高分子材料修復技術在長輸管線的應用

王選濤 師 濤 陳浩英 孟學鋒 徐 旺

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

0 引言

進入十四五以來，我國提出碳中和目標，能源結構出現了很大的變革。地下能源的采集和輸送安全，一直是社會關注的焦點。目前國內的能源輸送里程接近13萬公里，輸送跨越全國三分之二的省份，因為能源輸送導致的安全事件層出不盡。初步統計2019年管道輸送意外事件的占2.6%（包括意外創傷、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]。上述數據不難得出管道輸送的焊縫連接處，一直是長輸管道的薄弱點。雖然在焊縫探傷檢測、焊縫防腐、焊縫后期檢測等多個領域，采用了立體的監測技術，但管道運行期間，各種介質的沖刷和腐蝕，依然是會出現焊縫的安全事故[3-5]。目前已知的焊縫防腐技術為熱縮帶，采用橡膠片材加熱收縮，完成與原管道防腐材料的結合。此材料最大的優勢為防腐性能較好，現場操作簡單，方便快捷。使用期間一旦焊縫發生泄漏，該材料不具有耐壓和堵漏的作用[6,7]。缺陷部位的修復技術也有幾種成熟技術，例如A型套筒、B型套筒、環氧套筒技術。這些技術都需要動用大型施工設備，有些還需要現場動火作業，對于長輸管道特殊部位，在一定空間有所限制。傳統的復合材料修復方法，多采用現場濕纏繞法，施工現場的自然條件（風沙、空氣濕度等），都對濕纏繞法的彈性模量有損失，加之現場多為人工纏繞，技術人員掌握技術不同，對修復完后的修復層的質量無法保證。高分子片材為工廠提前預制好片材，現場涂抹膠粘劑就可完成修復，減少現場施工環境對修復層的影響。該技術采用堵漏、耐壓及防腐相結合的技術，現場不需要動用大型設備，簡單方便快捷地處理各種長輸管道隱患，是一種更加安全、經濟、可靠的新技術。

1 承壓材料的制備及其性能測試

1.1 管道承壓及高分子修復原理

長輸管道在輸送生產的過程中，因輸送介質壓力微調波動，管道不斷受圓周應力沖擊，對管道的薄弱點的沖擊力加大，薄弱點的承載力成倍迅速增加，甚至超過管道的設計壓力，發生泄漏的風險很大。一旦發生泄漏安全事故，對周邊的自然環境和財產安全造成不可估量的損失。利用現有的高分子材料PEES添加液體丁腈橡膠及S級玻纖，PEES原材料經過高溫處理，預浸S級玻纖布后，再有液體丁腈橡膠及必要的增強劑，通過擠壓收卷產生帶有記憶力的片材。在利用強力膠纏繞在存在缺陷的管道外表面。使用專用預緊工具對片材進行預緊，然后采用鎖緊裝置鎖死，與強力膠和片材一起構成復合修復層。修復完成后，缺陷部位管道承擔的部分應力就會傳遞到復合片材上，從而使缺陷部位管道承擔的應力始終處于安全極限之下，保證管道的安全運行。

1.2 承壓高分子材料的制備及其性能

實驗用原材料主要包括PEES材料，S級玻纖布、液體丁腈橡膠及增韌劑，此外還有一些添加材料丙烯酸酯液體橡膠。材料性能測試及標準采用國家標準進行。

將PEES顆粒加入料槽，加熱至150～170oC溶解為液體。將液體丁腈橡膠及增韌劑添加其中，均勻攪拌20min。將S級玻纖布平鋪到500mm的模具上，倒入攪拌好的預浸料，厚度在1.5mm。通過高溫烘烤箱，使其充分預浸。再進行冷卻，冷卻后開始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部及外部形貌

對于高分子復合片材暫命名XR-12，其主要力學性能如拉伸，彎曲強度和模量決定于片材基體強度，纖維的作用主要是承擔載荷，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載荷。所以片材基體的性能對復合材料的性能有很大的影響。通過檢測設備，對成型的片材進行力學性能檢測，以便使其達到適用范圍。具體力學性能如表1所示。

表1 XR-12高分子片材的力學性能

1.3 膠粘劑制作過程

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材料的性能影響是至關重要的。合理使用填料能提高材料的機械性能、防腐性和附著力，所用的填料除了考慮體系的收縮應力和常規的物理性能外，還應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填料，針對提高材料的沖擊強度、剪切強度、附著力和施工性能等指標進行試驗，并通過實驗選出合適的種類和加量。所制備材料為雙組分體系，A組分為環氧樹脂（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）、促進劑DMP-30（40份），性能指標如表2所示。

表2 載荷傳遞材料性能指標

2 試壓方法及分析

試壓實驗所用材料

采用L360N低碳鋼管，規格為Φ114×4.5mm，長度為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，片材數量為3塊，實驗厚度為3mm。膠粘劑AB成分，準備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 試壓時所用的不銹鋼管、膠粘劑及高分子片材

對試驗段中間開8mm的孔，采用拋光機對孔周邊打磨，要求打磨級別在Sa2.5級。使用丙酮擦拭已經打磨后的試驗段，切記做好防護措施，具體步驟如圖3所示。

圖3 試壓時對表面進行打磨和清洗過程

取50mL膠粘劑灌裝至專用的膠粘劑盒中，使用專用工具來調劑膠粘劑，使其可以均勻混合。每個試塊上涂層為0.2MM厚度的膠粘劑，要求均勻涂抹，如圖4所示。

圖4 試壓時所用的膠粘劑的涂抹示意圖

將片材疊加到試驗開孔的上方，三層要均勻地疊加到實驗孔的上方，運用專業工具進行禁錮，使膠粘劑、片材與試驗管線充分結合，待固化4小時固化完后，拆除鎖緊裝置。如圖5所示。

安裝手動液壓泵，最高壓力可達100MPa，在實驗裝置上安裝可以測試內部壓力的壓力表，壓力表最高25MPa。打壓試驗需要在室內進行，采用循序加壓的試驗步驟。經過24h保壓實驗，本次試驗片材試壓20PMa，實現本次試驗的目標。具體測試數據如表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片材水爆試驗數據

3 結語

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的片材，與膠粘劑結合可解決長輸管道的缺陷或隱患治理。此技術膠粘劑與片材必須完全融合一體，再與碳鋼完成較好的結合。因該材料屬于復合材料，也可以用于常規的防腐施工，比傳統的防腐材料，不僅可以防腐層修復，還可以起到隱患治理的目標。相比常規的修復技術，它的主要技術程序在工廠完成，減少現場施工對它的影響。針對試壓測試試驗，采用片材塊狀試壓，主要考慮到缺陷部位承壓，無論大多的管徑在泄漏發生時都會瞬間對周圍2cm2造成直接沖擊。現存的修復技術多少都有一定使用局限，改造現存技術使用局限是我們技術革新的方向。未來該技術因為使用復合材料，可以與現有的5G技術結合，運用力量柔性傳感器，將修復后的力量狀態傳輸到數據終端，再有5G通信技術傳輸到手機上，做到修復層的動態監視。