曲偉首，金 磊，曲 杰，劉 亮，張傳旭，王海鋒

1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

3.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，天津 300452

海底管道是海洋油氣開發(fā)過程中輸送油、氣、水的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。海底管道在服役運(yùn)行過程中可能會(huì)受到內(nèi)部流體介質(zhì)和外部環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，管道壁厚會(huì)均勻減薄或形成腐蝕坑、洞、槽等體積型缺陷，管道的承壓能力也會(huì)隨之降低。當(dāng)腐蝕發(fā)展到一定程度，海底管道的承壓能力低于運(yùn)行壓力時(shí)，海底管道就會(huì)發(fā)生破裂，進(jìn)而會(huì)引發(fā)輸送介質(zhì)泄漏等嚴(yán)重后果[3-4]。因此，對(duì)因存在外腐蝕缺陷而承壓能力不足的海底管道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，對(duì)于保障海底管道安全運(yùn)行、避免海底管道停產(chǎn)和維修更換、實(shí)現(xiàn)海洋油氣高效開發(fā)和降本增效具有十分重要的意義。管道纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)在陸地油氣管道中已經(jīng)得到廣泛研究和應(yīng)用[5-9]。然而，由于海底管道特殊的環(huán)境條件，此前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)海底管道上尚無應(yīng)用。

某海底管道因內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在節(jié)點(diǎn)外腐蝕缺陷，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。由于水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)以前從未在國(guó)內(nèi)海底管道上應(yīng)用過，因此需要開展技術(shù)驗(yàn)證研究，驗(yàn)證原材料性能、水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工工藝和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果的可靠性和可行性，為該技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供數(shù)據(jù)和依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

對(duì)于海底管道擬采用的水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)，首先需要精確定位海底管道外腐蝕缺陷，找到缺陷后剝離需修復(fù)區(qū)域的外防腐層，并對(duì)海底管道表面進(jìn)行清潔和打磨處理；然后對(duì)整個(gè)待修復(fù)區(qū)域先刮涂一層高導(dǎo)輸水黏結(jié)劑，再使用高固水水下修補(bǔ)劑填充腐蝕缺陷坑，將修補(bǔ)劑壓入腐蝕缺陷坑并將其抹平；最后使用加強(qiáng)纏繞帶裹覆修復(fù)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。該技術(shù)能夠同時(shí)達(dá)到隔離海底環(huán)境與海底管道外表面、有效控制海底管道外腐蝕缺陷發(fā)展、補(bǔ)強(qiáng)海底管道承壓能力的目的。

2 技術(shù)驗(yàn)證研究

根據(jù)該海底管道擬采用的水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)，加強(qiáng)纏繞帶材料性能、黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度、水下施工工藝、補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后修復(fù)層的質(zhì)量是影響該技術(shù)最終應(yīng)用和實(shí)施效果的關(guān)鍵因素。因此，針對(duì)這些關(guān)鍵因素，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行試制、施工和試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 加強(qiáng)纏繞帶材料性能試驗(yàn)

按照ASTM D3039/D3039M-17標(biāo)準(zhǔn)，采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變電阻儀等對(duì)該項(xiàng)目擬使用的加強(qiáng)纏繞帶進(jìn)行材料性能試驗(yàn)[11-12]；按照ASTM E831-19標(biāo)準(zhǔn)，采用熱機(jī)械分析儀測(cè)試其線性膨脹系數(shù)。除線性膨脹系數(shù)外，其余每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目在軸向和環(huán)向各取5個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 加強(qiáng)纏繞帶性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 搭接強(qiáng)度試驗(yàn)

按照ASTM D5868-01（2014） 標(biāo)準(zhǔn)，采用高低溫電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)該項(xiàng)目擬使用的高導(dǎo)疏水黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接剪切黏合力（搭接強(qiáng)度）進(jìn)行試驗(yàn)[13]。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)如圖1所示，鋼板+高導(dǎo)疏水黏結(jié)劑+2層加強(qiáng)纏繞帶+高導(dǎo)疏水黏結(jié)劑+鋼板，鋼板尺寸為101.6 mm×25.4 mm，搭接區(qū)域尺寸為25.4 mm×25.4 mm。在水下環(huán)境制作5個(gè)試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。ASME PCC-2（2018）標(biāo)準(zhǔn)要求管道采用纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)時(shí)，黏結(jié)劑與鋼管和纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度應(yīng)不小于4 MPa[14]。因此，該海底管道擬采用的黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度滿足要求。

圖1 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

表2 黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 樣管水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工

為了驗(yàn)證該海底管道擬采用的水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的水下施工工藝的可行性和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果，在陸地試驗(yàn)水箱（如圖2所示）中嚴(yán)格按照水下施工程序和工藝對(duì)樣管進(jìn)行水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工，并對(duì)施工后的修復(fù)層性能和補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)。

