鋼質環氧套筒修復技術在長輸管道工程應用探討

張振營 賈 然 季 揚 解 靜

（1. 國家管網集團西南管道有限責任公司南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530200；2. 國家管網集團建設項目管理分公司，河北 廊坊 065000；3. 國家管網集團北方管道有限責任公司，河北 廊坊 065000；4. 中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項目部，陜西 西安 710016）

0 引言

由于環境條件、第三方施工以及服役年限較長，管道缺陷及泄漏失效問題日益突出[1]。管道行業應用的補板、堆焊、B型套筒等焊接類修復技術，僅適用X60及以下低鋼級，在線焊接風險較高，現場采用手工氬弧焊可能產生氫脆、冷脆和氫致裂紋，直焊縫/角焊縫處殘余應力不易消除；管道換管技術成本高、周期長且影響管道正常輸送[2]；碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維復合材料修復存在粘浸劑性能老化、修復質量不穩定問題。相對上述管體修復技術，環氧鋼套筒優點是無需焊接、施工安裝簡便，不存在管道動火作業風險，對管道輸送基本無影響，尤其是較長缺陷、大面積腐蝕和應力集中彎管的情形，被行業內公認為安全、經濟、可靠的管體修復技術。隨著國家能源戰略和對天然氣清潔能源需求，X80高鋼級管道工程建設大量應用，對環氧鋼套筒技術修復質量、可靠性以及環焊縫缺陷修復提出更高要求。結合B型套筒、鋼質環氧套筒、復合材料和換管的技術分析，通過分析國內外對環氧鋼套筒修復技術工程應用情況和研究進展，有助于管道企業科學、高效開展管道管理和應急搶修工作。

1 環氧鋼套筒設計原理及要求

鋼質環氧套筒修復是用兩個半環形鋼質套筒將管道缺陷或泄漏位置區域覆蓋，經焊接或螺栓連接在一起，用密封膠對套筒兩端封閉，向套筒與管體間的環形空隙灌注環氧樹脂，形成復合套筒。環氧樹脂與套筒之間形成連續負載過渡，可將管道承受的載荷均勻傳遞到鋼質套筒。鋼質環氧套筒適用于修復腐蝕、溝槽、裂紋、凹陷、焊接缺陷（除環焊縫）、褶皺、屈曲等非泄漏缺陷，針對腐蝕泄漏穿孔，缺陷區域環氧樹脂充分接觸腐蝕性介質，徹底抑制腐蝕發展。該技術除適用于長輸油氣管道，還適用液化石油氣管道、油氣站場工藝管道。

鋼質環氧套筒示意圖如圖1所示。鋼質護板材料性能和承壓能力不低于待修復管道等級，套筒與管道彈性模量基本相當。鋼質護板長度不小于150mm，鋼質護板大于管道直徑約30mm，護板上有用于監測環氧樹脂注入過程和密實度的螺孔，完成注入用螺栓封堵。護板兩端有定位螺栓，調整護板與管道的同軸度。護板末端距離缺陷外側邊界不小于50mm，護板四周打磨出坡口，便于V型平焊連接。環氧填料在管道運行溫度范圍內不發生劣化，其熱膨脹系數和管材接近，固化后熱收縮性較低（固化收縮率小于0.23%）。液態環氧樹脂流動性較好，固化后韌性和粘接力極高（粘結強度和抗剪切強度高于20MPa，抗壓強度70MPa），可與管道協同變形并傳遞承載缺陷處應力。

圖1 鋼質環氧套筒示意圖

2 環氧鋼套筒工程應用情況

從2005年開始陜京管道、西氣東輸一線、二線和三線以及西南油氣田公司管道泄漏搶修作業應用該技術，管徑從406～1016mm，截至目前已在中石化、中石油完成三千處各類型缺陷修復。代表性產品例如四川科宏石油天然氣工程公司鋼質環氧套筒可用于管道運行壓力10MPa，最大管徑1620mm，研發高壓無氣注料設備，環氧樹脂注入量10kg/min，施工時間約3～4h，修復后缺陷點耐壓強度和力學性能穩定，避免空氣和氣泡混入，在-50～50℃環境溫度下均可進行施工。

