王 威，陳國(guó)民，陳 琦，魯 瑜，張宗超

（1.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名 525000；2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心，廣東茂名 525000；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

海底管道被譽(yù)為是海上油氣田安全生產(chǎn)的“生命線”，是海洋油氣資源開發(fā)利用最直接、最有效的集輸手段。但是由于海管立管段管道服役環(huán)境惡劣，以及海洋環(huán)境許多不確定因素的存在，在長(zhǎng)期不間斷的服役過程中，管道的腐蝕、缺陷和損傷不可避免[1-2]，這些缺陷的存在嚴(yán)重威脅著海底管道立管段的安全運(yùn)行，如不及時(shí)處理和修復(fù)，一旦海底管道立管段發(fā)生腐蝕穿孔，不僅會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)而遭受巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成對(duì)海洋環(huán)境的污染[3-5]。因此，海管立管腐蝕監(jiān)測(cè)與修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)對(duì)海管的完整性管理具有重要意義。

目前，對(duì)于管道的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)一般采用更換管道、焊接、夾具和復(fù)合材料等修復(fù)方法[6]。玻璃纖維復(fù)合材料管道缺陷修復(fù)技術(shù)是利用涂敷在缺陷部位的高強(qiáng)度填料，使用特殊材料防護(hù)帶在管道外形成補(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。管體上和纖維材料層間的強(qiáng)力膠，將作用在管道缺陷部位的應(yīng)力均勻地傳遞到復(fù)合材料修復(fù)層上，復(fù)合材料與缺陷管道緊密結(jié)合、協(xié)同變形，合理分布缺陷管道應(yīng)力，從而部分恢復(fù)或提高管道的承壓能力，起到管道缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)目的[7-8]。

與傳統(tǒng)的金屬材料修復(fù)方法相比，該修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先，該方法不需要在服役管道上進(jìn)行焊接，避免了焊穿和發(fā)生氫脆、冷脆的風(fēng)險(xiǎn)性。再者，該方法整個(gè)施工過程不需要管道停運(yùn)，避免了施工對(duì)生產(chǎn)的影響，減少了設(shè)備停產(chǎn)帶來的損失。其次，玻璃纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高、耐高溫、耐腐蝕，故該方法可使用在目前海上大部分介質(zhì)管線上[9-10]。另外，該方法修復(fù)時(shí)間短、現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，所以該方法現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)。最后，該方法由于使用了特殊的材料和特殊的處理工藝，使得用該方法補(bǔ)強(qiáng)的管道使用年限較長(zhǎng)。

因此，玻璃纖維復(fù)合材料管線補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)擁有防漏性好，耐高壓，耐高溫，耐腐蝕，使用范圍廣，使用年限長(zhǎng)，使用安全性高等優(yōu)勢(shì)。

1 海管立管腐蝕檢測(cè)

渤海某油田注水管道直徑 254 mm 、正常壁厚 9.3 mm、最大運(yùn)行壓力為1.85 MPa，管道材質(zhì)為A106，管道材料的屈服強(qiáng)度為 205~275 MPa。通過現(xiàn)場(chǎng)海管立管腐蝕檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，海管立管段存在不同程度的腐蝕缺陷，并出現(xiàn)了腐蝕較嚴(yán)重的情況?，F(xiàn)場(chǎng)需使用玻璃纖維復(fù)合材料對(duì)腐蝕嚴(yán)重管段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，再使用防腐粘彈體、PVC和水固化環(huán)氧玻璃鋼外護(hù)帶進(jìn)行防腐修復(fù)?，F(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)海管立管段壁厚數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 海管立管壁厚超聲波測(cè)量數(shù)據(jù)表

根據(jù)SY/T 6151—2009《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》以及該管道及缺陷信息，缺陷處的剩余強(qiáng)度為：

式中，M為Folias系數(shù)；t為管道壁厚，mm；d為缺陷深度，mm；D為管道外徑，mm；σs為管道屈服強(qiáng)度，MPa；tp為管材的剩余厚度，mm；f為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)（依據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，一類地區(qū)為0.72，二類地區(qū)為0.6，三類地區(qū)為0.5，四類地區(qū)為0.4）。本例按四類地區(qū)取0.4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該處缺陷點(diǎn)剩余強(qiáng)度為2.55 MPa，而該段管線最大運(yùn)行壓力為1.85 MPa，但考慮到將來使用時(shí)壁厚可能會(huì)繼續(xù)減薄，因此可以對(duì)該缺陷點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2 海管立管腐蝕缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

