概述

油田管網(wǎng)帶壓修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝是一種全新的安全不動(dòng)火修復(fù)方式。 以保證油田管網(wǎng)的安全運(yùn)行為核心目標(biāo)， 通過采用復(fù)合材料對運(yùn)行中管道進(jìn)行強(qiáng)度增強(qiáng)， 從而將管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制在合理的范圍之內(nèi)。 管道補(bǔ)強(qiáng)是綜合的、 立體化的技術(shù)， 它應(yīng)用廣泛， 可用于因腐蝕、 老化、 疲勞、穿孔、 機(jī)械損傷等管道失效的現(xiàn)場。 本文主要以塔里木油田天然氣處理站為例， 對管道補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了初探。

幾種管道修復(fù)技術(shù)

目前針對機(jī)械損傷或腐蝕缺陷而尚未泄漏的管道， 主要的修復(fù)技術(shù)包括焊接、 換管、 夾具、纖維復(fù)合材料修復(fù)等。 采用焊接方法對天然氣管道修復(fù)具有很大的危險(xiǎn)性， 由焊接引起的管道安全事故屢見不鮮， 而且在甲級動(dòng)火區(qū)施工受到制約； 更換管的經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)成本都非常高。

夾具修復(fù)方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外， 恢復(fù)管道承壓能力。 特點(diǎn)是能夠在不破壞原有管道的情況下進(jìn)行增強(qiáng)。 但夾具方法操作復(fù)雜， 尤其是在彎頭處沒有優(yōu)勢， 其造價(jià)高、 現(xiàn)場應(yīng)變能力差、 彎頭處難以施工的弱點(diǎn)十分明顯。

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)主要使用的是CF纖維, CF纖維化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量90％以上的纖維。 它是有機(jī)纖維在惰性氣體中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀的碳化物。 其典型的特點(diǎn)是：比強(qiáng)度、 比模量高。 最大的缺陷是： 具有導(dǎo)電性， 容易產(chǎn)生二次腐蝕， 在國內(nèi)的已應(yīng)用的埋地管道上有很多失敗的案例。

凱夫拉纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)作為一種高效快捷的新型修復(fù)技術(shù)， 其優(yōu)點(diǎn)是免焊不動(dòng)火， 極大地降低了操作的風(fēng)險(xiǎn)性， 并且在尚未有泄漏的補(bǔ)強(qiáng)中， 可以帶壓修復(fù)， 保障管道不間斷運(yùn)行。 凱夫拉纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和彈性模量， 是應(yīng)用于管道補(bǔ)強(qiáng)的理想纖維材料。

1、 凱夫拉纖維不導(dǎo)電， 而碳纖維導(dǎo)電， 因此在地鐵， 工業(yè)廠房等結(jié)構(gòu)中使用碳纖維就有很大的局限性甚至禁入性。 此外， 碳纖維用于混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)， 務(wù)必與鋼筋隔離以防電化學(xué)腐蝕， 而使用凱夫拉纖維則不受此限制。

2、 碳纖維布的抗剪強(qiáng)度較低， 易折斷， 這使得施工時(shí)倒角處理要求較高， 倒角半徑不小于20mm， 而凱夫拉纖維僅需要10mm即可。

3、 碳纖維的高彈模量使其能承受長期靜荷載， 這是最為突出的優(yōu)點(diǎn)， 而對于承受動(dòng)載和局部沖擊作用則凱夫拉纖維更有競爭力。

4、 碳纖維與凱夫拉在施工可操作性方面， 凱夫拉纖維無疑是更合適的材料。

5、 碳纖維加固后的破壞模式是脆性（結(jié)構(gòu)變形小， 碳纖維布的極限延伸率�。� 。

凱夫拉纖維力學(xué)性能：

材料力學(xué)性能比較

凱夫拉纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

1、 采用專業(yè)分析軟件， 計(jì)算管道缺陷的相關(guān)數(shù)據(jù)信息， 并確定補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的產(chǎn)品類型和方式。

