎上，增加碳纖維復合材料修復技術。雖然碳纖維復合材料修復技術在冀東油田還沒有過應用案例，但技術人員在充分討論確認技術可行的情況下，決定采取本方案。

表3 常見油氣管道不停輸搶修技術

2.2 現場處置過程

核對管道直徑、壁厚、輸送介質、設計壓力、運行壓力、介質溫度、防腐類型、缺陷尺寸、埋設環境等影響因素，生產單位將管道壓力降至最低生產壓力運行后，開始搶修作業。

（1）采用鋼帶緊固控制漏點。現場經強制通風處理后，搶修人員用木楔子、膠皮、鋼帶將漏點初步控制住，而后檢查并確保臨時封堵嚴密，見圖2。

圖2 鋼帶緊固控制漏點

（2）管道表面處理。使用打磨機對彎頭表面進行粗糙度處理，對鋼帶及其兩邊各100mm范圍內的管體進行打磨處理，使表面精度達到Sa2.5級，錨紋深度為50～75 μm，打磨后用刷子將彎頭表面的粉塵清理干凈。

（3）找平。將配套填平膩子攪拌均勻，涂抹到鋼帶及兩邊各100mm管道上，等待填平膩子固化。填平膩子涂抹應均勻、平滑，邊緣部分應放坡處理。

（4）管道表面涂抹樹脂。將樹脂攪拌均勻后涂抹在填平膩子及兩邊管體表面上，在樹脂未固化前，完成碳纖維帶纏繞作業。

（5）纏繞碳纖維帶。將配制好的樹脂均勻地涂抹在碳纖維帶上，而后把碳纖維帶纏繞在管體上，纏繞方法見圖3。根據確定的修復層總軸向長度，以缺陷部位為中心進行纏繞，確保纖維與管道軸向垂直。修復時應盡量減少修復層碳纖維帶的接頭數量。纏繞時纖維帶應拉緊直至兩側有樹脂溢出，纏繞的第一圈和最后一圈應徑向纏繞一周，中間部分按照50%搭接寬度纏繞，彎頭施工時施力點應對準彎頭的中心[3]。

圖3 碳纖維帶纏繞

（6）管道恢復運行。樹脂固化完成后，緩慢恢復管道運行壓力至正常生產壓力，觀察24 h沒有出現滲漏，搶修完成。

目前，該管道已經平穩運行三年多時間，未發生泄漏情況，證明此種搶險技術能夠實現對管道的永久修復。

3 應用案例二

在油田生產中，一般使用計量分離器進行單井產量核算。計量分離器屬于小型立式壓力容器，一般規格為準1 000mm×1 800mm。生產使用中經常發生分離器底排污管道穿孔現象。由于排污管直接與壓力容器相連，動火焊接作業安全風險大，因此以往維修通常采用鋼帶緊固措施進行臨時處置。2016年，冀東油田陸上作業區成功地使用碳纖維復合材料補強技術對5處計量分離器底排污管道穿孔進行了維修作業，徹底地解決了該類問題。見圖4。

圖4 彎頭底部腐蝕穿孔維修后效果

4 結束語

碳纖維復合材料修復技術能夠在不停輸、不動火的情況下實現對管道的永久修復，特別適用于與壓力容器設備直接相連的油氣管道的快速維搶修處理。另外，與其他傳統搶修技術相比，其適用性強，對作業環境要求不高，施工操作簡便，經濟效益好，是一種可以大范圍推廣應用的油氣管道搶修技術。

[1]Q/SY1592-2013，油氣管道管體修復技術規范[S].

[2]李樞一，張建興，趙麗恒，等.油氣管道碳纖維復合材料修復技術及應用[J].管道技術與設備，2013（2）：38-40.

[3]吳艷，袁宗明，劉暢，等.碳纖維復合材料修補缺陷管道的應用進展[J].管道技術與設備，2011（5）：4-5.

Carbon fiber composite applied in rush repair of oil/gas pipeline directly connected with pressure vessel

HAO Dayong，SONG Zhaojun，DONG Changjia，QIGaoliang，LISong
Jidong Oilfield Company，Tangshan 063299，China

The technical development of carbon fiber composite provides a means of rush repair of oil/gas pipeline directly connected with pressure vessel without hot work.This paper introduces the performance of carbon fiber composite，the application scope and feature of the repair technique using carbon fiber composite.Combined with two project cases such as pipeline perforation of the three phase separator at an oil transfer station of Jidong Oilfield，this paper brings forward the repair scheme of using tightening steelbelt for leakage stoppage then applying carbon fiber composite for permanent repair，and illustrates the implementation course of the repair scheme.The practice proves that the repair technique using carbon fiber composite can realize pipeline permanent repair in the condition of non-stop transportation and without hot work. Especially，it is suitable for rush repair of oil/gas pipeline directly connected with pressure vessel.

oiland gas pipelines；carbon fiber composite material；repair technology；rush repair

郝大勇（1982-），男，黑龍江阿城人，工程師，2005年畢業于中國石油大學（華東）材料成型及控制工程專業，現從事冀東油田陸上作業區采油生產、技術開發、管理工作。

2017-01-12；

2017-04-15

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.014

Email：33153699@qq.com