毛仲强，柳 楠，张金星，梁 玲，陈 浩

（中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

0 引言

随着我国工业的快速发展，使用管道对流体的输送越来越普遍。采用钢质管道输送流体，是最安全、最方便快捷也是性价比较高的一种输送方法。但是随着油田开采时间的增长，含水率逐年增加及注水水质的不断恶化，硫酸盐氧化还原菌的不断增多，输油和污水管道的结蜡、结垢及腐蚀问题日益严峻，直接影响着石油管道的使用寿命。

由管道内腐蚀原因引起的管壁变薄，随着管道运行时间的增长，管道内壁的减薄点增多，减薄区面积有继续扩大和管道壁厚继续减薄的倾向，该隐患部位有可能发生穿孔、泄漏、爆管等情形，直接影响着石油管道的安全生产，并给环境保护带来前所未有的挑战。另外，为了减少焊接时的不安全因素，采用传统的动火修复时需要停产作业，从而产生巨大的修复成本。而采用不停产动火补焊，焊穿的危险性极大，是不科学、不可行的工艺选择。另外，对于易燃易爆、有应力腐蚀开裂倾向的输送管道来说，消除焊接应力的热处理措施受到局限，易产生氢脆和冷脆等问题。

选择不动火不停产修复补强工艺对管道缺陷处进行修复加强，在确保生产连续性的同时，可最大限度地确保输油管道和污水管道的安全生产，并避免环境污染等风险。

1 不动火修复补强方法和修复层结构

采用复合修复技术对钢质管道缺陷部位进行修复补强，主要是针对钢质管道内、外腐蚀减薄两种情况。

对于钢质管道外腐蚀减薄的情况，主要是做金属修复，采用超级金属修补剂，在钢质管道基础面因腐蚀的凹陷麻坑等缺陷处涂抹修复，以恢复基础面缺陷部位的强度和钢质管道原有的抗压强度。

本研究主要针对钢质管道内腐蚀减薄的情况，探讨采用不动火修复补强工艺的应用。修复层结构如图1 所示：①做金属修复，采用超级金属修补剂，在钢质管道基础面因腐蚀的凹陷麻坑等缺陷处涂抹修复，以恢复基础面缺陷部位的强度；②玻璃钢加强层，以环氧玻璃钢为主修复加强层，采用现场缠绕的施工方法，在管道缺陷部位缠绕衬贴具有一定厚度的玻璃钢加强层，形成紧密结合的管外玻璃钢加强管，不同压力等级的钢质管道，可根据设计压力的不同，增加或减少环氧玻璃钢加强层厚度；③碳纤维补强层，在玻璃钢加强层外面，缠绕碳纤维包敷层整体补强，可根据设计压力增加碳纤维补强层厚度；④防护层在碳纤维包敷补强层外边，涂刷氯化橡胶防腐涂料二底二面，以保护里面的玻璃钢和碳纤维，使其隔离大气，避免氧化和风化，以保持永久的抗压强度。

2 不动火修复补强层性能分析

2.1 超级金属修复剂

金属修复层采用超级金属修补剂修复，该材料是富含金属的高分子复合材料，经双组分混合调配，可在常温下固化、硬化后形成一种坚固的、类似金属状的材料，可以用于车床车削、磨削、钻孔、攻丝等传统的各种机械加工。在管道设备修复方面，它是一种理想的冷焊剂，可替代传统的热焊接工艺。采用超级金属修补剂对管道凹陷麻坑等缺陷部位修复，有效恢复钢质设备管道缺陷部位的强度。该材料室温即可固化，适用于多种钢件的缺陷修补，综合性能好，与机体结合强度高，固化后硬度高、无收缩，具有耐磨损、耐老化、耐油、防水、抗各种化学腐蚀等优异性能。超级金属修复剂的性能见表1。