2、 局部管段補(bǔ)強(qiáng)可使用專用打磨工具， 去除表面的銹蝕及防腐層， 將管道表面粗糙度達(dá)到65到83微米， 并達(dá)到表面硬化的效果代替噴砂作業(yè)。 可有效增加符合材料與管道表面接觸的表面積， 增加符合材料與管道的粘貼強(qiáng)度。 （備注：這是ISO24817的工藝要求， 更完善的施工操作規(guī)程。 ）

3、 使用填平樹脂對管道缺陷進(jìn)行填平處理。

4、 然后配合專用粘結(jié)劑在需要補(bǔ)強(qiáng)的管道外纏繞凱夫拉纖維材料， 形成凱夫拉纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層。 補(bǔ)強(qiáng)層固化后， 與管道形成一體， 代替管道材料承載管內(nèi)壓力， 從而達(dá)到恢復(fù)甚至超過管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力的目的。

專用粘結(jié)劑主要成分是環(huán)氧樹脂， 是指分子中還有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的線性有機(jī)高分子化合物。

環(huán)氧基團(tuán)(epoxy goup)可位于分子鏈的末端、 中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 環(huán)氧基團(tuán)較活潑， 能與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而生成體形高聚物。

凱夫拉纖維材料是一種在航空航天、 軍工、高壓管道和壓力容器、 建筑結(jié)構(gòu)工程補(bǔ)強(qiáng)（橋梁、 電站、 水利工程及古建筑） 等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)材料， 它具有非常高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。

凱 夫 拉 纖 維 全 稱 為 " 聚 對 苯 二 甲 酰 對 苯二胺",英文為Aamid fibe， poly- p- phenyleneterephthamide是一種新型高科技合成纖維， 具有超高強(qiáng)度、 高模量和耐高溫、 耐酸耐堿、 重量輕等優(yōu)良性能,其強(qiáng)度是鋼絲的 5～6倍 ， 在560度的溫度下， 不分解， 不融化。 它具有良好的絕緣性和抗老化性能， 具有很長的生命周期。

凱夫拉纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)用于管道補(bǔ)強(qiáng)具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

①免焊不動(dòng)火， 可在帶壓運(yùn)行狀態(tài)下修復(fù)；

②施工簡便快捷， 操作時(shí)間短；

③凱夫拉纖維有利于復(fù)合材料盡可能多的承載管道壓力， 降低含缺陷管道的應(yīng)力水平， 限制管道的膨脹變形；

④凱夫拉纖維的抗拉強(qiáng)度高， 用于管道修復(fù)具有極高的安全性； 并且凱夫拉纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異， 其強(qiáng)度隨著服役時(shí)間增加基本保持不變；

⑤凱夫拉纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層厚度小， 方便后續(xù)的防腐處理；

⑥凱夫拉纖維補(bǔ)強(qiáng)纏繞、 鋪設(shè)方式靈活。 可對環(huán)焊縫和螺旋焊縫缺陷(包括高焊縫余高和嚴(yán)重錯(cuò)邊)補(bǔ)強(qiáng)； 還可對彎管、 三通、 大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)；

⑦可以用于腐蝕、 機(jī)械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)， 也可用于整個(gè)管段的提壓增強(qiáng)處理， 應(yīng)用范圍廣。

應(yīng)用案例

中國特種設(shè)備檢測研究院對塔里木油田5#天然氣處理站40萬方裝置區(qū)和工藝區(qū)內(nèi)的管道進(jìn)行了全面檢測， 在管體焊縫無損檢測中發(fā)現(xiàn)： 氣舉撬處——?dú)馀e匯管至5#計(jì)量間管線的彎頭處存在裂紋（規(guī)格Φ114×8mm， 介質(zhì)為天然氣， 壓力11/16MPa， 溫度40/45℃） 。 通過特檢院對現(xiàn)場情況進(jìn)行分析， 氣舉匯管至5#計(jì)量間管線彎頭處的裂紋是在使用過程中產(chǎn)生的， 屬于再生裂紋。管道在交變載荷作用下形成疲勞破壞， 由于裂紋的形成和擴(kuò)展而造成的低應(yīng)力破壞。 裂紋一旦達(dá)到臨界尺寸就突然斷裂， 形成重大安全事故。 根據(jù)裂紋情況和生產(chǎn)實(shí)際情況， 采取如下臨時(shí)措施： 1、 對彎頭所在區(qū)域進(jìn)行隔離； 2、 在彎頭處加裝可燃?xì)怏w檢測探頭， 并加裝聲光報(bào)警器；3、 重點(diǎn)排查， 發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)匯報(bào)； 4、 采取管道補(bǔ)強(qiáng)措施： 徹底消除安全隱患。

