郝大勇，宋兆軍，董常家，齊高良，李 松

冀東油田公司，河北唐山 063299

與壓力容器相連油氣管道的碳纖維復(fù)合材料搶修

郝大勇，宋兆軍，董常家，齊高良，李 松

冀東油田公司，河北唐山 063299

在油田油氣管道搶修作業(yè)中，如果遇到該管道與壓力容器設(shè)備直接相連而無法實(shí)現(xiàn)有效隔離，常規(guī)的動(dòng)火搶修作業(yè)就存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)在不動(dòng)火情況下對(duì)與壓力容器設(shè)備直接相連的油氣管道進(jìn)行搶修提供了一種解決途徑。簡要介紹了碳纖維復(fù)合材料性能、碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)適用范圍及其特點(diǎn)，而后結(jié)合冀東油田某轉(zhuǎn)油站三相分離器來液管道穿孔搶險(xiǎn)等兩個(gè)工程案例，提出了在采用鋼帶緊固堵漏之后，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)進(jìn)行永久修復(fù)的方案，并較詳細(xì)地論述了方案的實(shí)施過程等。實(shí)踐表明，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)能夠在不停輸、不動(dòng)火的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的永久修復(fù)，特別適用于與壓力容器設(shè)備直接相連的油氣管道的快速維搶修處理。

油氣管道；碳纖維復(fù)合材料；修復(fù)技術(shù)；搶修

在油田油氣管道搶修作業(yè)中，如果遇到該管道與壓力容器設(shè)備直接相連而無法實(shí)現(xiàn)有效隔離時(shí)，則常規(guī)的動(dòng)火搶修作業(yè)就存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的維修方法中，為了達(dá)到動(dòng)火作業(yè)條件，需要進(jìn)行停產(chǎn)、吹掃、置換等工作，不但影響生產(chǎn)運(yùn)行，且措施費(fèi)用較高，吹掃置換過程中也會(huì)產(chǎn)生新的風(fēng)險(xiǎn)。近幾年，碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)在不動(dòng)火情況下對(duì)與壓力容器設(shè)備直接相連的油氣管道進(jìn)行搶修作業(yè)提供了一種解決途徑。

1 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

1.1 碳纖維復(fù)合材料性能

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)涉及的修復(fù)材料主要包括專用樹脂、專用填平膩?zhàn)雍吞祭w維布，表1和表2給出了管道缺陷修復(fù)碳纖維復(fù)合材料的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 修復(fù)專用樹脂與填平膩?zhàn)拥男阅苤笜?biāo)[1]

表2 碳纖維復(fù)合材料性能指標(biāo)[1]

1.2 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)適用范圍

依據(jù)ASME PCC-2，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)可應(yīng)用于以下幾方面：

（1）缺陷程度低于80%管道壁厚的腐蝕、裂紋、機(jī)械損傷、焊縫缺陷等的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

（2）內(nèi)腐蝕管道臨時(shí)增強(qiáng)、單點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)，也可用于整體管段的缺陷補(bǔ)強(qiáng)。

（3）增加管道安全系數(shù)和用于管道提高運(yùn)行壓力時(shí)的管道增強(qiáng)。

（4）不規(guī)則管件，如彎頭和三通的缺陷修復(fù)。（5）油氣管道的泄漏修復(fù)。

1.3 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)用于管道補(bǔ)強(qiáng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）作業(yè)簡便、快速，現(xiàn)場修復(fù)設(shè)備簡單，無需焊接，不產(chǎn)生明火。

（2）碳纖維彈性模量與鋼材的彈性模量接近，有利于補(bǔ)強(qiáng)層與鋼管之間的協(xié)同變形，使應(yīng)力達(dá)到均勻分布，取得良好補(bǔ)強(qiáng)效果。

（3）碳纖維延伸率大于1.4%，管道處于最大操作壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的變形量只占碳纖維復(fù)合材料可承受變形量的1/4～1/10，因此滿足管體變形需求[2]。

