輸油管道不停產不動火修復機理研究

毛仲強，柳 楠，張金星，梁 玲，陳 浩

（中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

隨著我國工業的快速發展，使用管道對流體的輸送越來越普遍。采用鋼質管道輸送流體，是最安全、最方便快捷也是性價比較高的一種輸送方法。但是隨著油田開采時間的增長，含水率逐年增加及注水水質的不斷惡化，硫酸鹽氧化還原菌的不斷增多，輸油和污水管道的結蠟、結垢及腐蝕問題日益嚴峻，直接影響著石油管道的使用壽命。

由管道內腐蝕原因引起的管壁變薄，隨著管道運行時間的增長，管道內壁的減薄點增多，減薄區面積有繼續擴大和管道壁厚繼續減薄的傾向，該隱患部位有可能發生穿孔、泄漏、爆管等情形，直接影響著石油管道的安全生產，并給環境保護帶來前所未有的挑戰。另外，為了減少焊接時的不安全因素，采用傳統的動火修復時需要停產作業，從而產生巨大的修復成本。而采用不停產動火補焊，焊穿的危險性極大，是不科學、不可行的工藝選擇。另外，對于易燃易爆、有應力腐蝕開裂傾向的輸送管道來說，消除焊接應力的熱處理措施受到局限，易產生氫脆和冷脆等問題。

選擇不動火不停產修復補強工藝對管道缺陷處進行修復加強，在確保生產連續性的同時，可最大限度地確保輸油管道和污水管道的安全生產，并避免環境污染等風險。

1 不動火修復補強方法和修復層結構

采用復合修復技術對鋼質管道缺陷部位進行修復補強，主要是針對鋼質管道內、外腐蝕減薄兩種情況。

對于鋼質管道外腐蝕減薄的情況，主要是做金屬修復，采用超級金屬修補劑，在鋼質管道基礎面因腐蝕的凹陷麻坑等缺陷處涂抹修復，以恢復基礎面缺陷部位的強度和鋼質管道原有的抗壓強度。

本研究主要針對鋼質管道內腐蝕減薄的情況，探討采用不動火修復補強工藝的應用。修復層結構如圖1 所示：①做金屬修復，采用超級金屬修補劑，在鋼質管道基礎面因腐蝕的凹陷麻坑等缺陷處涂抹修復，以恢復基礎面缺陷部位的強度；②玻璃鋼加強層，以環氧玻璃鋼為主修復加強層，采用現場纏繞的施工方法，在管道缺陷部位纏繞襯貼具有一定厚度的玻璃鋼加強層，形成緊密結合的管外玻璃鋼加強管，不同壓力等級的鋼質管道，可根據設計壓力的不同，增加或減少環氧玻璃鋼加強層厚度；③碳纖維補強層，在玻璃鋼加強層外面，纏繞碳纖維包敷層整體補強，可根據設計壓力增加碳纖維補強層厚度；④防護層在碳纖維包敷補強層外邊，涂刷氯化橡膠防腐涂料二底二面，以保護里面的玻璃鋼和碳纖維，使其隔離大氣，避免氧化和風化，以保持永久的抗壓強度。

2 不動火修復補強層性能分析

2.1 超級金屬修復劑

金屬修復層采用超級金屬修補劑修復，該材料是富含金屬的高分子復合材料，經雙組分混合調配，可在常溫下固化、硬化后形成一種堅固的、類似金屬狀的材料，可以用于車床車削、磨削、鉆孔、攻絲等傳統的各種機械加工。在管道設備修復方面，它是一種理想的冷焊劑，可替代傳統的熱焊接工藝。采用超級金屬修補劑對管道凹陷麻坑等缺陷部位修復，有效恢復鋼質設備管道缺陷部位的強度。該材料室溫即可固化，適用于多種鋼件的缺陷修補，綜合性能好，與機體結合強度高，固化后硬度高、無收縮，具有耐磨損、耐老化、耐油、防水、抗各種化學腐蝕等優異性能。超級金屬修復劑的性能見表1。

