海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)驗證與現(xiàn)場應(yīng)用

曲偉首，金 磊，曲 杰，劉 亮，張傳旭，王海鋒

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452

2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452

3.中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452

海底管道是海洋油氣開發(fā)過程中輸送油、氣、水的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。海底管道在服役運(yùn)行過程中可能會受到內(nèi)部流體介質(zhì)和外部環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，管道壁厚會均勻減薄或形成腐蝕坑、洞、槽等體積型缺陷，管道的承壓能力也會隨之降低。當(dāng)腐蝕發(fā)展到一定程度，海底管道的承壓能力低于運(yùn)行壓力時，海底管道就會發(fā)生破裂，進(jìn)而會引發(fā)輸送介質(zhì)泄漏等嚴(yán)重后果[3-4]。因此，對因存在外腐蝕缺陷而承壓能力不足的海底管道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，對于保障海底管道安全運(yùn)行、避免海底管道停產(chǎn)和維修更換、實現(xiàn)海洋油氣高效開發(fā)和降本增效具有十分重要的意義。管道纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)在陸地油氣管道中已經(jīng)得到廣泛研究和應(yīng)用[5-9]。然而，由于海底管道特殊的環(huán)境條件，此前該技術(shù)在國內(nèi)海底管道上尚無應(yīng)用。

某海底管道因內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)存在節(jié)點外腐蝕缺陷，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。由于水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)以前從未在國內(nèi)海底管道上應(yīng)用過，因此需要開展技術(shù)驗證研究，驗證原材料性能、水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工工藝和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果的可靠性和可行性，為該技術(shù)的現(xiàn)場實施提供數(shù)據(jù)和依據(jù)，最終實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用。

1 技術(shù)簡介

對于海底管道擬采用的水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)，首先需要精確定位海底管道外腐蝕缺陷，找到缺陷后剝離需修復(fù)區(qū)域的外防腐層，并對海底管道表面進(jìn)行清潔和打磨處理；然后對整個待修復(fù)區(qū)域先刮涂一層高導(dǎo)輸水黏結(jié)劑，再使用高固水水下修補(bǔ)劑填充腐蝕缺陷坑，將修補(bǔ)劑壓入腐蝕缺陷坑并將其抹平；最后使用加強(qiáng)纏繞帶裹覆修復(fù)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。該技術(shù)能夠同時達(dá)到隔離海底環(huán)境與海底管道外表面、有效控制海底管道外腐蝕缺陷發(fā)展、補(bǔ)強(qiáng)海底管道承壓能力的目的。

2 技術(shù)驗證研究

根據(jù)該海底管道擬采用的水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的特點，加強(qiáng)纏繞帶材料性能、黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度、水下施工工藝、補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后修復(fù)層的質(zhì)量是影響該技術(shù)最終應(yīng)用和實施效果的關(guān)鍵因素。因此，針對這些關(guān)鍵因素，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書進(jìn)行試制、施工和試驗檢測，對該技術(shù)進(jìn)行驗證。

2.1 加強(qiáng)纏繞帶材料性能試驗

按照ASTM D3039/D3039M-17標(biāo)準(zhǔn)，采用電子萬能材料試驗機(jī)、動態(tài)應(yīng)變電阻儀等對該項目擬使用的加強(qiáng)纏繞帶進(jìn)行材料性能試驗[11-12]；按照ASTM E831-19標(biāo)準(zhǔn)，采用熱機(jī)械分析儀測試其線性膨脹系數(shù)。除線性膨脹系數(shù)外，其余每個檢測項目在軸向和環(huán)向各取5個試樣進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 加強(qiáng)纏繞帶性能試驗結(jié)果

2.2 搭接強(qiáng)度試驗

按照ASTM D5868-01（2014） 標(biāo)準(zhǔn)，采用高低溫電子萬能材料試驗機(jī)對該項目擬使用的高導(dǎo)疏水黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接剪切黏合力（搭接強(qiáng)度）進(jìn)行試驗[13]。試驗件結(jié)構(gòu)如圖1所示，鋼板+高導(dǎo)疏水黏結(jié)劑+2層加強(qiáng)纏繞帶+高導(dǎo)疏水黏結(jié)劑+鋼板，鋼板尺寸為101.6 mm×25.4 mm，搭接區(qū)域尺寸為25.4 mm×25.4 mm。在水下環(huán)境制作5個試驗件進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。ASME PCC-2（2018）標(biāo)準(zhǔn)要求管道采用纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)時，黏結(jié)劑與鋼管和纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度應(yīng)不小于4 MPa[14]。因此，該海底管道擬采用的黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度滿足要求。

圖1 試驗件結(jié)構(gòu)

