地埋碳鋼管道維修技術(shù)探索

鄭春海

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

隨著淡水資源日益緊張，工業(yè)用水受到嚴(yán)格的管控，極大地限制了我公司的生產(chǎn)。為此，我廠自2011年后開(kāi)始利用鋼廠海水淡化后廢棄水作為生產(chǎn)用水，至今利用率已接近50%。但由于我公司管線較長(zhǎng)，并且管道已投用多年，管道腐蝕老化，加之沿程地貌復(fù)雜，大大增加了管道維護(hù)的難度。近年來(lái)，我公司在利用各類方法進(jìn)行管道維護(hù)的同時(shí)，也一直在探索更為徹底有效的管道修復(fù)方法。

1 管道現(xiàn)狀

我公司淡化后廢水管線始于首鋼集團(tuán)，直徑DN1000，全程長(zhǎng)約51 km，采用地埋敷設(shè)，綜合使用碳鋼、PE、玻璃鋼三種材質(zhì)。管線沿程地貌非常復(fù)雜，涉及高速公路、綠化帶、禁止開(kāi)挖路段的河流河床等等。隨著投入使用時(shí)間的延長(zhǎng)，由于工作介質(zhì)、焊接及內(nèi)防腐涂層施工質(zhì)量或其它人為因素等原因，碳鋼材質(zhì)部分管道頻繁發(fā)生泄漏。然而，維修時(shí)對(duì)管道整體進(jìn)行開(kāi)槽施工的話，協(xié)調(diào)辦理施工許可證流程不可控因素較多，十分困難，后續(xù)恢復(fù)的工程量大、整體施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且容易給自然環(huán)境、綠化以及交通等各方面帶來(lái)較大影響。為此，探索研究非開(kāi)挖方式管道維修方法有著十分重要的意義。

2 管道腐蝕原因分析

維修施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，管道泄漏點(diǎn)不僅集中在焊口位置，管道本身也有多處腐蝕嚴(yán)重，針對(duì)這一類現(xiàn)象，我們從管材、工藝介質(zhì)、管道施工以及防腐等各個(gè)方面對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行了深入的研究。

2.1 管材

碳鋼管道部分采用螺旋焊管，材質(zhì)為20#鋼，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，承壓范圍寬，受外界因素影響小。但是抗腐蝕能力差，尤其是在富氯環(huán)境中，極易發(fā)生金屬的電化學(xué)腐蝕。并且管道焊接過(guò)程中熱源集中作用于焊接部位，不均勻的溫度場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生較高的焊接應(yīng)力殘余和變形，加速焊口的腐蝕，極大地縮短管道使用壽命。

2.2 工藝介質(zhì)

管道內(nèi)輸送的工藝介質(zhì)為海水淡化后廢棄水，溫度約為45 ℃，流速0.57 m/s,氯離子濃度為24.4 g/L，并含有大量Na+、Mg2+、Ca2+等金屬離子，為典型的電解質(zhì)溶液。

管道金屬表面成分不均勻性、表面應(yīng)力的不均勻性、相分布不均勻性以及其他因素導(dǎo)致了金屬電極電位分布的微觀不均勻，微觀上金屬表面存在電勢(shì)差和電流從而構(gòu)成了微電池，在金屬表面有無(wú)數(shù)的陽(yáng)極與陰極區(qū)，在工藝介質(zhì)的促進(jìn)下極易形成電偶腐蝕。

陰極反應(yīng)(電位較高)O2+2H2O+4e-→4OH-

陽(yáng)極反應(yīng)(電位較低)Fe→Fe2++2e

其次輸送淡化后廢棄水時(shí)，隨著介質(zhì)流速的增加和溫度的升高，尤其廢棄水中含有泥沙等固體顆粒，聚集在管道內(nèi)部形成結(jié)疤，都不同程度促進(jìn)電偶腐蝕發(fā)展，導(dǎo)致管道的腐蝕速率急劇增加。

