應(yīng)急移動式輸油管道的失效形式以及修復(fù)補強方法的研究

麻士琦　張雨　崔虎　劉申武

摘 要：應(yīng)急移動式輸油管線與長輸原油管道不同，其靈活機動性強，且應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，常用于搶險救災(zāi)、野戰(zhàn)輸油。分析了移動式輸油管線的失效形式，并結(jié)合輸油管線的工作環(huán)境特點，對幾種常用的管道修復(fù)補強方法進行了對比，其中重點研究了碳纖維復(fù)合材料在管道修復(fù)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：移動式；輸油管道；失效；補強

1 概述

移動式輸油管線具有靈活機動性強、輸油量大等特點，常用于搶險救災(zāi)、野外作戰(zhàn)等特殊環(huán)境下的油料運輸。目前，我國有多種移動式輸油管線系統(tǒng)，其中主要是硬質(zhì)管線輸油系統(tǒng)。硬質(zhì)管線的材料為薄壁碳素鋼或低合金鋼，通過薄板卷壓成型，直縫焊接且內(nèi)外壁進行防腐處理。硬質(zhì)管線重量大，在鋪設(shè)時需耗費大量人力，且耐腐蝕性差，易出現(xiàn)焊接缺陷，在這種情況下，復(fù)合材料管線以其輕質(zhì)高強、高耐腐蝕性，可設(shè)計性強等特點備受青睞。[1]無論是硬質(zhì)輸油管線還是復(fù)合材料管線，隨著使用時間和強度的增強，管線上不可避免的會出現(xiàn)各種缺陷，對輸油作業(yè)產(chǎn)生安全隱患，一旦發(fā)生泄漏甚至斷裂，將造成嚴重后果。分析了移動式輸油管線常見的幾種失效形式，對不合格管線修復(fù)補強的方法進行了研究。

2 移動式輸油管線的工作環(huán)境

移動式輸油管線用于特殊環(huán)境下的應(yīng)急輸油，例如在野外作戰(zhàn)過程中，當供油中心或油庫發(fā)生故障時，為保證油料安全及時的輸送，常需要鋪設(shè)應(yīng)急供油管線。輸油管道每根長約6米，由車輛運送至鋪設(shè)地點，人力搬卸并將插管推入承管，隨地勢逐根鋪設(shè)。管線的鋪設(shè)地點大多是在野外，環(huán)境與地勢都較復(fù)雜，大多數(shù)情況直接暴露于大氣中，有時根據(jù)需要還要埋地，穿越河流。

3 移動式輸油管線失效形式

3.1 管線腐蝕

對于硬質(zhì)金屬管線來說，腐蝕是一個有待攻克的難題。移動式管線尤其是金屬管線的腐蝕主要來源于大氣腐蝕、土壤腐蝕以及自然水腐蝕，其中以大氣腐蝕為主，尤其在酸雨或者沿海地區(qū)腐蝕更為嚴重[2]。另外，由于鋪設(shè)過程中人為搬運，輸油管外壁上的防腐層由于磕碰極易被破壞，出現(xiàn)腐蝕凹坑等缺陷，使管壁局部變薄。在油料輸送過程中，管壁將受到壓力作用，當腐蝕凹坑達到一定深度超過某一臨界值時，就會導(dǎo)致管線破裂失效[3]。腐蝕凹坑的深度和長度是衡量管線腐蝕程度的主要參數(shù)。隨著腐蝕深度和長度的增加，輸油管線的承載能力也會越差。管線腐蝕是硬質(zhì)金屬管線常見的失效形式。

3.2 管線斷裂

管線的斷裂失效往往是由管壁上的裂紋缺陷引起的。當裂紋的尺寸逐漸變大從而發(fā)生失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致管道破裂。據(jù)統(tǒng)計，對于金屬管線，大多數(shù)的裂紋由焊接部位存在焊接缺陷引起的。因此，焊接部件在某種程度上決定了管線運行的安全性。焊接質(zhì)量對管線安全性的影響主要體現(xiàn)在：一方面由于焊接過程中加熱、冷卻不均勻，易在焊縫及周圍發(fā)生不同程度的變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象。另一方面，在焊接過程中，焊接區(qū)經(jīng)歷了特殊的熱過程，材料組織和力學(xué)性能極不均勻，很容易出現(xiàn)各種缺陷，降低了管線的承載能力和防腐蝕破裂能力。