管道企業應根據檢測和缺陷評價結論制定修復計劃，優先安排修復高風險缺陷。鋼質環氧套筒安裝管體溫度高于介質水露點3℃且不高于60℃，環境相對濕度不高于85%。修復前，管體表面用噴砂去除防腐層、鐵銹和腐蝕產物，管段超聲波檢測壁厚，噴砂處理表面達到Sa2.5級，缺陷處兩側10cm的防腐層噴砂至粗糙。套筒安裝采用機械輔助方式，套筒緊固從中間螺栓向兩側依次緊固。環氧填料固化后，用肖氏硬度計測試固化硬度不小于90HS，檢查無縫隙和氣泡缺陷。防腐層進行15kV電火花檢漏無漏點。

環氧鋼套筒作為一種非焊接修復技術，具有修復缺陷類型多、適用范圍廣等特點，包括內/外腐蝕、管材制造缺陷、施工機械損傷、軸向裂紋、鋼管直焊縫/螺旋焊縫缺陷和凹陷等。但鋼質環氧套筒不能用于環焊縫缺陷修復，目前只能選擇B型套筒、換管作為環焊縫缺陷修復的可選方法。早期研究一般通過靜水壓或者循環壓力測試結合應力數據分析，認為鋼質環氧套筒對未熔合環焊縫缺陷具有一定抑制效果（缺陷修復后軸向應力下降約38%）。為驗證鋼質環氧套筒在X80鋼級管道環焊縫缺陷修復的適用性，以管徑1016mm、壁厚15.3mm管件為例[3]，手動焊接環焊縫缺陷，分別研究內壓、波動壓力、內壓與彎曲聯合作用下的變形-破壞性能，鋼質環氧套筒降低內壓作用下環焊縫缺陷環向及軸向應力，其中套筒承受環向載荷應力水平高達47%；循環波動壓力下環焊縫缺陷處應力水平基本不變，套筒與管道協同受力穩定；在內壓和彎曲聯合作用下，管件失效形式為管材受拉力屈服后受壓區局部失穩破壞，且破壞位置不在已修復區域，相比未修復管道失效模式為焊縫斷面整體斷裂破壞，驗證鋼質環氧套筒可增強含環焊縫缺陷管道的極限承載力和抗彎曲變形能力。

該技術瓶頸問題是在高寒低溫環境管道缺陷修復中，常溫固化型填充樹脂材料固化周期較長、強度偏低、固化后熱膨脹性能與管材存在差異等。建議進一步開展特殊環境下（高寒、地質災害、水網、山區等）環氧鋼套筒修復技術。

3 環氧鋼套筒修復技術新進展

從20世紀70年代，國外開始研發鋼質環氧套筒修復技術，代表性是英國天然氣公司（BG）、美國Battelle公司和荷蘭Gasunie公司研發的產品，廣泛用于管道修復和泄漏搶修，產品使用壽命及長期整體性能已得到管道工程驗證。產品適用管道管徑100～1422mm，運行溫度范圍3～100℃，最大操作壓力10MPa。國外典型案例是Scandinavia煉油廠架空管道因熱應力發生腐蝕和磨損，由于介質易燃易爆且不能停輸，不具備在線焊接條件，采用環氧套筒修復。阿曼某石油管道修復中使用20m加長套筒（10個單個2m套筒焊接連接而成）。南歐管徑356mm管道一處曲率半徑12D彎管修復，通過制作4段斜插直型套筒經修整、配裝達到預期修復效果。

4 結語

目前針對鋼質環氧套筒修復技術的力學性能數學模型和承載力計算方法研究較為成熟，從環氧樹脂性能測試、施工工藝檢測和現場安裝工藝均已形成固定流程程序。隨著中俄東線大型天然氣管道建設，統計表明高鋼級管道失效和泄漏事故70%是由于環焊縫缺陷導致。目前環焊縫缺陷修復技術較為苛刻且存在諸多應用限制因素。含環焊縫缺陷X80管道修復補強機理和極限承載力需深入研究，未來應考慮管道實際受力特點（地質災害、高寒水網特殊地區），揭示在內壓和彎曲載荷作用下高鋼級管道受力-失穩-失效的演變機理。