2.3 其他原因

管道安裝或維修施工過(guò)程中，焊口部位防腐需焊接完成后進(jìn)入管道內(nèi)部補(bǔ)涂，由于管道內(nèi)部空間狹小，尤其管道爬坡較陡的部位，施工極其不便，管道基體內(nèi)表面預(yù)處理不充分，防腐質(zhì)量不能得到保障，更有甚者根本無(wú)法做內(nèi)防腐；其次，管道沿線地質(zhì)情況復(fù)雜，對(duì)口時(shí)錯(cuò)口現(xiàn)象不可避免，內(nèi)部焊縫余高得不到有效控制，帶有泥沙的淡化廢棄水輸送時(shí)產(chǎn)生局部紊流，加劇沖刷腐蝕；再次，管道投運(yùn)后沉降不均引起的變形，造成防腐涂層破裂。以上諸多因素導(dǎo)致防腐涂層破壞后，碳鋼管道內(nèi)表面基體露出，與未破壞的防腐涂層形成大陰極小陽(yáng)極的不利局面，進(jìn)一步加速管道腐蝕。

3 不同維修技術(shù)方案介紹

3.1 焊接補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)

管道內(nèi)部補(bǔ)焊是較為直接的傳統(tǒng)維修方式，可直接高效的對(duì)管道受損部位進(jìn)行維修，對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，從而達(dá)到管道修復(fù)的目的。施工流程如圖1所示。

圖1 焊接補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工流程圖

此方式可適用大多數(shù)地質(zhì)情況，技術(shù)成熟，難度小，從焊接后使用效果來(lái)看，較為可靠，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)重大泄漏事故。但由于施工條件及金屬特性的限制，焊接后自身抗腐蝕能力很差，防腐涂層也不能達(dá)到最佳效果，使用年限較短。

3.2 內(nèi)襯纖維增強(qiáng)聚乙烯(PE)軟管修復(fù)

近年來(lái)柔性管內(nèi)襯技術(shù)逐漸開(kāi)始在工業(yè)管道修復(fù)中使用，此方式是將PE管折疊綁扎，利用牽引機(jī)穿入預(yù)處理后的原管道，就位后用水或氣(汽)在其內(nèi)部加壓，將其打開(kāi)并恢復(fù)到原尺寸，使其脹貼到原管道的內(nèi)壁上，形成柔性非金屬管與碳鋼管合二為一的 “管中管”結(jié)構(gòu)，達(dá)到管道修復(fù)的目的。

柔性內(nèi)襯管一般采用高密度聚乙烯(PE)材質(zhì),不使用任何化學(xué)膠粘樹(shù)脂，無(wú)氣味污染。管道本身就具有較為不錯(cuò)的承壓能力，裸管承壓可達(dá)1.0 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率>350%，管徑DN100～DN2000。該方式施工占地少，時(shí)間短，使用壽命長(zhǎng)。當(dāng)管道有連續(xù)彎頭或折彎時(shí)變向，內(nèi)襯效果較差，施工難度較大，存在一定的穿管難度，甚至失敗。

3.3 復(fù)合材料修復(fù)

利用高分子聚合物為基體的復(fù)合材料，通過(guò)噴涂或者手工涂裝于預(yù)處理的金屬表面，涂料固化后，便可以在基材和腐蝕介質(zhì)之間形成屏蔽體層，為處于浸泡環(huán)境中與水溶劑接觸的金屬表面提供保護(hù)，從而達(dá)到對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)、防腐的目的，幫助業(yè)者實(shí)施其腐蝕計(jì)劃管理。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于老舊管道、壓力容器及設(shè)備等維修，具有很好的粘合力、耐化學(xué)性、抗壓強(qiáng)度、耐熱性和耐腐蝕性能。但對(duì)施工條件要求比較高。

3.4 雙相鋼內(nèi)襯修復(fù)

不銹鋼耐腐蝕性能要優(yōu)于碳鋼，但是常見(jiàn)不銹鋼均不耐氯離子的腐蝕，例如304或者316/316L。而雙相不銹鋼都顯示出較高的耐蝕性能，值得注意的是，它們?cè)谀承┣闆r下具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，比如海水環(huán)境，較高的鉻、鉬和氮含量使它們具有很好的耐氯化物點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能。圖2給出了按照ASTM G 48(6% FeCl3)測(cè)定的各種非焊接態(tài)奧氏體不銹鋼與固溶退火態(tài)雙相鋼耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能的比較，材料焊接狀態(tài)下的臨界溫度要低一些。臨界點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕溫度越高，則表明材料耐腐蝕起始發(fā)生的能力越高。同等條件下雙相不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)和臨界縫隙腐蝕溫度(CCT)都顯著高于奧氏體不銹鋼。