表2 黏結(jié)劑與鋼管和加強(qiáng)纏繞帶之間的搭接強(qiáng)度試驗結(jié)果

2.3 樣管水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工

為了驗證該海底管道擬采用的水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的水下施工工藝的可行性和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果，在陸地試驗水箱（如圖2所示）中嚴(yán)格按照水下施工程序和工藝對樣管進(jìn)行水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工，并對施工后的修復(fù)層性能和補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行試驗和檢測。

圖2 海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)陸地試驗水箱

樣管與擬修復(fù)海底管道的管徑、原始壁厚和鋼級強(qiáng)度一致（管徑168.3mm，原始壁厚為7.21mm，規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度為305 MPa）。樣管外表面上加工有一個外腐蝕缺陷，缺陷的長度為89mm、寬度為45 mm、深度為5.76 mm（即原始壁厚的80%）。根據(jù)ASME PCC-2（2018）標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果，樣管修復(fù)區(qū)域以缺陷為中心，軸向和環(huán)向的長度分別至少為2倍的缺陷長度和缺陷寬度，加強(qiáng)纏繞帶的纏繞層數(shù)為14層、總厚度為4.775 mm。

水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工程序為：缺陷定位→修復(fù)區(qū)域表面處理→黏結(jié)劑刮涂修復(fù)區(qū)域表面→修補(bǔ)劑填充腐蝕坑→纏繞帶裹覆纏繞修復(fù)區(qū)域→塑緊帶拉緊、打孔和固化→去除塑緊帶和固化面。

2.4 樣管修復(fù)層性能試驗

將完成水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工并浸泡7天的樣管取出，如圖3所示，進(jìn)行修復(fù)層性能試驗和檢測。

圖3 樣管

2.4.1 外觀檢查和空鼓檢測

通過目視檢查，修復(fù)層表面顏色均勻一致，不存在開裂、分層等現(xiàn)象；通過木棒敲擊修復(fù)層的聲音判斷修復(fù)層內(nèi)部無空鼓現(xiàn)象，有效黏結(jié)面積達(dá)到100%。修復(fù)層外觀檢查和空鼓檢測合格。

2.4.2 厚度檢測

采用涂層測厚儀對修復(fù)層厚度進(jìn)行測量，測量位置為修復(fù)區(qū)域中心并沿環(huán)向0點、3點、6點和9點共4個時鐘位置，每個位置測量5次，測量結(jié)果如表3所示。

表3 樣管修復(fù)層厚度測量結(jié)果

結(jié)果顯示：0點鐘方向的修復(fù)層厚度明顯高于其他位置，這是因為樣管的人造外腐蝕缺陷位于此位置；其他位置的厚度均在5 mm以上，大于施工工藝要求的4.775 mm。修復(fù)層厚度合格。

2.4.3 硬度檢測

采用D型邵氏硬度計對修復(fù)層硬度進(jìn)行測量，測量位置為修復(fù)區(qū)域中心并沿環(huán)向0點、3點、6點和9點共4個時鐘位置，每個位置測量5次，測量結(jié)果如表4所示。

表4 樣管修復(fù)層硬度測量結(jié)果

結(jié)果顯示：所有的D型邵氏硬度均大于70。ASME PCC-2（2018）標(biāo)準(zhǔn)要求，管道采用纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后修復(fù)層的D型邵氏硬度應(yīng)不小于70。修復(fù)層硬度合格。

2.4.4 承壓能力試驗

為了驗證樣管水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工后修復(fù)層承壓能力是否達(dá)到修復(fù)目標(biāo)，按照ASME PCC-2-2018標(biāo)準(zhǔn)，采用輸送鋼管靜水壓爆破試驗裝置系統(tǒng)進(jìn)行樣管修復(fù)層水壓爆破試驗。水壓試驗壓力Pf計算公式為：

式中：Pf為管道失效壓力，MPa；t為管道名義壁厚，mm；S為屈服強(qiáng)度，MPa；D為管道外徑，mm。

根據(jù)樣管實際數(shù)據(jù)，計算得到水壓試驗壓力Pf為26.13 MPa。水壓爆破試驗過程的壓力曲線如圖4所示。水壓爆破試驗過程中，先將樣管加壓至26.13 MPa，保壓30 s，樣管修復(fù)層未發(fā)生泄漏等失效現(xiàn)象，樣管修復(fù)層承壓能力合格。繼續(xù)加壓，當(dāng)壓力至37.3 MPa時，樣管修復(fù)層從缺陷處爆破。

圖4 樣管修復(fù)層水壓爆破試驗過程的壓力曲線

2.4.5 熱變形溫度試驗

按照ISO 75標(biāo)準(zhǔn)，從樣管修復(fù)層上取樣，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm[15-16]，采用熱變形維卡軟化溫度測試儀進(jìn)行熱變形溫度試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 樣管修復(fù)層熱變形溫度試驗結(jié)果