圖1 修復補強層結構示意

表1 超級金屬修復劑的性能指標

2.2 玻璃鋼加強層

修復加強層以環氧玻璃鋼為修復主加強層，采用現場纏繞的施工方法，在管道缺陷部位襯貼纏繞，再造一段能承壓的玻璃鋼加強層，和被修復管線形成粘接力良好的管外加強管。加強層固化后，與被修復管道形成一體，固化后的環氧玻璃鋼抗壓強度和與彈性模量和鋼材相接近，可代替鋼質管道材料承載管內壓力，從而達到恢復甚至超過管道設計運行壓力的目的。環氧玻璃鋼加強層現場襯貼時，不受基材幾何尺寸的限制：可以對彎管、三通、大小頭等不規則管件修復，也可以用于腐蝕、機械損傷和裂紋等缺陷修復補強；可以對管道缺陷部位局部修復增強，也可以用于整個管段的提壓增強處理；該加強管現場施工、常溫固化成型，在原管道腐蝕變薄乃至穿孔，也可以單獨承壓繼續使用。

環氧玻璃鋼補強層厚度的設計方法：依據被修復補強的鋼質管道的厚度，采用等強度原理，確定修復加強層的厚度。以Q235 鋼管線為例，材料抗拉強度為375 MPa，環氧玻璃鋼管鋼抗拉強度為358 MPa，與鋼材抗拉強度相當，補強層厚度選擇與管線壁厚一致。

2.3 碳纖維補強層

在管壁減薄區和減薄點，隨著管道運行時間的增加，減薄區管壁厚度有可能繼續減薄，面積繼續增大，直至腐蝕穿孔，存在爆管的風險。在玻璃鋼加強層的外層襯貼碳纖維補強層，能和里面的玻璃鋼補強管共同承壓，使其耐壓強度提高到鋼管的1.6倍以上，從而避免該處爆管的風險。

碳纖維材料是航空航天高強材料，耐壓強度是鋼材的10 倍以上，彈性模量與鋼材、玻璃纖維的彈性模量相當。碳纖維補強層與玻璃纖維和鋼管有非常好的變形協同性，能夠和管道缺陷處玻璃鋼加強層共同承擔管道的內壓。碳纖維現場襯貼時，不受基材幾何尺寸的限制，可用于彎管、三通、大小頭等不規則管件修復，可以用于腐蝕、機械損傷和裂紋等缺陷修復補強。

根據強度計算原理，玻璃鋼加強層和外層襯貼碳纖維補強層，可使管材耐壓強度提高到鋼管的1.6 倍以上。應依據碳纖維材料與鋼材的耐壓強度比值，確定碳纖維纏繞粘貼厚度，一般取待修復管道壁厚的0.075 倍。

2.4 防老化涂料

玻璃纖維和碳纖維長期受紫外線照射，易發生風化、老化和失強的現象，在碳纖維外壁涂刷耐大氣腐蝕、抗紫外線優良的氯化橡膠防腐涂料（即防護層），可以使修復補強層長久保持足夠的抗壓強度。

3 不動火修復過程質量控制

3.1 修復前準備

在管壁因腐蝕繼續變薄直至穿孔后，隱患處的管壁靠加強層和補強層單獨承壓，腐蝕介質有從原管道外壁和玻璃鋼加強層內壁的間隙向外滲透的傾向。減薄點和缺陷部位，修復層自減薄點沿軸向往兩端各延伸30 cm；減薄區部位，修復層自減薄點沿軸向往兩端各延伸50 cm，可以有效延緩滲漏的時間。同時在玻璃鋼襯貼之前，在修復補強處涂抹一層薄的LOCTITE 浸潤劑120HP，以增加復合補強層和鋼材基體的剝離強度，從而有效阻止管道穿孔后液體從復合補強層夾層中往外滲透。