圖2 非焊接態(tài)奧氏體不銹鋼與固溶退火態(tài)雙相鋼的臨界點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕溫度注：按照ASTM G 48(6% FeCl3溶液)測(cè)定的。

雙相不銹鋼由于其優(yōu)越的耐腐蝕性，常用于海水淡化行業(yè)中，對(duì)我公司淡化廢棄水管線也非常適用。此方式是在管道內(nèi)部重新“貼補(bǔ)”一層新管道(如圖3)，可根據(jù)原管道管徑確定適宜的內(nèi)襯管道尺寸進(jìn)行制作安裝，焊接時(shí)需要人工進(jìn)入管道內(nèi)部，焊接方式采用手工鎢極氬弧焊，焊接后做鈍化處理，其施工流程見(jiàn)圖4。由于原管道的管徑限制，DN600以下的管道無(wú)法進(jìn)行內(nèi)襯施工。

圖3 雙向不銹鋼內(nèi)襯修復(fù)

圖4 雙向不銹鋼內(nèi)襯修復(fù)施工流程圖

上述各種修復(fù)方式在我公司均有使用案例，但尚未全面推廣至管道修復(fù)上。四種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)以及各自適用的范圍，相互對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇使用。

表1 地埋管道修復(fù)技術(shù)方案比較

4 管道修復(fù)方案選擇及效果查定

從表1各種方案對(duì)比來(lái)看，均能達(dá)到管道修復(fù)的效果，除焊接補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)外，其他方式均有極好的防腐性能，并且不會(huì)增大管道阻力，而且所需施工用地面積小，對(duì)交通、周圍環(huán)境影響小，利于維修施工的開(kāi)展。但站在公司的角度考慮，我公司屬于連續(xù)作業(yè)的化工型企業(yè)，對(duì)施工工期要求高，在滿足維修效果的前提下，工期便成為了方案選擇的主要決定因素。為此，綜合考慮各項(xiàng)因素，管道修復(fù)方案以焊接補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)和內(nèi)襯PE管修復(fù)最為合理適宜，其性價(jià)比最優(yōu)。

4.1 焊接補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)應(yīng)用效果

自2018年開(kāi)始，我公司對(duì)地埋管道進(jìn)行過(guò)多次內(nèi)部補(bǔ)焊施工，至今尚未出現(xiàn)過(guò)泄漏事故，質(zhì)量非常可靠，雖然施工有一定的難度，但其施工周期短、施工靈活，能夠應(yīng)對(duì)大多數(shù)地質(zhì)情況，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定影響最小，性價(jià)比相對(duì)較高。

4.2 內(nèi)襯PE管修復(fù)應(yīng)用效果

針對(duì)長(zhǎng)直管道大面積腐蝕泄漏的情況，我公司從2018年至今，已經(jīng)對(duì)三段管線進(jìn)行了內(nèi)襯PE管修復(fù)施工，收到了滿意的效果。內(nèi)襯PE管后雖然使管徑略小，但由于管道內(nèi)壁變得光滑，管道阻力降低，未對(duì)管道輸送能力造成影響。對(duì)于維修人員無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部維修的長(zhǎng)直管道，內(nèi)襯PE管是一種極佳的修復(fù)方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，淡化后廢棄水管道修補(bǔ)方式有多種，根據(jù)管道材質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地形及生產(chǎn)需要可選用不同的管道修復(fù)方式，能解決各類地埋管道泄漏問(wèn)題，避免對(duì)環(huán)境及生產(chǎn)造成更為嚴(yán)重的影響。為非開(kāi)挖修復(fù)地埋管道的推廣應(yīng)用做出嘗試的同時(shí)，也為類似管道維修提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。