鋼質(zhì)環(huán)氧套筒修復(fù)技術(shù)在長輸管道工程應(yīng)用探討

張振營 賈 然 季 揚 解 靜

（1. 國家管網(wǎng)集團西南管道有限責(zé)任公司南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530200；2. 國家管網(wǎng)集團建設(shè)項目管理分公司，河北 廊坊 065000；3. 國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065000；4. 中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項目部，陜西 西安 710016）

0 引言

由于環(huán)境條件、第三方施工以及服役年限較長，管道缺陷及泄漏失效問題日益突出[1]。管道行業(yè)應(yīng)用的補板、堆焊、B型套筒等焊接類修復(fù)技術(shù)，僅適用X60及以下低鋼級，在線焊接風(fēng)險較高，現(xiàn)場采用手工氬弧焊可能產(chǎn)生氫脆、冷脆和氫致裂紋，直焊縫/角焊縫處殘余應(yīng)力不易消除；管道換管技術(shù)成本高、周期長且影響管道正常輸送[2]；碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維復(fù)合材料修復(fù)存在粘浸劑性能老化、修復(fù)質(zhì)量不穩(wěn)定問題。相對上述管體修復(fù)技術(shù)，環(huán)氧鋼套筒優(yōu)點是無需焊接、施工安裝簡便，不存在管道動火作業(yè)風(fēng)險，對管道輸送基本無影響，尤其是較長缺陷、大面積腐蝕和應(yīng)力集中彎管的情形，被行業(yè)內(nèi)公認(rèn)為安全、經(jīng)濟、可靠的管體修復(fù)技術(shù)。隨著國家能源戰(zhàn)略和對天然氣清潔能源需求，X80高鋼級管道工程建設(shè)大量應(yīng)用，對環(huán)氧鋼套筒技術(shù)修復(fù)質(zhì)量、可靠性以及環(huán)焊縫缺陷修復(fù)提出更高要求。結(jié)合B型套筒、鋼質(zhì)環(huán)氧套筒、復(fù)合材料和換管的技術(shù)分析，通過分析國內(nèi)外對環(huán)氧鋼套筒修復(fù)技術(shù)工程應(yīng)用情況和研究進(jìn)展，有助于管道企業(yè)科學(xué)、高效開展管道管理和應(yīng)急搶修工作。

1 環(huán)氧鋼套筒設(shè)計原理及要求

鋼質(zhì)環(huán)氧套筒修復(fù)是用兩個半環(huán)形鋼質(zhì)套筒將管道缺陷或泄漏位置區(qū)域覆蓋，經(jīng)焊接或螺栓連接在一起，用密封膠對套筒兩端封閉，向套筒與管體間的環(huán)形空隙灌注環(huán)氧樹脂，形成復(fù)合套筒。環(huán)氧樹脂與套筒之間形成連續(xù)負(fù)載過渡，可將管道承受的載荷均勻傳遞到鋼質(zhì)套筒。鋼質(zhì)環(huán)氧套筒適用于修復(fù)腐蝕、溝槽、裂紋、凹陷、焊接缺陷（除環(huán)焊縫）、褶皺、屈曲等非泄漏缺陷，針對腐蝕泄漏穿孔，缺陷區(qū)域環(huán)氧樹脂充分接觸腐蝕性介質(zhì)，徹底抑制腐蝕發(fā)展。該技術(shù)除適用于長輸油氣管道，還適用液化石油氣管道、油氣站場工藝管道。

鋼質(zhì)環(huán)氧套筒示意圖如圖1所示。鋼質(zhì)護(hù)板材料性能和承壓能力不低于待修復(fù)管道等級，套筒與管道彈性模量基本相當(dāng)。鋼質(zhì)護(hù)板長度不小于150mm，鋼質(zhì)護(hù)板大于管道直徑約30mm，護(hù)板上有用于監(jiān)測環(huán)氧樹脂注入過程和密實度的螺孔，完成注入用螺栓封堵。護(hù)板兩端有定位螺栓，調(diào)整護(hù)板與管道的同軸度。護(hù)板末端距離缺陷外側(cè)邊界不小于50mm，護(hù)板四周打磨出坡口，便于V型平焊連接。環(huán)氧填料在管道運行溫度范圍內(nèi)不發(fā)生劣化，其熱膨脹系數(shù)和管材接近，固化后熱收縮性較低（固化收縮率小于0.23%）。液態(tài)環(huán)氧樹脂流動性較好，固化后韌性和粘接力極高（粘結(jié)強度和抗剪切強度高于20MPa，抗壓強度70MPa），可與管道協(xié)同變形并傳遞承載缺陷處應(yīng)力。

圖1 鋼質(zhì)環(huán)氧套筒示意圖

2 環(huán)氧鋼套筒工程應(yīng)用情況

從2005年開始陜京管道、西氣東輸一線、二線和三線以及西南油氣田公司管道泄漏搶修作業(yè)應(yīng)用該技術(shù)，管徑從406～1016mm，截至目前已在中石化、中石油完成三千處各類型缺陷修復(fù)。代表性產(chǎn)品例如四川科宏石油天然氣工程公司鋼質(zhì)環(huán)氧套筒可用于管道運行壓力10MPa，最大管徑1620mm，研發(fā)高壓無氣注料設(shè)備，環(huán)氧樹脂注入量10kg/min，施工時間約3～4h，修復(fù)后缺陷點耐壓強度和力學(xué)性能穩(wěn)定，避免空氣和氣泡混入，在-50～50℃環(huán)境溫度下均可進(jìn)行施工。

