王選濤 師 濤 陳浩英 孟學(xué)鋒 徐 旺

（1. 長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710016；2. 鄭州新銳石油工程技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

進(jìn)入十四五以來(lái)，我國(guó)提出碳中和目標(biāo)，能源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了很大的變革。地下能源的采集和輸送安全，一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的能源輸送里程接近13萬(wàn)公里，輸送跨越全國(guó)三分之二的省份，因?yàn)槟茉摧斔蛯?dǎo)致的安全事件層出不盡。初步統(tǒng)計(jì)2019年管道輸送意外事件的占2.6%（包括意外創(chuàng)傷、惡劣天氣），主體道缺陷部位占11.4%，焊縫缺陷部位占16.8%，其他部位事故占69.2%[1,2]。上述數(shù)據(jù)不難得出管道輸送的焊縫連接處，一直是長(zhǎng)輸管道的薄弱點(diǎn)。雖然在焊縫探傷檢測(cè)、焊縫防腐、焊縫后期檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，采用了立體地監(jiān)測(cè)技術(shù)，但管道運(yùn)行期間，各種介質(zhì)的沖刷和腐蝕，依然是會(huì)出現(xiàn)焊縫的安全事故[3-5]。目前已知的焊縫防腐技術(shù)為熱縮帶，采用橡膠片材加熱收縮，完成與原管道防腐材料的結(jié)合。此材料最大的優(yōu)勢(shì)為防腐性能較好，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，方便快捷。使用期間一旦焊縫發(fā)生泄漏，該材料不具有耐壓和堵漏的作 用[6,7]。缺陷部位的修復(fù)技術(shù)也有幾種成熟技術(shù)，例如A型套筒、B型套筒、環(huán)氧套筒技術(shù)。這些技術(shù)都需要?jiǎng)佑么笮褪┕ぴO(shè)備，有些還需要現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火作業(yè)，對(duì)于長(zhǎng)輸管道特殊部位，在一定空間有所限制。傳統(tǒng)的復(fù)合材料修復(fù)方法，多采用現(xiàn)場(chǎng)濕纏繞法，施工現(xiàn)場(chǎng)的自然條件（風(fēng)沙、空氣濕度等），都對(duì)濕纏繞法的彈性模量有損失，加之現(xiàn)場(chǎng)多為人工纏繞，技術(shù)人員掌握技術(shù)不同，對(duì)修復(fù)完后的修復(fù)層的質(zhì)量無(wú)法保證。高分子片材為工廠提前預(yù)制好片材，現(xiàn)場(chǎng)涂抹膠粘劑就可完成修復(fù)，減少現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境對(duì)修復(fù)層的影響。該技術(shù)采用堵漏、耐壓及防腐相結(jié)合的技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)不需要?jiǎng)佑么笮驮O(shè)備，簡(jiǎn)單方便快捷地處理各種長(zhǎng)輸管道隱患，是一種更加安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的新技術(shù)。

1 承壓材料的制備及其性能測(cè)試

1.1 管道承壓及高分子修復(fù)原理

長(zhǎng)輸管道在輸送生產(chǎn)的過(guò)程中，因輸送介質(zhì)壓力微調(diào)波動(dòng)，管道不斷受圓周應(yīng)力沖擊，對(duì)管道的薄弱點(diǎn)的沖擊力加大，薄弱點(diǎn)的承載力成倍迅速增加，甚至超過(guò)管道的設(shè)計(jì)壓力，發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)很大。一旦發(fā)生泄漏安全事故，對(duì)周邊的自然環(huán)境和財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損失。利用現(xiàn)有的高分子材料PEES添加液體丁青橡膠及S級(jí)玻纖，PEES原材料經(jīng)過(guò)高溫處理，預(yù)浸S級(jí)玻纖布后，再有液體丁青橡膠及必要的增強(qiáng)劑，通過(guò)擠壓收卷產(chǎn)生帶有記憶力的片材。在利用強(qiáng)力膠纏繞在存在缺陷的管道外表面。使用專(zhuān)用預(yù)緊工具對(duì)片材進(jìn)行預(yù)緊，然后采用鎖緊裝置鎖死，與強(qiáng)力膠和片材一起構(gòu)成復(fù)合修復(fù)層。修復(fù)完成后，缺陷部位管道承擔(dān)的部分應(yīng)力就會(huì)傳遞到復(fù)合片材上。從而使缺陷部位管道承擔(dān)的應(yīng)力始終處于安全極限之下，保證管道的安全 運(yùn)行。

1.2 承壓高分子材料的制備及其性能

實(shí)驗(yàn)用原材料主要包括PEES材料，S級(jí)玻纖布、液體丁青橡膠及增韌劑，此外還有一些添加材料丙烯酸酯液體橡膠。材料性能測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

將PEES顆粒加入料槽，加熱至150～170°溶解為液體。將液體丁青橡膠及增韌劑添加其中，均勻攪拌20分鐘。將S級(jí)玻纖布平鋪到500mm的模具上，倒入攪拌好的預(yù)浸料，厚度在1.5mm。通過(guò)高溫烘烤箱，使其充分預(yù)浸。再進(jìn)行冷卻，冷卻后開(kāi)始1道壓輥壓制，最后利用2道壓輥收成帶有記憶力的卷狀，使其片材帶有記憶力。制備出的片材形貌如圖1所示。