4 管道的修復(fù)補強

在多種因素的影響下，如制造缺陷、環(huán)境腐蝕以及人為破壞等，輸油管道在運輸油料過程中面臨著泄漏、破裂等危險情況的發(fā)生。為了保證油料運輸?shù)陌踩?，實踐表明，需對管道進行檢測-評估-維修補強等作業(yè)。補強就是修補管道缺陷，補足強度。維修補強技術(shù)是延長管道壽命和提高管道安全性的重要保障措施。

4.1 管道修復(fù)補強的常用方法

常見的修復(fù)補強方法有三種：焊接補強、夾具補強和纖維復(fù)合材料補強。其中前兩者主要用于金屬輸油管，而纖維復(fù)合材料補強的方法既可以用于金屬輸油管也可以用于復(fù)合材料輸油管，近幾年被廣泛應(yīng)用。焊接補強就是用焊接的方法，將補強金屬焊在管壁缺陷處。對于深度較淺的單點缺陷常采用堆焊，小面積多點腐蝕采用打補丁，大面積缺陷則采用打套筒，這種方法的優(yōu)點是技術(shù)成熟，成本較低。缺點是易受焊接環(huán)境影響發(fā)生氫脆和冷脆現(xiàn)象；焊接時管道內(nèi)需要排空，影響正常輸送。夾具補強是利用夾具加緊的方式恢復(fù)管道強度。這種方法的優(yōu)點是不需要停輸，且不會像焊接法那樣出現(xiàn)氫脆等現(xiàn)象。缺點是成本高，施工過程較復(fù)雜，且不適用于大面積缺陷。纖維復(fù)合材料補強方法是在上世紀90年代以后逐漸發(fā)展起來的。最初纖維復(fù)合材料主要是用于建筑物補強和修復(fù)，90年代以前主要用于氣體輸送管線的修復(fù)。隨著新型復(fù)合材料的不斷研發(fā)，復(fù)合材料不但具有輕質(zhì)高強、加工性好、耐腐蝕性強等特點，還具有耐熱和導(dǎo)電性好的特性。復(fù)合材料在油料輸送方面開始大展身手。這種方法是利用專用樹脂將復(fù)合材料纖維纏繞在管壁缺陷處，達到恢復(fù)承載能力的目的。優(yōu)點是不需要停輸，無需焊接，且性價比高。

4.2 纖維復(fù)合材料補強

纖維復(fù)合材料補強所用的復(fù)合材料分兩種：玻璃纖維和碳纖維。兩者的區(qū)別在于玻璃纖維強度低于碳纖維復(fù)合材料，一般適用于壓強要求不高的情況。在施工方面，玻璃纖維一般使用干法纏繞，碳纖維復(fù)合材料則采用濕法纏繞，后者的施工工藝較簡單。另外碳纖維復(fù)合材料適用于環(huán)向和軸向組合鋪設(shè)，如此形成的補強結(jié)構(gòu)既可以承受軸向力也可以承受一定環(huán)向應(yīng)力。碳纖維復(fù)合材料這種交錯組合鋪設(shè)的方法使得整個鋪設(shè)層形成一個整體，更適用于大面積缺陷補強。

4.3 碳纖維復(fù)合材料補強的工作原理

當輸油管工作時，會受到徑向和環(huán)向壓力，管線缺陷處管壁較正常變薄，承受載荷的能力降低，當缺陷越來越嚴重時就會發(fā)生管壁破裂現(xiàn)象。碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補強技術(shù)分為3部分，專用修補劑、樹脂基碳纖維復(fù)合材料以及外保護層。在補強時，首先在缺陷處填補專用的修補劑，然后將碳纖維和環(huán)氧樹脂交叉鋪設(shè)在管壁上，使兩者粘結(jié)在一起，形成修復(fù)層。固化后的修復(fù)層具有較高的抗拉強度和彈性模量。將缺陷處填平并補強，限制了缺陷的膨脹變形，降低了缺陷處受到的拉伸變形，實現(xiàn)了對破損管道的修復(fù)補強。

5 結(jié)束語

提出了管道修復(fù)的重要性；分析了移動式輸油管線常見的失效形式，管道腐蝕和管道斷裂；對幾種常見的管道修復(fù)補強方法進行了對比，并重點介紹了碳纖維復(fù)合材料修補技術(shù)的優(yōu)勢及工作原理。對于移動式輸油管線，無論是金屬材質(zhì)管道還是復(fù)合材料管道，碳纖維補強技術(shù)相對于其他修補方法具有更好的適應(yīng)性和安全性。為今后類似問題的解決提供參考。

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