海底管道外腐蝕復(fù)合材料水下纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

劉 軍,張傳旭,曲 杰

(1. 天津市海底管道企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300452; 2. 海油發(fā)展海底管道安全服役保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300452; 3. 中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司,天津 300452; 4. 天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司,天津 300452)

0 引 言

隨著海上油氣資源產(chǎn)量的增長(zhǎng),海底管道作為油氣資源輸送的重要設(shè)施,其安全和可靠的服役將至關(guān)重要。由于海上服役環(huán)境比較惡劣,海底管道本身也會(huì)存在一定的缺陷,同時(shí)運(yùn)行期間,還會(huì)存在第三方破壞、自然災(zāi)害、海底管道服役期間的腐蝕等諸多因素,影響海底管道的運(yùn)行壽命。其中,海底管道的腐蝕是影響海底管道可靠和安全運(yùn)行的重要因素。一旦因腐蝕發(fā)生泄露、破裂,往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)后果。據(jù)統(tǒng)計(jì),自1995～2010年發(fā)生的28起海底管道事故(事件)中,最大因素(占47%)是腐蝕。如2007年潿洲某油田原油管道腐蝕,油田停產(chǎn)近200天;2007年?yáng)|方某管線爆裂,氣田停產(chǎn),致使下游化肥廠和居民用氣緊張,造成極其不良的社會(huì)影響。我國(guó)自1995年以來(lái)各種海底管道事故導(dǎo)致海洋石油產(chǎn)量損失累計(jì)達(dá)213萬(wàn)噸,直接維修費(fèi)用超過(guò)20億。因此,只有定期海底管道維修,保障海底管道的安全和可靠運(yùn)行,才能保證油氣資源的開(kāi)發(fā)。

管道的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)一般采用更換管道、焊接、管卡和復(fù)合材料等修復(fù)方法。管卡修復(fù)技術(shù)對(duì)管線形貌要求比較高,施工設(shè)備及工藝相對(duì)較復(fù)雜,并且施工費(fèi)用高、效率低,僅適用于臨時(shí)搶修和大面積腐蝕修復(fù)。更換管段需要停產(chǎn)作業(yè),相對(duì)成本較高、周期較長(zhǎng)[1]。近些年,新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,海底管道復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的關(guān)注度也越來(lái)越高。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)能夠在管道外形成補(bǔ)強(qiáng)層,分擔(dān)管道承受的載荷,降低管壁的應(yīng)力應(yīng)變,從而恢復(fù)和提高管道的承壓能力,起到修復(fù)效果,是目前最有應(yīng)用前景的外腐蝕修復(fù)技術(shù)。

海底管道復(fù)合材料水下纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)主要是針對(duì)節(jié)點(diǎn)和防水帽處腐蝕問(wèn)題進(jìn)行治理,利用高分子材料的耐蝕性、高強(qiáng)度、高模量、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合水下修復(fù)施工工藝,對(duì)節(jié)點(diǎn)腐蝕失效部位進(jìn)行防腐修復(fù)。防腐層修復(fù)結(jié)構(gòu)主要為:首先,鋼管基材腐蝕坑填充超級(jí)水下修補(bǔ)劑;同時(shí),節(jié)點(diǎn)修復(fù)區(qū)域涂抹水下環(huán)氧黏接劑;其次,纏繞預(yù)浸漬水下專用繃帶;最后,使用張緊器纏繞復(fù)合增強(qiáng)繃帶。每道工序應(yīng)該嚴(yán)格按照水下施工工藝施工,確保起到防腐、隔水、加強(qiáng)作用,保證節(jié)點(diǎn)修復(fù)結(jié)構(gòu)完整性。

1 產(chǎn)品介紹

1.1 材料

海底管道復(fù)合材料水下纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)中主要用到的材料如下:

(1) 超級(jí)水下修補(bǔ)劑:是一種由雙組分組成的環(huán)氧填料,能有效地將不規(guī)則部位的載荷轉(zhuǎn)移到表面(包括凹坑、空隙、腐蝕缺陷、凹痕等)的維修系統(tǒng)。