管道企業(yè)應(yīng)根據(jù)檢測和缺陷評價結(jié)論制定修復(fù)計劃，優(yōu)先安排修復(fù)高風(fēng)險缺陷。鋼質(zhì)環(huán)氧套筒安裝管體溫度高于介質(zhì)水露點3℃且不高于60℃，環(huán)境相對濕度不高于85%。修復(fù)前，管體表面用噴砂去除防腐層、鐵銹和腐蝕產(chǎn)物，管段超聲波檢測壁厚，噴砂處理表面達(dá)到Sa2.5級，缺陷處兩側(cè)10cm的防腐層噴砂至粗糙。套筒安裝采用機械輔助方式，套筒緊固從中間螺栓向兩側(cè)依次緊固。環(huán)氧填料固化后，用肖氏硬度計測試固化硬度不小于90HS，檢查無縫隙和氣泡缺陷。防腐層進(jìn)行15kV電火花檢漏無漏點。

環(huán)氧鋼套筒作為一種非焊接修復(fù)技術(shù)，具有修復(fù)缺陷類型多、適用范圍廣等特點，包括內(nèi)/外腐蝕、管材制造缺陷、施工機械損傷、軸向裂紋、鋼管直焊縫/螺旋焊縫缺陷和凹陷等。但鋼質(zhì)環(huán)氧套筒不能用于環(huán)焊縫缺陷修復(fù)，目前只能選擇B型套筒、換管作為環(huán)焊縫缺陷修復(fù)的可選方法。早期研究一般通過靜水壓或者循環(huán)壓力測試結(jié)合應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為鋼質(zhì)環(huán)氧套筒對未熔合環(huán)焊縫缺陷具有一定抑制效果（缺陷修復(fù)后軸向應(yīng)力下降約38%）。為驗證鋼質(zhì)環(huán)氧套筒在X80鋼級管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)的適用性，以管徑1016mm、壁厚15.3mm管件為例[3]，手動焊接環(huán)焊縫缺陷，分別研究內(nèi)壓、波動壓力、內(nèi)壓與彎曲聯(lián)合作用下的變形-破壞性能，鋼質(zhì)環(huán)氧套筒降低內(nèi)壓作用下環(huán)焊縫缺陷環(huán)向及軸向應(yīng)力，其中套筒承受環(huán)向載荷應(yīng)力水平高達(dá)47%；循環(huán)波動壓力下環(huán)焊縫缺陷處應(yīng)力水平基本不變，套筒與管道協(xié)同受力穩(wěn)定；在內(nèi)壓和彎曲聯(lián)合作用下，管件失效形式為管材受拉力屈服后受壓區(qū)局部失穩(wěn)破壞，且破壞位置不在已修復(fù)區(qū)域，相比未修復(fù)管道失效模式為焊縫斷面整體斷裂破壞，驗證鋼質(zhì)環(huán)氧套筒可增強含環(huán)焊縫缺陷管道的極限承載力和抗彎曲變形能力。

該技術(shù)瓶頸問題是在高寒低溫環(huán)境管道缺陷修復(fù)中，常溫固化型填充樹脂材料固化周期較長、強度偏低、固化后熱膨脹性能與管材存在差異等。建議進(jìn)一步開展特殊環(huán)境下（高寒、地質(zhì)災(zāi)害、水網(wǎng)、山區(qū)等）環(huán)氧鋼套筒修復(fù)技術(shù)。

3 環(huán)氧鋼套筒修復(fù)技術(shù)新進(jìn)展

從20世紀(jì)70年代，國外開始研發(fā)鋼質(zhì)環(huán)氧套筒修復(fù)技術(shù)，代表性是英國天然氣公司（BG）、美國Battelle公司和荷蘭Gasunie公司研發(fā)的產(chǎn)品，廣泛用于管道修復(fù)和泄漏搶修，產(chǎn)品使用壽命及長期整體性能已得到管道工程驗證。產(chǎn)品適用管道管徑100～1422mm，運行溫度范圍3～100℃，最大操作壓力10MPa。國外典型案例是Scandinavia煉油廠架空管道因熱應(yīng)力發(fā)生腐蝕和磨損，由于介質(zhì)易燃易爆且不能停輸，不具備在線焊接條件，采用環(huán)氧套筒修復(fù)。阿曼某石油管道修復(fù)中使用20m加長套筒（10個單個2m套筒焊接連接而成）。南歐管徑356mm管道一處曲率半徑12D彎管修復(fù)，通過制作4段斜插直型套筒經(jīng)修整、配裝達(dá)到預(yù)期修復(fù)效果。

4 結(jié)語

目前針對鋼質(zhì)環(huán)氧套筒修復(fù)技術(shù)的力學(xué)性能數(shù)學(xué)模型和承載力計算方法研究較為成熟，從環(huán)氧樹脂性能測試、施工工藝檢測和現(xiàn)場安裝工藝均已形成固定流程程序。隨著中俄東線大型天然氣管道建設(shè)，統(tǒng)計表明高鋼級管道失效和泄漏事故70%是由于環(huán)焊縫缺陷導(dǎo)致。目前環(huán)焊縫缺陷修復(fù)技術(shù)較為苛刻且存在諸多應(yīng)用限制因素。含環(huán)焊縫缺陷X80管道修復(fù)補強機理和極限承載力需深入研究，未來應(yīng)考慮管道實際受力特點（地質(zhì)災(zāi)害、高寒水網(wǎng)特殊地區(qū)），揭示在內(nèi)壓和彎曲載荷作用下高鋼級管道受力-失穩(wěn)-失效的演變機理。