經(jīng)有關(guān)部門研究， 采用凱夫拉纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)對此段管道進(jìn)行修復(fù)。 補(bǔ)強(qiáng)方案確立后， 經(jīng)過耐斯管道公司軟件分析， 計(jì)算管道缺陷的相關(guān)數(shù)據(jù)信息， 確定了補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的產(chǎn)品類型和方式。 首先對無缺陷管道承受內(nèi)壓時(shí)管壁應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。 在管道完好無損情況下， 承受11MPa的內(nèi)壓時(shí)， 建立3D模型對該方案進(jìn)行分析。 在3D模型中， 鋼材的彈性模量取207GPa， 泊松比為0.3， 屈服強(qiáng)度為450MPa。 管道內(nèi)的運(yùn)行壓力設(shè)定為11MPa， 凱夫拉纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)為26層。

采用凱夫拉纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)后， 管道中環(huán)向應(yīng)力有明顯的降低， 裂紋區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力為164MPa。 這個(gè)應(yīng)力數(shù)值低于鋼材的屈服強(qiáng)度，管道變形尚處于彈性變形范圍。 管道經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)處理后， 管壁的應(yīng)力集中將大大緩解， 管道將處于安全應(yīng)力范圍內(nèi)。

補(bǔ)強(qiáng)方案確定后的施工流程為：

①對管道外表面進(jìn)行預(yù)處理， 清除防腐層；

②使用電動(dòng)除銹工具打磨管道表面， 達(dá)到SA2.5級的除銹要求；

③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；

④在管道表面均勻涂抹樹脂；

⑤隨后纏繞高強(qiáng)度凱夫拉纖維復(fù)合材料，

確保復(fù)合材料覆蓋了缺陷部位， 纏繞層數(shù)為16層； 待其自然固化。 該項(xiàng)目焊縫垂直于管線， 纏繞過程中完全覆蓋裂紋， 一般超出需修復(fù)缺陷25~30cm。

在對管道裂紋進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)后， 第二天進(jìn)行了表面硬度檢測， 硬度達(dá)到了80%， 效果良好。

結(jié)論

塔里木油田天然氣處理站于1993年4月投運(yùn)，投用年限較長， 在對部分管體焊縫無損檢測中發(fā)現(xiàn)“三級給一級補(bǔ)壓、 氣舉機(jī)B機(jī)補(bǔ)溫”等19條管線的48道焊縫存在未焊透、 未熔合、 氣孔和夾渣缺陷。 如果采用傳統(tǒng)的停產(chǎn)動(dòng)火更換維修的方法進(jìn)行修復(fù)， 需要至少停產(chǎn)4天， 每天影響產(chǎn)量120噸原油， 4.8萬方天然氣， 直接經(jīng)濟(jì)損失380萬元。 采用凱夫拉纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)避免了損失， 效益顯著�？傊�， （1） 凱夫拉纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是一種不停輸、 不停產(chǎn)的恢復(fù)管道功能的專業(yè)技術(shù)。 修復(fù)過的管道能達(dá)到與現(xiàn)運(yùn)行的管道同等使用壽命。 （2） 凱夫拉纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)較常見的玻璃纖維、 碳纖維具有不導(dǎo)電、 強(qiáng)度高、 韌性好等特點(diǎn)。 （3） 凱夫拉纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)簡單快捷， 在國外油田管網(wǎng)已廣泛應(yīng)用， 也將為保證我國管道的安全運(yùn)行發(fā)揮巨大的作用。 ◢