图1 修复补强层结构示意

表1 超级金属修复剂的性能指标

2.2 玻璃钢加强层

修复加强层以环氧玻璃钢为修复主加强层，采用现场缠绕的施工方法，在管道缺陷部位衬贴缠绕，再造一段能承压的玻璃钢加强层，和被修复管线形成粘接力良好的管外加强管。加强层固化后，与被修复管道形成一体，固化后的环氧玻璃钢抗压强度和与弹性模量和钢材相接近，可代替钢质管道材料承载管内压力，从而达到恢复甚至超过管道设计运行压力的目的。环氧玻璃钢加强层现场衬贴时，不受基材几何尺寸的限制：可以对弯管、三通、大小头等不规则管件修复，也可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强；可以对管道缺陷部位局部修复增强，也可以用于整个管段的提压增强处理；该加强管现场施工、常温固化成型，在原管道腐蚀变薄乃至穿孔，也可以单独承压继续使用。

环氧玻璃钢补强层厚度的设计方法：依据被修复补强的钢质管道的厚度，采用等强度原理，确定修复加强层的厚度。以Q235 钢管线为例，材料抗拉强度为375 MPa，环氧玻璃钢管钢抗拉强度为358 MPa，与钢材抗拉强度相当，补强层厚度选择与管线壁厚一致。

2.3 碳纤维补强层

在管壁减薄区和减薄点，随着管道运行时间的增加，减薄区管壁厚度有可能继续减薄，面积继续增大，直至腐蚀穿孔，存在爆管的风险。在玻璃钢加强层的外层衬贴碳纤维补强层，能和里面的玻璃钢补强管共同承压，使其耐压强度提高到钢管的1.6倍以上，从而避免该处爆管的风险。

碳纤维材料是航空航天高强材料，耐压强度是钢材的10 倍以上，弹性模量与钢材、玻璃纤维的弹性模量相当。碳纤维补强层与玻璃纤维和钢管有非常好的变形协同性，能够和管道缺陷处玻璃钢加强层共同承担管道的内压。碳纤维现场衬贴时，不受基材几何尺寸的限制，可用于弯管、三通、大小头等不规则管件修复，可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强。

根据强度计算原理，玻璃钢加强层和外层衬贴碳纤维补强层，可使管材耐压强度提高到钢管的1.6 倍以上。应依据碳纤维材料与钢材的耐压强度比值，确定碳纤维缠绕粘贴厚度，一般取待修复管道壁厚的0.075 倍。

2.4 防老化涂料

玻璃纤维和碳纤维长期受紫外线照射，易发生风化、老化和失强的现象，在碳纤维外壁涂刷耐大气腐蚀、抗紫外线优良的氯化橡胶防腐涂料（即防护层），可以使修复补强层长久保持足够的抗压强度。

3 不动火修复过程质量控制

3.1 修复前准备

在管壁因腐蚀继续变薄直至穿孔后，隐患处的管壁靠加强层和补强层单独承压，腐蚀介质有从原管道外壁和玻璃钢加强层内壁的间隙向外渗透的倾向。减薄点和缺陷部位，修复层自减薄点沿轴向往两端各延伸30 cm；减薄区部位，修复层自减薄点沿轴向往两端各延伸50 cm，可以有效延缓渗漏的时间。同时在玻璃钢衬贴之前，在修复补强处涂抹一层薄的LOCTITE 浸润剂120HP，以增加复合补强层和钢材基体的剥离强度，从而有效阻止管道穿孔后液体从复合补强层夹层中往外渗透。

3.2 过程质量控制

（1）施工环境：①施工环境温度为10～30 ℃，不得低于5 ℃；②基体表面温度必须高于露点温度3 ℃以上；③施工环境相对湿度不大于80 %，在雨、雾、雪、大风（风速大于3 级）、扬尘（沙）时，不得在室外做修复补强施工。

（2）表面处理。管道表面如果有油污、油脂和积垢，应按规定的方法进行处理。表面处理应采用喷砂除锈，喷砂后除锈等级要达到Sa 3 级标准，锚纹深度要达到70～120 μm。喷砂除锈后，采用洁净的压缩空气强力吹扫管体表面，并用丙酮擦拭，使基础面清洁。

