海底管道外腐蝕復合材料水下纏繞補強修復技術應用

劉 軍,張傳旭,曲 杰

(1. 天津市海底管道企業重點實驗室,天津 300452; 2. 海油發展海底管道安全服役保障技術重點實驗室,天津 300452; 3. 中海油(天津)管道工程技術有限公司,天津 300452; 4. 天津北海油人力資源咨詢服務有限公司,天津 300452)

0 引 言

隨著海上油氣資源產量的增長,海底管道作為油氣資源輸送的重要設施,其安全和可靠的服役將至關重要。由于海上服役環境比較惡劣,海底管道本身也會存在一定的缺陷,同時運行期間,還會存在第三方破壞、自然災害、海底管道服役期間的腐蝕等諸多因素,影響海底管道的運行壽命。其中,海底管道的腐蝕是影響海底管道可靠和安全運行的重要因素。一旦因腐蝕發生泄露、破裂,往往會造成巨大的經濟損失和嚴重的社會后果。據統計,自1995～2010年發生的28起海底管道事故(事件)中,最大因素(占47%)是腐蝕。如2007年潿洲某油田原油管道腐蝕,油田停產近200天;2007年東方某管線爆裂,氣田停產,致使下游化肥廠和居民用氣緊張,造成極其不良的社會影響。我國自1995年以來各種海底管道事故導致海洋石油產量損失累計達213萬噸,直接維修費用超過20億。因此,只有定期海底管道維修,保障海底管道的安全和可靠運行,才能保證油氣資源的開發。

管道的修復補強一般采用更換管道、焊接、管卡和復合材料等修復方法。管卡修復技術對管線形貌要求比較高,施工設備及工藝相對較復雜,并且施工費用高、效率低,僅適用于臨時搶修和大面積腐蝕修復。更換管段需要停產作業,相對成本較高、周期較長[1]。近些年,新材料、新技術、新產品在海洋領域的應用越來越廣泛,海底管道復合材料修復技術的關注度也越來越高。復合材料修復技術能夠在管道外形成補強層,分擔管道承受的載荷,降低管壁的應力應變,從而恢復和提高管道的承壓能力,起到修復效果,是目前最有應用前景的外腐蝕修復技術。

海底管道復合材料水下纏繞補強修復技術主要是針對節點和防水帽處腐蝕問題進行治理,利用高分子材料的耐蝕性、高強度、高模量、可設計性等優點,結合水下修復施工工藝,對節點腐蝕失效部位進行防腐修復。防腐層修復結構主要為:首先,鋼管基材腐蝕坑填充超級水下修補劑;同時,節點修復區域涂抹水下環氧黏接劑;其次,纏繞預浸漬水下專用繃帶;最后,使用張緊器纏繞復合增強繃帶。每道工序應該嚴格按照水下施工工藝施工,確保起到防腐、隔水、加強作用,保證節點修復結構完整性。

1 產品介紹

1.1 材料

海底管道復合材料水下纏繞補強修復技術中主要用到的材料如下:

(1) 超級水下修補劑:是一種由雙組分組成的環氧填料,能有效地將不規則部位的載荷轉移到表面(包括凹坑、空隙、腐蝕缺陷、凹痕等)的維修系統。

(2) 水下環氧黏接劑;是一種浸潤型高纖維增強型三聚合物,利用液態環氧樹脂、聚合物以及脂肪族多胺作為固化劑,使得水分得以析出。

(3) 水下專用繃帶;是一種獨特的預浸漬的雙向玻璃纖維復合材料,用于修復和加固管道或者結構的內部或外部的腐蝕。此產品確保了適當的纖維與樹脂含量比,使得該玻璃纖維系統性能更加可靠穩定。

(4) 復合增強繃帶:是一種混合碳纖維和玻璃纖維聚氨酯預浸漬系統,將碳纖維卓越的強度和堅韌完美結合,使用方便,是一種濕態固化、工廠預浸漬的雙向編制纖維。

1.2 材料性能

按照ASME PCC-2-2018標準非貫穿缺陷A進行了研究驗證[2],對海底管道復合材料水下纏繞補強修復技術中的試驗參數進行了試驗驗證,復合材料性能技術驗證研究已經在相關文獻中介紹[3、 4],試驗數據見表1、表2。