圖1 壓輥壓制法制備出的片材的內(nèi)部及外部形貌

對(duì)于高分子復(fù)合片材暫命名XR-12，其主要力學(xué)性能如拉伸，彎曲強(qiáng)度和模量決定于片材基體強(qiáng)度，纖維的作用主要是承擔(dān)載荷，片材基體的作用主要是傳遞載荷，即片材基體是纖維之間的膠粘劑，需要與纖維粘在一起共同承擔(dān)載荷。所以片材基體的性能對(duì)復(fù)合材料的性能有很大的影響。通過(guò)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)成型的片材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，以便使其達(dá)到適用范圍。具體力學(xué)性能如表1所示。

表1 XR-12高分子片材的力學(xué)性能

1.3 膠粘劑制作過(guò)程

載荷傳遞材料的片材基體選擇同膠粘劑和片材基本相同。對(duì)于載荷傳遞材料，在基體片材確定以后，填料的選擇及合理的配置對(duì)材料的性能影響是至關(guān)重要的。合理使用填料能提高材料的機(jī)械性能、防腐性和附著力，所用的填料除了考慮體系的收縮應(yīng)力和常規(guī)的物理性能外，還應(yīng)考慮到涂層的附著力，為此我們選擇了二氧化硅、石英粉、鈦白粉等材料和金屬類(lèi)填料，針對(duì)提高材料的沖擊強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、附著力和施工性能等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)選出合適的種類(lèi)和加量。所制備材料為雙組分體系，A組分為環(huán)氧樹(shù)脂（100份）、填料石英粉閃爍石（200份）、觸變劑氣相二氧化硅（5份），B組分為固化劑593（100份）、促進(jìn)劑DMP-30（40份），性能指標(biāo)如表2所示。

表2 載荷傳遞材料性能指標(biāo)

2 試壓方法及分析

試壓實(shí)驗(yàn)所用材料

采用L360N低碳鋼管，規(guī)格為Φ114×4.5mm，長(zhǎng)度為1200mm，焊接離的間隙為1000mm，焊接三角支撐腿。采集200×200×1.0mm的片材，片材數(shù)量為3塊，實(shí)驗(yàn)厚度為3mm。膠粘劑AB成分，準(zhǔn)備50mL，必要的打磨及擦拭工具。所用的材料及工具如圖2所示。

圖2 試壓時(shí)所用的不銹鋼管、膠粘劑及高分子片材

對(duì)試驗(yàn)段中間開(kāi)8mm的孔，采用拋光機(jī)對(duì)孔周邊打磨，要求打磨級(jí)別在Sa2.5級(jí)。使用丙酮擦拭已經(jīng)打磨后的試驗(yàn)段，切記做好防護(hù)措施，具體步驟如圖3所示。

圖3 試壓時(shí)對(duì)表面進(jìn)行打磨和清洗過(guò)程

取50ml膠粘劑灌裝至專(zhuān)用的膠粘劑盒中，使用專(zhuān)用工具來(lái)調(diào)劑膠粘劑，使其可以均勻混合。每個(gè)試塊上涂層為0.2MM厚度的膠粘劑，要求均勻涂抹，如圖4所示。

圖4 試壓時(shí)所用的膠粘劑的涂抹示意圖

將片材疊加到試驗(yàn)開(kāi)孔的上方，三層要均勻地疊加到實(shí)驗(yàn)孔的上方，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)工具進(jìn)行禁錮，使膠粘劑、片材與試驗(yàn)管線充分結(jié)合，待固化4h固化完后，拆除鎖緊裝置。如圖5所示。

圖5 試壓實(shí)驗(yàn)時(shí)膠粘固化后表面形貌

安裝手動(dòng)液壓泵，最高壓力可達(dá)100MPa，在實(shí)驗(yàn)裝置上安裝可以測(cè)試內(nèi)部壓力的壓力表，壓力表最高25MPa。打壓試驗(yàn)需要在室內(nèi)進(jìn)行，采用循序加壓的試驗(yàn)步驟。經(jīng)過(guò)24h保壓實(shí)驗(yàn)，本次試驗(yàn)片材試壓20PMa，實(shí)現(xiàn)本次試驗(yàn)的目標(biāo)。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。試壓后表面的形貌如圖6所示。

圖6 試壓后管道表面形貌

表3 XR-12片材水爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

本研究將高分子PEES融入其他高分子材料制備具有記憶效應(yīng)的片材，與膠粘劑結(jié)合可解決長(zhǎng)輸管道的缺陷或隱患治理。此技術(shù)膠粘劑與片材必須完全融合一體，再與碳鋼完成較好的結(jié)合。因該材料屬于復(fù)合材料，也可以用于常規(guī)的防腐施工，比傳統(tǒng)的防腐材料，不僅可以防腐層修復(fù)，還可以起到隱患治理的目標(biāo)。相比常規(guī)的修復(fù)技術(shù)，它的主要技術(shù)層序在工廠完成，減少現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)它的影響。針對(duì)試壓測(cè)試試驗(yàn)，采用片材塊狀試壓，主要考慮到缺陷部位承壓，無(wú)論大多的管徑在泄漏發(fā)生時(shí)都會(huì)瞬間對(duì)周?chē)?cm2造成直接沖擊?，F(xiàn)存的修復(fù)技術(shù)多少都有一定使用局限，改造現(xiàn)存技術(shù)使用局限是我們技術(shù)革新的方向。未來(lái)該技術(shù)因?yàn)槭褂脧?fù)合材料，可以與現(xiàn)有的5G技術(shù)結(jié)合，運(yùn)用力量柔性傳感器，將修復(fù)后的力量狀態(tài)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端，再有5G通信技術(shù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，做到修復(fù)層的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。