結(jié)果表明修復(fù)層的最低熱變形溫度為105.4℃，遠(yuǎn)大于該海底管道的運(yùn)行溫度（60℃左右），修復(fù)層熱變形性能合格。

2.4.6 壓縮模量試驗

按照ISO 14126：1999/Cor 1：2001標(biāo)準(zhǔn)，從樣管修復(fù)層上取樣，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm[17]，采用電子萬能材料試驗機(jī)和動態(tài)應(yīng)變電阻儀進(jìn)行壓縮模量檢測，修復(fù)層的壓縮模量達(dá)到12 900 MPa。該海底管道服役水深不足20 m，即使考慮到海底管道埋深的影響，修復(fù)層的壓縮性能仍然合格。

2.4.7 陰極剝離試驗

按照該海底管道涂層技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的陰極剝離試驗方法和要求，進(jìn)行修復(fù)層陰極剝離試驗。將樣管修復(fù)層加工成100 mm×100 mm×6 mm的試件，用平面銑刀在修復(fù)層正中心上鉆一個直徑為6 mm的孔，該孔深入鋼管的深度不超過0.5 mm。用密封膠將預(yù)制好的塑料圓筒與試件同心黏結(jié)，形成以試件為底的試驗槽，用3%的氯化鈉溶液填充。在整個陰極剝離試驗過程中，溶液溫度保持在（60±1）℃，pH值保持在6～8.5之間。一個輔助電極置于電解液中并遠(yuǎn)離測試孔，一個飽和甘汞參比電極（SCE）放置在距測試孔10 mm的電解液中。使用恒電位器將鋼管的電化學(xué)電位極化到（-1 500±10） mV（相對于SCE）。整個陰極剝離試驗過程中保持電位恒定。試驗結(jié)果如表6所示，海底管道涂層技術(shù)規(guī)格書要求涂層陰極剝離直徑應(yīng)不大于10 mm，樣管修復(fù)層3個試件的陰極剝離直徑均小于10 mm。樣管修復(fù)層陰極剝離試驗合格。

表6 樣管修復(fù)層陰極剝離試驗結(jié)果

3 現(xiàn)場實際施工應(yīng)用

上述技術(shù)驗證研究表明，該海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的原材料性能、黏結(jié)劑與鋼管和纏繞帶的搭接強(qiáng)度、水下施工工藝和補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后的修復(fù)層性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書的要求。中國船級社也現(xiàn)場見證了技術(shù)驗證研究過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并審查通過技術(shù)驗證報告。因此，該技術(shù)可以開展現(xiàn)場實際施工應(yīng)用。

該技術(shù)在現(xiàn)場實際應(yīng)用時，施工船將施工所需的機(jī)具、材料和施工人員運(yùn)至需要修復(fù)的海底管道外腐蝕缺陷位置附近的海域后，由潛水員下水定位找到需要修復(fù)的外腐蝕缺陷，然后按照水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工工藝進(jìn)行施工。

該海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)現(xiàn)場實際施工應(yīng)用過程中，水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工按照技術(shù)驗證中的樣管水下補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)工藝和工序進(jìn)行，施工過程順利，沒有遇到超出預(yù)期的問題。然而，水下準(zhǔn)確定位并找到需要修復(fù)的海底管道外腐蝕缺陷環(huán)節(jié)遭遇困難，這是陸地管道很少遇到的問題。前期海底管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)提供了需要補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的外腐蝕缺陷的位置信息，然而由于海底管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)和海底管道外勘察檢測數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)準(zhǔn)確匹配對齊，潛水員在水下探摸定位和尋找需修復(fù)的外腐蝕缺陷進(jìn)展緩慢，最后順著以前和此次施工海底管道外勘察檢測均探測到的裸露同一位置才定位找到需要修復(fù)的缺陷，耗費(fèi)大量時間，增加施工成本。盡管遇到海底管道外腐蝕缺陷精確定位的困難，最終仍如期完成了該海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)現(xiàn)場實際施工應(yīng)用，修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)效果良好。

4 結(jié)論

通過對海底管道水下纏繞帶補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的試驗檢測、試制驗證以及現(xiàn)場實際施工應(yīng)用，證明該技術(shù)可以用于海底管道外腐蝕缺陷的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。該技術(shù)在現(xiàn)場實際施工應(yīng)用過程中遇到了需修復(fù)缺陷難以精確定位的問題，有待進(jìn)一步研究更好的解決辦法。此外，該技術(shù)目前還需要潛水員進(jìn)行需修復(fù)缺陷的水下尋找定位以及執(zhí)行水下施工作業(yè)，因此該技術(shù)目前只能局限于潛水員可開展水下作業(yè)的淺水海底管道的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。海底管道外腐蝕缺陷水下精確定位技術(shù)與補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)設(shè)備/智能機(jī)器人的開發(fā)，應(yīng)是今后技術(shù)攻關(guān)研究的重點內(nèi)容之一。