表1 復合材料性能試驗數據Tab.1 Composite performance test data

表2 復合材料修復層性能試驗數據Tab.2 Performance test data of composite repair layer

2 修復系統應用設計

2.1 修復層厚度計算

為了保證水下修復系統的可靠性和服役穩定性,先在陸地預制缺陷模擬補強修復;在陸地模擬修復層數能夠滿足補強要求后,再按照ASME PCC-2-2018標準和原管線實際參數進行校核修復層數。陸地模擬試驗用鋼管的管徑為168.3mm,原始壁厚為7.21mm,規定的最小屈服強度為305MPa,缺陷的長度為89mm,寬度為45mm,深度為5.76mm(即原始壁厚的80%)。為了判斷水下修復系統是否能夠滿足補強作用,首先需要知道修復鋼管初始狀態能夠承受的爆破壓力。根據下列公式計算出鋼管的爆破壓力:

(1)

式中,Pf為鋼管的爆破壓力,MPa;t為鋼管的原始壁厚,mm;Sa為鋼管的屈服應力,MPa;D為鋼管的外徑,mm。

依據公式(1)計算得出Pf=26.13MPa。標準DNV-RP-F101-2017中規定,腐蝕缺陷達到原始壁厚的80%海底管道就不能再繼續使用[5],因此,預制缺陷按照原始壁厚的80%來計算修復層厚度trepair。思路是用修復纏繞帶來補充缺陷的強度。根據下列公式計算處修復層的厚度[6]:

(2)

式中,trepair為修復層厚度,mm;Pf為鋼管的爆破壓力,MPa;D為鋼管的外徑,mm;Sa為鋼管的屈服應力,MPa;ts為鋼管缺陷預制后的剩余厚度,mm;sc為復合材料的拉伸強度,MPa。

根據公式(1)計算得出的Pf=26.13MPa,結合公式(2)計算得出trepair=4.775mm。另外,修復纏繞帶單層厚度為0.3556mm,計算得出修復層數為14層。另外,通過短期生存試驗得出14層修復厚度的爆破壓力為37.3MPa>26.13MPa,纏繞修復完成的鋼管如圖1所示。

圖1 纏繞修復樣管Fig.1 Winding repair steel pipe

2.2 修復系統驗證

2.2.1 原管道性能參數

根據海底管道的內檢測報告得出實際海底管道的腐蝕缺陷深度為77%壁厚。公式(2)計算得出的修復層數雖然通過了陸地短期生存能力試驗,但是,由于海上施工存在諸多不確定性因素,為保證水下施工能夠一次性成功,需要按照ASME PCC-2-2018標準401-3.4.3,結合海底管道實際參數,對修復系統復合材料性能進行修復層厚度、長度驗證。原管道性能參數如表3所示。

表3 原管道性能參數Tab.3 Original pipeline performance parameters

2.2.2 修復層厚度計算

按照ASME PCC-2-2018標準401-3.4.3,對海底管道修復層厚度進行驗證。根據公式(2)計算出最小修復層的厚度。

2.2.3 修復層軸向修復長度計算

除非可以證明較短的修復層長度就能滿足要求,否則需要計算修復層的長度,確保修復層長度能夠覆蓋缺陷區域。按照ASME PCC-2-2018標準401-3.4.8,計算修復層的軸向長度,修復層的重疊長度Lover和修復的總軸向長度L的計算公式為:

(3)

L=2Lover+Ldefect+2Ltaper

(4)

2.2.4 修復系統驗證

依據公式(3)和公式(4),結合海底管道參數和試驗數據,計算得出Lover=67.64mm;利用公式(2)和復合材料的檢測數據,計算得出修復層的最小修復層厚度trepair=5.414mm;再根據最小修復層厚度來計算修復層端部厚度逐漸減薄的長度Ltaper=27mm,最終的修復層長度也就能夠通過公式(4)得處,L=235mm。由于管道腐蝕發展已經達到鋼管壁厚的77%,所以通過計算公式可以得到Lovermin=32mm<45mm,因此Lovermin=45mm。參照ISO 24817-2017標準對修復系統進行驗證[7],得出如下結論:

(1) 最小修復層的重疊長度Lovermin=45mm<67.64mm,因此計算得到的L=235mm,符合要求。

(2)D/12=14.025,大于trepair=5.414mm,因此計算得到的修復層厚度trepair=5.414mm,符合要求。

(3) 陸地模擬試驗修復層厚度的爆破壓力是37.3MPa,按照計算的修復層厚度tmin=5.414mm可以得到爆破壓力為42.29MPa。考慮到目標管線的屈服強度是陸地試驗管線的1.47倍,可以得到修復后目標管線的爆破壓力大約在62.4MPa。根據公式(1)可以計算出海底管道的爆破壓力為46.52MPa<62.4MPa,因此,計算得出的tmin=5.414mm,n=16層,符合要求。

3 修復系統施工工藝

3.1 施工流程

實際工程應用過程中,施工工藝的可靠性是修復質量的關鍵環節。由于水下作業環境的特殊性,對施工工藝的要求就更為嚴格。水下潛水員需要嚴格按照培訓、陸地演示施工等規范操作。現場施工的具體施工步驟如下:

(1) 使用手持式氣動打磨機械,清除管道原涂層、疏松鐵銹、油漆和其他雜質。表面處理標準St3,鋼材表面會無可見的油脂、污垢、氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物,任何殘留的痕跡應僅是點狀或條紋狀的輕微色斑。

(2) 將配制好的超級水下修補劑涂抹到缺陷坑內,確保沒有氣泡,填補填料能起到載荷傳遞、修補凹陷的效果。輕輕抹刮,確保邊緣密封填平后,用砂紙或其他修磨工具,將凸起等影響施工的位置修磨成管道外形,圓滑過渡。

(3) 將水下環氧黏接劑均勻涂敷在修復打磨位置,采用刮板均勻涂敷,不允許出現漏涂、不均勻、氣泡等情況。

(4) 涂敷完成水下環氧黏接劑后,開始進行水下專用繃帶纏繞。首末端100%搭接,其余位置50%搭接,纏繞途中不得反向,纏繞過程中應確保無氣泡滯留在里面,起到密封作用。

(5) 在第三步施工完成后,開始進行復合增強繃帶的施工。施工步驟類似于水下專用繃帶。復合增強繃帶纏繞到設計層數后使用壓緊薄膜固定,并用工具在壓緊薄膜上扎孔,以便排出內層纏繞帶凝固過程中的多余水分及氣泡。待復合增強繃帶固化后,即可拆除壓緊薄膜(不拆也可),即完成復合材料水下施工修復。詳細施工步驟如圖2所示。

圖2 復合材料水下修復施工流程Fig.2 Construction process of composite underwater repair

3.2 可靠性分析

針對目標管線的缺陷類型以及管線參數進行了有限元的分析,目的是通過有限元建模分析缺陷管線修復后,復合材料修復層在設計壓力下的應力分布以及位移變化情況。詳細分析結果見圖3和圖4。

圖3 未修復的含腐蝕缺陷管道應力和位移計算結果Fig.3 Stress and displacement calculation results for unrepaired pipes with corrosion defects

圖4 修復的含腐蝕缺陷管道應力和位移計算結果Fig.4 Stress and displacement calculation results of repaired pipeline with corrosion defects

通過有限元模擬可以發現,未修復的含腐蝕缺陷的管道最大應力略高于修復后管道的最大應力,表明復合材料修復后能夠分散一定應力。同時,未修復的管道位移略大于修復后管道的位移,表明復合材料限制了管道缺陷處的彈性膨脹,從而相應降低了缺陷處的應力水平。因此,通過有限元分析可以發現,復合材料修復后能夠分散缺陷處的應力。

4 結 論

復合材料修復的目標管線通過兩次內檢測,結果顯示,腐蝕情況未進一步發展,同時目標管線的運行壓力和運行溫度也未出現較大波動,表明修復系統水下補強修復能夠達到補強作用,并且還能起到防腐效果。通過工程實踐,該修復技術能夠應用到海底管道的水下外腐蝕修復,同時也證明了修復系統的設計應用,水下補強修復施工工藝能夠滿足不同管線腐蝕余量下的補強修復。但是,隨著復合材料水下修復技術的不斷發展,對于海底管道的防腐、補強還是要不斷地深入研究。