長輸管道應急搶修技術現狀和發展趨勢探討

李玉忠，謝 楠，武國棟，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.國家管網集團北方管道有限責任公司沈陽輸油氣分公司，遼寧沈陽 113001

4.國家管網集團北方管道有限責任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000

“十三五”期間我國長輸管道發展迅速，截至2017年底，陸上油氣長輸管道總里程達13.3×104km[1]。管道發生油氣泄漏爆炸事故會造成重大人員傷亡和經濟損失。2009年12月某成品油管道渭南支線發生泄漏，約1 500 m3柴油流入黃河造成了嚴重污染[2]。2013年11月中石化輸油管道泄漏，原油進入市政排水暗渠，在暗渠密閉空間內油氣聚集遇火花發生爆炸，造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失7.5億元[3]。定期對管道進行維護和維修，可減少管道事故發生概率，管道應急搶修技術越來越受重視和關注[4]。我國管道應急搶修存在的問題[5]：搶修隊伍技術、裝備水平參差不齊，應急搶修體系建設缺乏科學規劃和整合[6]；在高壓管道、海底管道和智能封堵機具研發及應用方面存在差距[7]；僅有SY/T 7033《鋼質油氣管道失效搶修技術規范》，缺少長輸管道應急搶修技術的國家標準。

為提高管道行業快速應對、處置油氣泄漏事故，實現安全、高效管道搶修作業，保障管道安全運行；以下闡述國內外管道行業在補板搶修、帶壓開孔封堵、堵漏夾具方面的技術現狀，涵蓋國內外管道搶修機具主流產品性能參數，并介紹智能封堵、復合材料等新型管道搶修技術。結合我國長輸管道應急搶修實踐經驗和應用情況，還將提出管道應急搶修體系建設工作和研究建議。

1 管道補板搶修技術

補板搶修技術是先采用漏點處理裝置（形式有木楔式、機械頂針式和引流補板式）初步封住管道漏點區域，再用鏈式緊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，見圖1。該技術簡便快捷，適用于管道腐蝕穿孔、微小泄漏、表面金屬損失或規則的小面積機械損傷缺陷搶修。應用該技術時，管道運行壓力應降至設計壓力的1/3，輸氣管道應停輸泄壓；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 管道補板搶修技術示意

美國以往將補孔和半圓補強板用于管道泄漏搶修，補口覆蓋管表面面積較小；半圓補強板覆蓋50%管表面，最長沿軸向3 m。研究表明，補孔和半圓補強板修復技術對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，特別是輸氣管道禁止使用[8]。國內管道工程實踐證明，補板搶修技術的安全隱患是補強板與管壁間的角焊縫可能由于應力集中引發疲勞破壞。因此，應設計與管道盡可能貼近的補強板弧度，并嚴格施工組對，以保證焊縫質量。

2 管道開孔封堵技術

管道開孔封堵技術是先在維修管段或閥門兩側安裝機械三通、夾板閥與開孔機，利用開孔機及筒刀進行管道開孔作業，最后注入封堵頭完成封堵。國內管道行業主要配備塞式（盤式）封堵器和擋板-囊式封堵器，還應用了懸掛式、筒式和折疊式封堵技術。塞式封堵設備為美國TDW公司產品，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），作業前需降低管道運行壓力。懸掛式封堵利用管內介質壓力使皮碗膨脹實現密封，適用于多種介質、高壓力、管內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。通過引進美國設備和自主研發，國內已具備管徑34～1 219 mm、運行壓力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濟損失，目前正在開展管徑1 422 mm管道搶修設備研究[9]。