（4）可采用不同的粘結(jié)樹脂和施工工藝，工作溫度范圍廣。

（5）在載荷作用下，碳纖維的穩(wěn)定性好，在含水介質(zhì)中，碳纖維復(fù)合材料性能也很穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)永久性修復(fù)。

（6）復(fù)合材料可緊緊地包覆在管道的外層，與管道形成一體，共同承載管內(nèi)壓力，以便使管道恢復(fù)到甚至超過管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力。

2 應(yīng)用案例一

2013年2月19日，冀東油田陸上作業(yè)區(qū)某轉(zhuǎn)油站三相分離器來液管道發(fā)生穿孔泄漏，漏點(diǎn)在入地彎頭底部位置，呈橢圓形，最大直徑11.6mm。泄漏彎頭規(guī)格為準(zhǔn)457mm×8mm的1.5D無縫彎頭，材質(zhì)為L360 M。該條管道設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，發(fā)生穿孔時(shí)管道運(yùn)行壓力為0.3MPa。見圖1。

圖1 泄漏管道的位置

2.1 搶修方案分析

常見的油氣管道不停輸搶修技術(shù)如表3所示，根據(jù)表3和工程實(shí)際情況，對(duì)以下幾種搶修方案進(jìn)行了論證。

（1）方案一，動(dòng)火補(bǔ)焊作業(yè)。由于設(shè)備不能停產(chǎn)，且泄漏管道與三相分離器直接相連，中間沒有隔斷閥門，在與壓力容器無法進(jìn)行有效隔離的情況下，直接焊接存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，故排除該方案。

（2）方案二，使用堵漏夾具。需要找專業(yè)廠家測量定制，加工周期長。

（3）方案三，鋼帶緊固堵漏。泄漏點(diǎn)是彎頭部位，緊固效果不好，此方案只能作為臨時(shí)性的處置方案，不能實(shí)現(xiàn)永久修復(fù)。

（4）方案四，在方案三的基礎(chǔ)上，增加碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)。雖然碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)在冀東油田還沒有過應(yīng)用案例，但技術(shù)人員在充分討論確認(rèn)技術(shù)可行的情況下，決定采取本方案。

表3 常見油氣管道不停輸搶修技術(shù)

2.2 現(xiàn)場處置過程

核對(duì)管道直徑、壁厚、輸送介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、運(yùn)行壓力、介質(zhì)溫度、防腐類型、缺陷尺寸、埋設(shè)環(huán)境等影響因素，生產(chǎn)單位將管道壓力降至最低生產(chǎn)壓力運(yùn)行后，開始搶修作業(yè)。

（1）采用鋼帶緊固控制漏點(diǎn)?，F(xiàn)場經(jīng)強(qiáng)制通風(fēng)處理后，搶修人員用木楔子、膠皮、鋼帶將漏點(diǎn)初步控制住，而后檢查并確保臨時(shí)封堵嚴(yán)密，見圖2。

圖2 鋼帶緊固控制漏點(diǎn)

（2）管道表面處理。使用打磨機(jī)對(duì)彎頭表面進(jìn)行粗糙度處理，對(duì)鋼帶及其兩邊各100mm范圍內(nèi)的管體進(jìn)行打磨處理，使表面精度達(dá)到Sa2.5級(jí)，錨紋深度為50～75 μm，打磨后用刷子將彎頭表面的粉塵清理干凈。

（3）找平。將配套填平膩?zhàn)訑嚢杈鶆?，涂抹到鋼帶及兩邊?00mm管道上，等待填平膩?zhàn)庸袒?。填平膩?zhàn)油磕☉?yīng)均勻、平滑，邊緣部分應(yīng)放坡處理。