(2) 水下環(huán)氧黏接劑;是一種浸潤(rùn)型高纖維增強(qiáng)型三聚合物,利用液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂、聚合物以及脂肪族多胺作為固化劑,使得水分得以析出。

(3) 水下專用繃帶;是一種獨(dú)特的預(yù)浸漬的雙向玻璃纖維復(fù)合材料,用于修復(fù)和加固管道或者結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或外部的腐蝕。此產(chǎn)品確保了適當(dāng)?shù)睦w維與樹(shù)脂含量比,使得該玻璃纖維系統(tǒng)性能更加可靠穩(wěn)定。

(4) 復(fù)合增強(qiáng)繃帶:是一種混合碳纖維和玻璃纖維聚氨酯預(yù)浸漬系統(tǒng),將碳纖維卓越的強(qiáng)度和堅(jiān)韌完美結(jié)合,使用方便,是一種濕態(tài)固化、工廠預(yù)浸漬的雙向編制纖維。

1.2 材料性能

按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)非貫穿缺陷A進(jìn)行了研究驗(yàn)證[2],對(duì)海底管道復(fù)合材料水下纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)中的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,復(fù)合材料性能技術(shù)驗(yàn)證研究已經(jīng)在相關(guān)文獻(xiàn)中介紹[3、 4],試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1 復(fù)合材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Composite performance test data

表2 復(fù)合材料修復(fù)層性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Performance test data of composite repair layer

2 修復(fù)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 修復(fù)層厚度計(jì)算

為了保證水下修復(fù)系統(tǒng)的可靠性和服役穩(wěn)定性,先在陸地預(yù)制缺陷模擬補(bǔ)強(qiáng)修復(fù);在陸地模擬修復(fù)層數(shù)能夠滿足補(bǔ)強(qiáng)要求后,再按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)和原管線實(shí)際參數(shù)進(jìn)行校核修復(fù)層數(shù)。陸地模擬試驗(yàn)用鋼管的管徑為168.3mm,原始壁厚為7.21mm,規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度為305MPa,缺陷的長(zhǎng)度為89mm,寬度為45mm,深度為5.76mm(即原始壁厚的80%)。為了判斷水下修復(fù)系統(tǒng)是否能夠滿足補(bǔ)強(qiáng)作用,首先需要知道修復(fù)鋼管初始狀態(tài)能夠承受的爆破壓力。根據(jù)下列公式計(jì)算出鋼管的爆破壓力:

(1)

式中,Pf為鋼管的爆破壓力,MPa;t為鋼管的原始壁厚,mm;Sa為鋼管的屈服應(yīng)力,MPa;D為鋼管的外徑,mm。

依據(jù)公式(1)計(jì)算得出Pf=26.13MPa。標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-F101-2017中規(guī)定,腐蝕缺陷達(dá)到原始壁厚的80%海底管道就不能再繼續(xù)使用[5],因此,預(yù)制缺陷按照原始壁厚的80%來(lái)計(jì)算修復(fù)層厚度trepair。思路是用修復(fù)纏繞帶來(lái)補(bǔ)充缺陷的強(qiáng)度。根據(jù)下列公式計(jì)算處修復(fù)層的厚度[6]:

(2)

式中,trepair為修復(fù)層厚度,mm;Pf為鋼管的爆破壓力,MPa;D為鋼管的外徑,mm;Sa為鋼管的屈服應(yīng)力,MPa;ts為鋼管缺陷預(yù)制后的剩余厚度,mm;sc為復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,MPa。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得出的Pf=26.13MPa,結(jié)合公式(2)計(jì)算得出trepair=4.775mm。另外,修復(fù)纏繞帶單層厚度為0.3556mm,計(jì)算得出修復(fù)層數(shù)為14層。另外,通過(guò)短期生存試驗(yàn)得出14層修復(fù)厚度的爆破壓力為37.3MPa>26.13MPa,纏繞修復(fù)完成的鋼管如圖1所示。