圖2 海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)陸地試驗(yàn)水箱

樣管與擬修復(fù)海底管道的管徑、原始壁厚和鋼級(jí)強(qiáng)度一致（管徑168.3mm，原始壁厚為7.21mm，規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度為305 MPa）。樣管外表面上加工有一個(gè)外腐蝕缺陷，缺陷的長(zhǎng)度為89mm、寬度為45 mm、深度為5.76 mm（即原始壁厚的80%）。根據(jù)ASME PCC-2（2018）標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果，樣管修復(fù)區(qū)域以缺陷為中心，軸向和環(huán)向的長(zhǎng)度分別至少為2倍的缺陷長(zhǎng)度和缺陷寬度，加強(qiáng)纏繞帶的纏繞層數(shù)為14層、總厚度為4.775 mm。

水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工程序?yàn)椋喝毕荻ㄎ弧迯?fù)區(qū)域表面處理→黏結(jié)劑刮涂修復(fù)區(qū)域表面→修補(bǔ)劑填充腐蝕坑→纏繞帶裹覆纏繞修復(fù)區(qū)域→塑緊帶拉緊、打孔和固化→去除塑緊帶和固化面。

2.4 樣管修復(fù)層性能試驗(yàn)

將完成水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工并浸泡7天的樣管取出，如圖3所示，進(jìn)行修復(fù)層性能試驗(yàn)和檢測(cè)。

圖3 樣管

2.4.1 外觀檢查和空鼓檢測(cè)

通過目視檢查，修復(fù)層表面顏色均勻一致，不存在開裂、分層等現(xiàn)象；通過木棒敲擊修復(fù)層的聲音判斷修復(fù)層內(nèi)部無空鼓現(xiàn)象，有效黏結(jié)面積達(dá)到100%。修復(fù)層外觀檢查和空鼓檢測(cè)合格。

2.4.2 厚度檢測(cè)

采用涂層測(cè)厚儀對(duì)修復(fù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置為修復(fù)區(qū)域中心并沿環(huán)向0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)共4個(gè)時(shí)鐘位置，每個(gè)位置測(cè)量5次，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 樣管修復(fù)層厚度測(cè)量結(jié)果

結(jié)果顯示：0點(diǎn)鐘方向的修復(fù)層厚度明顯高于其他位置，這是因?yàn)闃庸艿娜嗽焱飧g缺陷位于此位置；其他位置的厚度均在5 mm以上，大于施工工藝要求的4.775 mm。修復(fù)層厚度合格。

2.4.3 硬度檢測(cè)

采用D型邵氏硬度計(jì)對(duì)修復(fù)層硬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置為修復(fù)區(qū)域中心并沿環(huán)向0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)共4個(gè)時(shí)鐘位置，每個(gè)位置測(cè)量5次，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 樣管修復(fù)層硬度測(cè)量結(jié)果

結(jié)果顯示：所有的D型邵氏硬度均大于70。ASME PCC-2（2018）標(biāo)準(zhǔn)要求，管道采用纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后修復(fù)層的D型邵氏硬度應(yīng)不小于70。修復(fù)層硬度合格。

2.4.4 承壓能力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證樣管水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工后修復(fù)層承壓能力是否達(dá)到修復(fù)目標(biāo)，按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)，采用輸送鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)裝置系統(tǒng)進(jìn)行樣管修復(fù)層水壓爆破試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)壓力Pf計(jì)算公式為：

式中：Pf為管道失效壓力，MPa；t為管道名義壁厚，mm；S為屈服強(qiáng)度，MPa；D為管道外徑，mm。

根據(jù)樣管實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算得到水壓試驗(yàn)壓力Pf為26.13 MPa。水壓爆破試驗(yàn)過程的壓力曲線如圖4所示。水壓爆破試驗(yàn)過程中，先將樣管加壓至26.13 MPa，保壓30 s，樣管修復(fù)層未發(fā)生泄漏等失效現(xiàn)象，樣管修復(fù)層承壓能力合格。繼續(xù)加壓，當(dāng)壓力至37.3 MPa時(shí)，樣管修復(fù)層從缺陷處爆破。

圖4 樣管修復(fù)層水壓爆破試驗(yàn)過程的壓力曲線

2.4.5 熱變形溫度試驗(yàn)

按照ISO 75標(biāo)準(zhǔn)，從樣管修復(fù)層上取樣，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm[15-16]，采用熱變形維卡軟化溫度測(cè)試儀進(jìn)行熱變形溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 樣管修復(fù)層熱變形溫度試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明修復(fù)層的最低熱變形溫度為105.4℃，遠(yuǎn)大于該海底管道的運(yùn)行溫度（60℃左右），修復(fù)層熱變形性能合格。