（4）管道表面涂抹樹脂。將樹脂攪拌均勻后涂抹在填平膩?zhàn)蛹皟蛇吂荏w表面上，在樹脂未固化前，完成碳纖維帶纏繞作業(yè)。

（5）纏繞碳纖維帶。將配制好的樹脂均勻地涂抹在碳纖維帶上，而后把碳纖維帶纏繞在管體上，纏繞方法見圖3。根據(jù)確定的修復(fù)層總軸向長度，以缺陷部位為中心進(jìn)行纏繞，確保纖維與管道軸向垂直。修復(fù)時(shí)應(yīng)盡量減少修復(fù)層碳纖維帶的接頭數(shù)量。纏繞時(shí)纖維帶應(yīng)拉緊直至兩側(cè)有樹脂溢出，纏繞的第一圈和最后一圈應(yīng)徑向纏繞一周，中間部分按照50%搭接寬度纏繞，彎頭施工時(shí)施力點(diǎn)應(yīng)對(duì)準(zhǔn)彎頭的中心[3]。

圖3 碳纖維帶纏繞

（6）管道恢復(fù)運(yùn)行。樹脂固化完成后，緩慢恢復(fù)管道運(yùn)行壓力至正常生產(chǎn)壓力，觀察24 h沒有出現(xiàn)滲漏，搶修完成。

目前，該管道已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行三年多時(shí)間，未發(fā)生泄漏情況，證明此種搶險(xiǎn)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道的永久修復(fù)。

3 應(yīng)用案例二

在油田生產(chǎn)中，一般使用計(jì)量分離器進(jìn)行單井產(chǎn)量核算。計(jì)量分離器屬于小型立式壓力容器，一般規(guī)格為準(zhǔn)1 000mm×1 800mm。生產(chǎn)使用中經(jīng)常發(fā)生分離器底排污管道穿孔現(xiàn)象。由于排污管直接與壓力容器相連，動(dòng)火焊接作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大，因此以往維修通常采用鋼帶緊固措施進(jìn)行臨時(shí)處置。2016年，冀東油田陸上作業(yè)區(qū)成功地使用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)對(duì)5處計(jì)量分離器底排污管道穿孔進(jìn)行了維修作業(yè)，徹底地解決了該類問題。見圖4。

圖4 彎頭底部腐蝕穿孔維修后效果

4 結(jié)束語

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)能夠在不停輸、不動(dòng)火的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的永久修復(fù)，特別適用于與壓力容器設(shè)備直接相連的油氣管道的快速維搶修處理。另外，與其他傳統(tǒng)搶修技術(shù)相比，其適用性強(qiáng)，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求不高，施工操作簡便，經(jīng)濟(jì)效益好，是一種可以大范圍推廣應(yīng)用的油氣管道搶修技術(shù)。

[1]Q/SY1592-2013，油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]李樞一，張建興，趙麗恒，等.油氣管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2013（2）：38-40.

[3]吳艷，袁宗明，劉暢，等.碳纖維復(fù)合材料修補(bǔ)缺陷管道的應(yīng)用進(jìn)展[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2011（5）：4-5.

Carbon fiber composite applied in rush repair of oil/gas pipeline directly connected with pressure vessel

HAO Dayong，SONG Zhaojun，DONG Changjia，QIGaoliang，LISong
Jidong Oilfield Company，Tangshan 063299，China

The technical development of carbon fiber composite provides a means of rush repair of oil/gas pipeline directly connected with pressure vessel without hot work.This paper introduces the performance of carbon fiber composite，the application scope and feature of the repair technique using carbon fiber composite.Combined with two project cases such as pipeline perforation of the three phase separator at an oil transfer station of Jidong Oilfield，this paper brings forward the repair scheme of using tightening steelbelt for leakage stoppage then applying carbon fiber composite for permanent repair，and illustrates the implementation course of the repair scheme.The practice proves that the repair technique using carbon fiber composite can realize pipeline permanent repair in the condition of non-stop transportation and without hot work. Especially，it is suitable for rush repair of oil/gas pipeline directly connected with pressure vessel.

oiland gas pipelines；carbon fiber composite material；repair technology；rush repair

郝大勇（1982-），男，黑龍江阿城人，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）材料成型及控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事冀東油田陸上作業(yè)區(qū)采油生產(chǎn)、技術(shù)開發(fā)、管理工作。

2017-01-12；

2017-04-15

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.014

Email：33153699@qq.com