圖1 纏繞修復(fù)樣管Fig.1 Winding repair steel pipe

2.2 修復(fù)系統(tǒng)驗(yàn)證

2.2.1 原管道性能參數(shù)

根據(jù)海底管道的內(nèi)檢測(cè)報(bào)告得出實(shí)際海底管道的腐蝕缺陷深度為77%壁厚。公式(2)計(jì)算得出的修復(fù)層數(shù)雖然通過(guò)了陸地短期生存能力試驗(yàn),但是,由于海上施工存在諸多不確定性因素,為保證水下施工能夠一次性成功,需要按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)401-3.4.3,結(jié)合海底管道實(shí)際參數(shù),對(duì)修復(fù)系統(tǒng)復(fù)合材料性能進(jìn)行修復(fù)層厚度、長(zhǎng)度驗(yàn)證。原管道性能參數(shù)如表3所示。

表3 原管道性能參數(shù)Tab.3 Original pipeline performance parameters

2.2.2 修復(fù)層厚度計(jì)算

按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)401-3.4.3,對(duì)海底管道修復(fù)層厚度進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)公式(2)計(jì)算出最小修復(fù)層的厚度。

2.2.3 修復(fù)層軸向修復(fù)長(zhǎng)度計(jì)算

除非可以證明較短的修復(fù)層長(zhǎng)度就能滿足要求,否則需要計(jì)算修復(fù)層的長(zhǎng)度,確保修復(fù)層長(zhǎng)度能夠覆蓋缺陷區(qū)域。按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)401-3.4.8,計(jì)算修復(fù)層的軸向長(zhǎng)度,修復(fù)層的重疊長(zhǎng)度Lover和修復(fù)的總軸向長(zhǎng)度L的計(jì)算公式為:

(3)

L=2Lover+Ldefect+2Ltaper

(4)

2.2.4 修復(fù)系統(tǒng)驗(yàn)證

依據(jù)公式(3)和公式(4),結(jié)合海底管道參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得出Lover=67.64mm;利用公式(2)和復(fù)合材料的檢測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算得出修復(fù)層的最小修復(fù)層厚度trepair=5.414mm;再根據(jù)最小修復(fù)層厚度來(lái)計(jì)算修復(fù)層端部厚度逐漸減薄的長(zhǎng)度Ltaper=27mm,最終的修復(fù)層長(zhǎng)度也就能夠通過(guò)公式(4)得處,L=235mm。由于管道腐蝕發(fā)展已經(jīng)達(dá)到鋼管壁厚的77%,所以通過(guò)計(jì)算公式可以得到Lovermin=32mm<45mm,因此Lovermin=45mm。參照ISO 24817-2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證[7],得出如下結(jié)論:

(1) 最小修復(fù)層的重疊長(zhǎng)度Lovermin=45mm<67.64mm,因此計(jì)算得到的L=235mm,符合要求。

(2)D/12=14.025,大于trepair=5.414mm,因此計(jì)算得到的修復(fù)層厚度trepair=5.414mm,符合要求。

(3) 陸地模擬試驗(yàn)修復(fù)層厚度的爆破壓力是37.3MPa,按照計(jì)算的修復(fù)層厚度tmin=5.414mm可以得到爆破壓力為42.29MPa。考慮到目標(biāo)管線的屈服強(qiáng)度是陸地試驗(yàn)管線的1.47倍,可以得到修復(fù)后目標(biāo)管線的爆破壓力大約在62.4MPa。根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出海底管道的爆破壓力為46.52MPa<62.4MPa,因此,計(jì)算得出的tmin=5.414mm,n=16層,符合要求。

3 修復(fù)系統(tǒng)施工工藝

3.1 施工流程

實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中,施工工藝的可靠性是修復(fù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于水下作業(yè)環(huán)境的特殊性,對(duì)施工工藝的要求就更為嚴(yán)格。水下潛水員需要嚴(yán)格按照培訓(xùn)、陸地演示施工等規(guī)范操作?，F(xiàn)場(chǎng)施工的具體施工步驟如下:

(1) 使用手持式氣動(dòng)打磨機(jī)械,清除管道原涂層、疏松鐵銹、油漆和其他雜質(zhì)。表面處理標(biāo)準(zhǔn)St3,鋼材表面會(huì)無(wú)可見(jiàn)的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物,任何殘留的痕跡應(yīng)僅是點(diǎn)狀或條紋狀的輕微色斑。

(2) 將配制好的超級(jí)水下修補(bǔ)劑涂抹到缺陷坑內(nèi),確保沒(méi)有氣泡,填補(bǔ)填料能起到載荷傳遞、修補(bǔ)凹陷的效果。輕輕抹刮,確保邊緣密封填平后,用砂紙或其他修磨工具,將凸起等影響施工的位置修磨成管道外形,圓滑過(guò)渡。

(3) 將水下環(huán)氧黏接劑均勻涂敷在修復(fù)打磨位置,采用刮板均勻涂敷,不允許出現(xiàn)漏涂、不均勻、氣泡等情況。

(4) 涂敷完成水下環(huán)氧黏接劑后,開(kāi)始進(jìn)行水下專用繃帶纏繞。首末端100%搭接,其余位置50%搭接,纏繞途中不得反向,纏繞過(guò)程中應(yīng)確保無(wú)氣泡滯留在里面,起到密封作用。

(5) 在第三步施工完成后,開(kāi)始進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng)繃帶的施工。施工步驟類似于水下專用繃帶。復(fù)合增強(qiáng)繃帶纏繞到設(shè)計(jì)層數(shù)后使用壓緊薄膜固定,并用工具在壓緊薄膜上扎孔,以便排出內(nèi)層纏繞帶凝固過(guò)程中的多余水分及氣泡。待復(fù)合增強(qiáng)繃帶固化后,即可拆除壓緊薄膜(不拆也可),即完成復(fù)合材料水下施工修復(fù)。詳細(xì)施工步驟如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料水下修復(fù)施工流程Fig.2 Construction process of composite underwater repair

3.2 可靠性分析

針對(duì)目標(biāo)管線的缺陷類型以及管線參數(shù)進(jìn)行了有限元的分析,目的是通過(guò)有限元建模分析缺陷管線修復(fù)后,復(fù)合材料修復(fù)層在設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)力分布以及位移變化情況。詳細(xì)分析結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 未修復(fù)的含腐蝕缺陷管道應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果Fig.3 Stress and displacement calculation results for unrepaired pipes with corrosion defects

圖4 修復(fù)的含腐蝕缺陷管道應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果Fig.4 Stress and displacement calculation results of repaired pipeline with corrosion defects

通過(guò)有限元模擬可以發(fā)現(xiàn),未修復(fù)的含腐蝕缺陷的管道最大應(yīng)力略高于修復(fù)后管道的最大應(yīng)力,表明復(fù)合材料修復(fù)后能夠分散一定應(yīng)力。同時(shí),未修復(fù)的管道位移略大于修復(fù)后管道的位移,表明復(fù)合材料限制了管道缺陷處的彈性膨脹,從而相應(yīng)降低了缺陷處的應(yīng)力水平。因此,通過(guò)有限元分析可以發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料修復(fù)后能夠分散缺陷處的應(yīng)力。

4 結(jié) 論

復(fù)合材料修復(fù)的目標(biāo)管線通過(guò)兩次內(nèi)檢測(cè),結(jié)果顯示,腐蝕情況未進(jìn)一步發(fā)展,同時(shí)目標(biāo)管線的運(yùn)行壓力和運(yùn)行溫度也未出現(xiàn)較大波動(dòng),表明修復(fù)系統(tǒng)水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)能夠達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)作用,并且還能起到防腐效果。通過(guò)工程實(shí)踐,該修復(fù)技術(shù)能夠應(yīng)用到海底管道的水下外腐蝕修復(fù),同時(shí)也證明了修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用,水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工工藝能夠滿足不同管線腐蝕余量下的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。但是,隨著復(fù)合材料水下修復(fù)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)于海底管道的防腐、補(bǔ)強(qiáng)還是要不斷地深入研究。