2.4.6 壓縮模量試驗(yàn)

按照ISO 14126：1999/Cor 1：2001標(biāo)準(zhǔn)，從樣管修復(fù)層上取樣，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm[17]，采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變電阻儀進(jìn)行壓縮模量檢測(cè)，修復(fù)層的壓縮模量達(dá)到12 900 MPa。該海底管道服役水深不足20 m，即使考慮到海底管道埋深的影響，修復(fù)層的壓縮性能仍然合格。

2.4.7 陰極剝離試驗(yàn)

按照該海底管道涂層技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的陰極剝離試驗(yàn)方法和要求，進(jìn)行修復(fù)層陰極剝離試驗(yàn)。將樣管修復(fù)層加工成100 mm×100 mm×6 mm的試件，用平面銑刀在修復(fù)層正中心上鉆一個(gè)直徑為6 mm的孔，該孔深入鋼管的深度不超過0.5 mm。用密封膠將預(yù)制好的塑料圓筒與試件同心黏結(jié)，形成以試件為底的試驗(yàn)槽，用3%的氯化鈉溶液填充。在整個(gè)陰極剝離試驗(yàn)過程中，溶液溫度保持在（60±1）℃，pH值保持在6～8.5之間。一個(gè)輔助電極置于電解液中并遠(yuǎn)離測(cè)試孔，一個(gè)飽和甘汞參比電極（SCE）放置在距測(cè)試孔10 mm的電解液中。使用恒電位器將鋼管的電化學(xué)電位極化到（-1 500±10） mV（相對(duì)于SCE）。整個(gè)陰極剝離試驗(yàn)過程中保持電位恒定。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，海底管道涂層技術(shù)規(guī)格書要求涂層陰極剝離直徑應(yīng)不大于10 mm，樣管修復(fù)層3個(gè)試件的陰極剝離直徑均小于10 mm。樣管修復(fù)層陰極剝離試驗(yàn)合格。

表6 樣管修復(fù)層陰極剝離試驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工應(yīng)用

上述技術(shù)驗(yàn)證研究表明，該海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的原材料性能、黏結(jié)劑與鋼管和纏繞帶的搭接強(qiáng)度、水下施工工藝和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后的修復(fù)層性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書的要求。中國(guó)船級(jí)社也現(xiàn)場(chǎng)見證了技術(shù)驗(yàn)證研究過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并審查通過技術(shù)驗(yàn)證報(bào)告。因此，該技術(shù)可以開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工應(yīng)用。

該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，施工船將施工所需的機(jī)具、材料和施工人員運(yùn)至需要修復(fù)的海底管道外腐蝕缺陷位置附近的海域后，由潛水員下水定位找到需要修復(fù)的外腐蝕缺陷，然后按照水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工工藝進(jìn)行施工。

該海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工應(yīng)用過程中，水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工按照技術(shù)驗(yàn)證中的樣管水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)工藝和工序進(jìn)行，施工過程順利，沒有遇到超出預(yù)期的問題。然而，水下準(zhǔn)確定位并找到需要修復(fù)的海底管道外腐蝕缺陷環(huán)節(jié)遭遇困難，這是陸地管道很少遇到的問題。前期海底管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供了需要補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的外腐蝕缺陷的位置信息，然而由于海底管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)和海底管道外勘察檢測(cè)數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確匹配對(duì)齊，潛水員在水下探摸定位和尋找需修復(fù)的外腐蝕缺陷進(jìn)展緩慢，最后順著以前和此次施工海底管道外勘察檢測(cè)均探測(cè)到的裸露同一位置才定位找到需要修復(fù)的缺陷，耗費(fèi)大量時(shí)間，增加施工成本。盡管遇到海底管道外腐蝕缺陷精確定位的困難，最終仍如期完成了該海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工應(yīng)用，修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)效果良好。

4 結(jié)論

通過對(duì)海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的試驗(yàn)檢測(cè)、試制驗(yàn)證以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工應(yīng)用，證明該技術(shù)可以用于海底管道外腐蝕缺陷的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工應(yīng)用過程中遇到了需修復(fù)缺陷難以精確定位的問題，有待進(jìn)一步研究更好的解決辦法。此外，該技術(shù)目前還需要潛水員進(jìn)行需修復(fù)缺陷的水下尋找定位以及執(zhí)行水下施工作業(yè)，因此該技術(shù)目前只能局限于潛水員可開展水下作業(yè)的淺水海底管道的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。海底管道外腐蝕缺陷水下精確定位技術(shù)與補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)設(shè)備/智能機(jī)器人的開發(fā)，應(yīng)是今后技術(shù)攻關(guān)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。