（3）修复层施工.按规定的配合比将超级金属修复剂各组份充分混合，搅拌均匀，用刮板或胶刀将混合好的修补剂涂于待修表面，用刮板或胶刀反复按压，使修补剂与基体充分浸润灌实。在室温（20～25 ℃）固化8 h 即可打磨修整，24 h 后可投入使用；温度每提升11 ℃，固化时间缩短1/2，但提升温度不得超出材料的承受温度。

（4）加强层施工，采用手糊连续缠绕法施工。环氧胶料各组分配合比按规定准确称量，使用机械搅拌使其均匀，配制成的环氧树脂胶，先在基层上均匀刷一层衬布胶料，随即缠绕粘贴一层玻璃布、贴实，使环氧胶料侵入布的纤维内，铺平、无折皱和气泡。玻璃布表面胶料无流淌现象。常温下4 h 自然固化，玻璃钢表面要平整光滑，色泽均匀，与基体粘结牢固，无起鼓脱层现象。

（5）补强层施工，采用手糊连续缠绕法施工。碳纤维浸渍胶各组分配合比按规定准确称量，使用机械搅拌使其均匀，配制成的碳纤维浸渍胶：先在基层上均匀刷一层，随即缠绕粘贴一层碳纤维布，碾压浸润，自然固化，碳纤维表面要平整光滑，色泽均匀，与基体粘结牢固，无起鼓脱层现象。玻璃钢外碳纤维补强层缠绕粘贴、修复补强结构切面分别如图2、图3 所示。

（6）防护层施工。加强层及补强层固化后，修复段两端修整打磨。为避免日光紫外线长期照射，造成环氧玻璃钢及碳纤维风化失强，在碳纤维外壁涂刷抗紫外线性能良好的氯化橡胶防腐涂料（图4）。

4 管道不动火修复应用

2016 年6 月18 日、7 月3 日至7 月12 日，对某油气分离器进出口汇管等管线进行了漏磁腐蚀检测、超声波测厚、焊缝超声波探伤工作：油气分离器出口管线环焊缝附近连续发生3次泄漏，直管段检测共发现3 处减薄区16 个减薄点；焊缝检测共发现8 处缺陷；弯头定点检测发现2 个减薄点，最小壁厚剩4.41 mm，约为管道壁厚的1/2。于2016 年10 月1 日至10月20 日，对上述管线缺陷处进行了不停产不动火修复补强，修复补强层设计压力为钢管的1.6 倍。完工后对该修复补强层进行了模拟耐压实验，选择2 m已穿孔的管线作为实验管段，在穿孔部位做和来油汇管同级别的修复补强结构修复，按规范试压4.0 MPa、稳压72 h 穿孔处不刺漏，证明该修复工艺安全可靠。修复后的输油汇管至今未出现过穿孔泄漏现象，达到了预期修复效果。

5 结束语

随着现代科学技术和工业经济的飞速发展，石油管道建设工程越来越多，由于管道的腐蚀导致的输油及污水管道的穿孔、泄漏和爆管的可能性也越来越普遍，这将直接影响着石油管道的安全生产，并给环境保护带来前所未有的挑战。科学选择不停产不动火修复工艺，在不停产的情况下恢复并提高管道缺陷部位的强度，以适应石油管道越来越严峻的腐蚀环境，这在石油化工生产领域及易燃易爆环境下极为重要，是避免管道维护中的安全风险，提高管线使用寿命，避免管道因内腐蚀导致的穿孔泄漏，降低维护成本等行之有效的方法。这可以最大限度地确保输油和污水管道的安全生产，避免环境污染等风险，为石油管道平稳运行打下坚实的基础。

图2 玻璃钢外碳纤维补强层缠绕粘贴

图3 修复补强结构切面

图4 修复补强层成品