2.1 腐蝕缺陷修復(fù)方案

方案設(shè)計(jì)參考挪威船級(jí)社DNV RP-F101《油氣管道腐蝕評(píng)價(jià)推薦標(biāo)準(zhǔn)》和SY/T 10048—2003《腐蝕管道評(píng)估的推薦作法》，根據(jù)美國(guó)ASME B31G、SY/T6151—2009《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》。缺陷補(bǔ)強(qiáng)的具體計(jì)算方法如下：

玻璃纖維復(fù)合材料環(huán)向修補(bǔ)厚度δcfrp

式中：

其中：

其中，hc為玻璃纖維復(fù)合材料的單層理論厚度，mm；n為修補(bǔ)層數(shù)；δcftp為玻璃纖維復(fù)合材料的理論厚度，mm；Prest為管道腐蝕處剩余強(qiáng)度，MPa；Ptotal維修補(bǔ)強(qiáng)后的爆破壓力，MPa；σcftp為玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度，MPa。

玻璃纖維復(fù)合材料環(huán)向修補(bǔ)寬度：

其中：Lover= 2；Lrepair為修補(bǔ)寬度，mm；Lover為缺陷區(qū)域邊緣向外延伸長(zhǎng)度，mm；L為軸向缺陷長(zhǎng)度，mm。

本案中管徑254 mm，管道材質(zhì)A106，屈服強(qiáng)度205~275 MPa，此處因不知管道具體屈服強(qiáng)度，因此取最大值得到最大修復(fù)層數(shù)，管道壁厚9.3 mm，缺陷深度5 mm。通過計(jì)算可知，需要補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)3.95層，取4層；

2.2 腐蝕缺陷修復(fù)工藝

海管立管腐蝕缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工藝主要分為基底表面處理、防腐膏填平、纏繞粘彈體防腐膠帶、纏繞PVC防護(hù)帶、纏繞水固化環(huán)氧玻璃鋼外護(hù)帶等環(huán)節(jié)，具體施工如下：

（1）基底表面處理

粘彈體防腐的表面處理要求較低，達(dá)到ST1或者ST2即可，不需要噴砂除銹。表面處理要求鋼結(jié)構(gòu)表面無明顯鼓泡和浮銹；有海生物附著區(qū)應(yīng)盡量出去附著的海生物，表面突出物不應(yīng)有銳角。對(duì)海管立管進(jìn)行表面處理時(shí)，應(yīng)清理松散的氧化皮、銹、和其他有害物質(zhì)，并應(yīng)使用熱風(fēng)槍把管道表面較為明顯的海水吹干。

（2）防腐膏填平

用防腐膏將管線不平處及銹蝕嚴(yán)重處用防腐管補(bǔ)平。由于管卡和法蘭為異形結(jié)構(gòu)，直接纏繞粘彈體會(huì)有空鼓，因此需要使用粘彈體防腐膏進(jìn)行填平。填充分兩部分進(jìn)行，法蘭部分時(shí)應(yīng)使得粘貼膠帶時(shí)能平滑過渡。管卡螺栓部分填充主要是把管卡兩側(cè)的螺栓部位填平，使得可整體纏繞粘彈體膠帶。如圖1所示。

圖1 防腐膏填平示意圖

（3）纏繞粘彈體防腐膠帶

纏繞粘彈體防腐膠帶無須保持張力，只須邊纏繞邊搟壓粘彈體防腐膠帶，使膠帶保持平整，與管體表面密封良好。纏繞粘彈體膠帶時(shí)要求有10%搭接量，保證各處至少纏繞了兩層。纏繞粘彈體時(shí)應(yīng)鋪平，將里面的空氣或者水分壓出。如圖2所示。

圖2 纏繞粘彈體防腐膠帶示意圖

（4）纏繞PVC外保護(hù)帶

在防腐膠帶外纏繞2圈外保護(hù)帶，注意纏繞時(shí)外帶兩側(cè)要留出2~3 mm寬的防腐膠帶不要遮蓋。纏繞時(shí)需要施加張力，交錯(cuò)纏繞外帶，確保完全的覆蓋率。纏繞PVC外保護(hù)帶最后半圈時(shí)，無需施加張力。如圖3所示。