3.2 過程質量控制

（1）施工環境：①施工環境溫度為10～30 ℃，不得低于5 ℃；②基體表面溫度必須高于露點溫度3 ℃以上；③施工環境相對濕度不大于80 %，在雨、霧、雪、大風（風速大于3 級）、揚塵（沙）時，不得在室外做修復補強施工。

（2）表面處理。管道表面如果有油污、油脂和積垢，應按規定的方法進行處理。表面處理應采用噴砂除銹，噴砂后除銹等級要達到Sa 3 級標準，錨紋深度要達到70～120 μm。噴砂除銹后，采用潔凈的壓縮空氣強力吹掃管體表面，并用丙酮擦拭，使基礎面清潔。

（3）修復層施工.按規定的配合比將超級金屬修復劑各組份充分混合，攪拌均勻，用刮板或膠刀將混合好的修補劑涂于待修表面，用刮板或膠刀反復按壓，使修補劑與基體充分浸潤灌實。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 ℃，固化時間縮短1/2，但提升溫度不得超出材料的承受溫度。

（4）加強層施工，采用手糊連續纏繞法施工。環氧膠料各組分配合比按規定準確稱量，使用機械攪拌使其均勻，配制成的環氧樹脂膠，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，使環氧膠料侵入布的纖維內，鋪平、無折皺和氣泡。玻璃布表面膠料無流淌現象。常溫下4 h 自然固化，玻璃鋼表面要平整光滑，色澤均勻，與基體粘結牢固，無起鼓脫層現象。

（5）補強層施工，采用手糊連續纏繞法施工。碳纖維浸漬膠各組分配合比按規定準確稱量，使用機械攪拌使其均勻，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，自然固化，碳纖維表面要平整光滑，色澤均勻，與基體粘結牢固，無起鼓脫層現象。玻璃鋼外碳纖維補強層纏繞粘貼、修復補強結構切面分別如圖2、圖3 所示。

（6）防護層施工。加強層及補強層固化后，修復段兩端修整打磨。為避免日光紫外線長期照射，造成環氧玻璃鋼及碳纖維風化失強，在碳纖維外壁涂刷抗紫外線性能良好的氯化橡膠防腐涂料（圖4）。

4 管道不動火修復應用

2016 年6 月18 日、7 月3 日至7 月12 日，對某油氣分離器進出口匯管等管線進行了漏磁腐蝕檢測、超聲波測厚、焊縫超聲波探傷工作：油氣分離器出口管線環焊縫附近連續發生3次泄漏，直管段檢測共發現3 處減薄區16 個減薄點；焊縫檢測共發現8 處缺陷；彎頭定點檢測發現2 個減薄點，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，對上述管線缺陷處進行了不停產不動火修復補強，修復補強層設計壓力為鋼管的1.6 倍。完工后對該修復補強層進行了模擬耐壓實驗，選擇2 m已穿孔的管線作為實驗管段，在穿孔部位做和來油匯管同級別的修復補強結構修復，按規范試壓4.0 MPa、穩壓72 h 穿孔處不刺漏，證明該修復工藝安全可靠。修復后的輸油匯管至今未出現過穿孔泄漏現象，達到了預期修復效果。

5 結束語

隨著現代科學技術和工業經濟的飛速發展，石油管道建設工程越來越多，由于管道的腐蝕導致的輸油及污水管道的穿孔、泄漏和爆管的可能性也越來越普遍，這將直接影響著石油管道的安全生產，并給環境保護帶來前所未有的挑戰。科學選擇不停產不動火修復工藝，在不停產的情況下恢復并提高管道缺陷部位的強度，以適應石油管道越來越嚴峻的腐蝕環境，這在石油化工生產領域及易燃易爆環境下極為重要，是避免管道維護中的安全風險，提高管線使用壽命，避免管道因內腐蝕導致的穿孔泄漏，降低維護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，避免環境污染等風險，為石油管道平穩運行打下堅實的基礎。

圖2 玻璃鋼外碳纖維補強層纏繞粘貼

圖3 修復補強結構切面

圖4 修復補強層成品