國外帶壓開孔封堵技術可實現管徑25～2438mm管道設施搶修，適用最大工作壓力10 MPa以上，廣泛應用于換管、更換閥門和分輸改造等突發性事故搶修[10]，代表性產品是美國TDW公司研發的2400型開孔機，最大帶壓開孔直徑達到2 500 mm（罐體容器開孔）、最高工作壓力15 MPa、最大操作溫度370℃，對于輸氣管道的最大允許流速為9.2 m/s。美國TDW公司產品STOPPLE封堵機，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），可對管徑101.6～914.4 mm的管道進行封堵。美國Furmanite公司懸掛式封堵頭，最高設計壓力12.5 MPa，經1.5倍最大封堵壓力試驗驗證成功，可對管徑1 372 mm管道實施封堵[11]。

帶壓開孔封堵技術在管道搶修中發揮著重要作用，存在的問題有：開孔機刀具振動導致鞍形板掉落；封堵器密封性能不能得到根本保證，開孔封堵作業存在安全風險；開孔機開孔作業效率、精度和筒刀壽命還需提高。未來研究方向是研發高性能開孔機和新型筒刀，提高開孔作業的效率與精度，保證開孔作業安全；優化改進封堵頭注入機械結構，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

夾具堵漏技術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，實現管道堵漏和補強。夾具搶修操作簡便，無需焊接作業，避免焊接殘余應力，適用于因裂紋、腐蝕穿孔導致的較小油氣泄漏情形，但管道形變應在夾具精度允許范圍內，且在壓力等級較低的管道應用。

目前國內陸上油氣管道夾具技術成熟，常用夾具類型有鏈式封頭夾具、單面鎖式夾具、套袖封堵夾具和對開式（弧板型）夾具等[13]。代表性產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夾具、局部雙層夾具等，產品技術參數見表1。

表1 國內管道搶修夾具產品技術參數

國外管道搶修夾具技術成熟，解決了海洋管道水下密封與承壓技術問題，主要用于海底管道和立管的維修搶修。Oil-States Hydro Tech公司成功進行了140次海底管道搶修作業，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，夾具內部雙重密封橡膠能對維修管段實現軸向壓力密封，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TDW公司研發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13.8 MPa[14]。Furmanite公司對開套管維修夾具（見圖3）廣泛應用于在役管道泄漏修復和管體損傷維修，可以直接安裝在標準壁厚管道上，無需焊接施工，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、水網等復雜惡劣環境應用，對其應用提出更高要求，例如密封壓力越來越高，實現永久性修復，易于安裝等。借助計算機有限元等輔助工具，針對卡具材料、本體、耳體、螺栓、密封材料進行結構和應力優化設計等[15]。海洋管道搶修夾具發展趨勢是研發新型密封材料以適應高密封壓力[16]，適用于深水管道，借助水下機器人或機具完成夾具安裝，遠程可靠控制操作。

4 鋼質環氧套筒補強技術

鋼質環氧套筒補強技術實施過程是，先用鋼質套筒將管道故障部位包裹，然后用密封劑對套筒兩端進行密封，最后在套筒與管體之間的空隙注入環氧樹脂。該技術適用于天然氣管道和成品油管道，較為經濟安全。

鋼質環氧套筒補強技術在國外非常成熟，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開始采用該技術，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環氧套筒的設計壓力達10 MPa，管徑為108～1 620 mm。

5 管道搶修前沿技術

5.1 復合材料搶修技術

復合材料搶修技術是將高強度填料涂敷在管道缺陷部位，將作用在缺陷部位的應力均勻傳遞至復合材料套筒，二者緊密貼合、分布管道應力，實現管道補強。該技術具有安裝簡便、施工時間短、成本低、可永久性恢復管道承壓能力等優點，可用于管道不停輸搶修和惡劣復雜環境。復合材料由玻璃/碳纖維和聚酯/乙烯酯/環氧樹脂組成，復合材料施工方法包括預成型法、濕纏繞法和預浸料法。