圖3 纏繞PVC外保護(hù)帶示意圖

（5）纏繞水固化外護(hù)帶

把雙組分環(huán)氧樹脂混合在一起，并不斷攪拌使其充分混合發(fā)生反應(yīng)。AB組分環(huán)氧樹脂為固定比例，混合時(shí)應(yīng)使用AB組分料桶里的全部涂料；待環(huán)氧樹脂充分混合后，均勻涂刷在玻璃纖維布上面。

環(huán)氧樹脂混合30 min后，初步固化并成形。因此現(xiàn)場(chǎng)制作不能過早進(jìn)行，混合后超過30 min還未使用的環(huán)氧樹脂應(yīng)廢棄。纏繞水固化外帶時(shí)采用50%搭接的方式。

3 礦場(chǎng)應(yīng)用

渤海某油田注水管道現(xiàn)場(chǎng)海管立管腐蝕檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，外防腐層多處破損，海管立管段存在不同程度的腐蝕缺陷，并出現(xiàn)了腐蝕較嚴(yán)重的情況。管道已有多處達(dá)到高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，為保證海上油氣田的安全生產(chǎn)，急需對(duì)其修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)過研究論證，最終采用四川德源提供的STRONGPIPE高強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料系統(tǒng)對(duì)海管立管腐蝕缺陷段管進(jìn)行了修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

如圖5所示，通過海管立管腐蝕缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)前后對(duì)比圖可以看出。修復(fù)前管道外防腐層脫落，局部出現(xiàn)開裂，管道表面覆有疏松銹質(zhì)。如圖4a所示。經(jīng)表面處理后，腐蝕缺陷段與完好段出現(xiàn)明顯分界臺(tái)，腐蝕區(qū)域銹蝕凹坑密集，存在極大的安全隱患。如圖4b所示。修復(fù)后。由于使用的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料在設(shè)計(jì)上有很大的安全裕度，所以，實(shí)際爆破壓力可能超過無缺陷管道破裂壓力，該管道按照該方案進(jìn)行修復(fù)后，在最大允許操作壓力下可以安全運(yùn)行。

圖4 海管立管腐蝕缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)前后對(duì)比

4 結(jié)論

通過對(duì)渤海某油田注水海管立管腐蝕缺陷修復(fù)，總結(jié)出海管立管腐蝕缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)處理方案，明確了修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)施工工藝，積累了海管立管腐蝕缺陷應(yīng)急情況處理經(jīng)驗(yàn)。海管立管腐蝕缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)后分擔(dān)了管道承受的載荷，降低了管壁的應(yīng)力應(yīng)變，部分恢復(fù)了管道的承壓能力，能夠滿足工藝要求，并解決了海底管道運(yùn)行中的安全隱患，延長(zhǎng)了管道的使用壽命，提高了海管完整性管理水平。同時(shí)，該方法防漏性好、耐腐蝕，使用范圍廣，使用年限長(zhǎng)，安全性高，并且所有作業(yè)不影響油田正常生產(chǎn)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]張劍波， 袁超紅. 海底管道檢測(cè)與維修技術(shù)[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005， 34（5）： 6-10.

[2]張劍波. 水下結(jié)構(gòu)物檢測(cè)與維修技術(shù)概論[M]. 北京： 石油工業(yè)出版社， 2005 ： 85-86.

[3]路民旭， 陳迎鋒， 董紹華， 等. 管道維修補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì) [J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2005， 24（增刊）： 129-132.

[4]蔡星， 艾穎， 邵應(yīng)梅. 海上腐蝕管線的復(fù)合修復(fù)[J]. 國(guó)外油田工程， 2002， 18（9）： 50.

[5]陳健， 魯成云. 碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在輸油管道維修中的應(yīng)用 [J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2010， 29（2）： 40-41.

[6]孔杰. 含缺陷輸油管道復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)， 2002： 1-97.

[7]陸勝. 碳纖維復(fù)合材料ERP加固焊接鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞性能分析[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)， 2007： 1-79.

[8]劉楊. 油田壓力管道碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)[J]. 油氣田地面工程，2008， 27（7）： 79.

[9]馬衛(wèi)鋒， 蔡克， 楊來平， 等. 鋼質(zhì)管道復(fù)合修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)存在的問題及對(duì)策[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備， 2011（1）： 38-39， 43.

[10]李榮光. 管道缺陷碳纖維修復(fù)技術(shù)樹脂體系的改進(jìn)試驗(yàn)[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2009， 28（8）： 48-51.