國外代表性產品是美國ClockSpring公司的ClockSpring復合套筒[17]（見圖4），由高強度單向復合套筒、快速固化強力雙面黏合劑和超高抗壓強度填料組成，該產品適用于管體補強、堵漏和裂縫抑制等情形，用于管道補漏修復時，孔洞直徑不超過25 mm。截至目前ClockSpring復合套筒在北美和歐洲修復管道9 000多例，與管道100%粘合，濕氣不會進入管道缺陷，對管道陰極保護系統無影響。其他國外復合材料有美國的Armor Plate、Diamondwrap及英國的Furmanite等[18]。

圖4 美國ClockSpring復合套筒

碳纖維彈性模量與鋼材接近，碳纖維和管材協同變形具有優勢，碳纖維敷設方式和綜合性能最優，碳纖維復合材料修復技術是發展趨勢?？傮w來看，國內復合材料產品性能還不夠穩定，還不能完全滿足高寒、山區等特殊環境管道搶修要求，僅在X52鋼級及以下的中低等級輸油管道應用[19]，還應進一步在X70、X80鋼級高壓天然氣管道進行驗證應用研究。

5.2 管道智能封堵技術

管道智能封堵技術由挪威PSI公司開發，突破了封堵器由開孔進入管道的結構性局限。封堵器從管道清管器發球端進入，在管內介質壓力推動下向前運行，到達指定位置時在超低頻電磁脈沖信號（ELF）控制下啟動微型液壓系統進行剎車并完成封堵，在ELF控制下啟動自動解封，在管內介質壓力下移動至收球端取出[20]。該技術無需管道開孔、焊接作業，適用于管道干線截斷閥更換維修。代表性產品是TDW公司產品SmartPlug[21]，適用管徑254～1 067 mm，最大工作壓力20 MPa。

2013年3月TDW公司研發出Smarttrack TM監控系統，可與SmartPlug聯合進行管道封堵，封堵器運行及定位更加準確可靠，并實時監控管道壓力、溫度參數，可應用于管道搶修和清管作業，不需要降低管道運行壓力，待維修管段也不需放空，即降低了開孔、焊接的風險，又降低了管道維修成本。STATSGroup公司的封堵產品適用管徑323～1067mm，代表性產品Tecno Plug TM（見圖5）具有自動防故障的雙封堵頭，可以通過遠程控制和手動操作完成封堵器的坐封與解封操作。管道智能封堵技術的發展方向是：封堵器制動裝置準確定位，實現快速制動封堵；通信系統可靠，提高處理速度，實現檢測和控制功能，應用于管道清管和內檢測等。

圖5 STATS Group公司Tecno Plug TM實物

5.3 裂縫密封機器人

裂縫密封機器人是使用厭氧型密封膠材料注入裂縫實現密封，主要適用于管徑為150～310 mm的中小管道，管道修復機器人自主完成作業，無需管道停輸和開孔焊接作業。

5.4 小孔洞泄漏修復夾具

小孔洞泄漏修復夾具（見圖6）屬于新型管道修復夾具，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 小孔洞泄漏修復夾具

6 結論

管道應急搶修技術是一項高風險、多學科高度集成的系統工程，應著力滿足當前管道運行管理需求，持續跟蹤國外新型管道搶修技術發展動態。建議如下：

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

（2）加強管道搶修專用機具設備研發，研究方向是智能化、數字化、輕便快捷，例如智能組對、全自動焊接技術可縮短搶修時間；研發高鋼級管道用補強套袖；研究高寒、山地、水網等特殊環境用搶修設備進場方式等。

（3）建立管道應急搶修數據庫系統（Emergency Pipeline Repair System，EPRS），對在役管道進行可靠性評估，分析研究腐蝕、裂紋、凹坑等缺陷檢測數據，掌握管道缺陷發展趨勢，制定科學維修方案。

（4）開展海底管道搶修技術研究迫在眉睫，我國海底管道總長度已達5 000 km，隨著服役時間延長，管道失效概率增加，受制于國外技術封鎖，管道維修費用十分高昂。

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