SYT-《油气管道缺陷修复用环氧钢套筒编制说明》

《油气管道缺陷修复用环氧钢套筒》（征求意见稿）

编制说明

一、工作简要过程

1.任务来源

根据《国家能源局关于下达2023年能源领域行业标准制（修）订计划及英文版翻译出版计划的通知》（国能综

通科技〔2023〕××号）要求，石油天然气行业标准《油气管道缺陷修复用环氧钢套筒》以项目编号“能源2022×

×”下达。

2.起草单位及工作组成员

按照标准制、修订工作程序的要求，我们成立了标准项目起草工作组，其中中国石油集团工程材料研究院为项

目负责单位，国家管网集团西南管道有限责任公司、国家管网集团西部管道有限责任公司、国家石油天然气管网集

团有限公司西气东输分公司为项目参与单位。标准起草工作组成员包括任俊杰、王高峰、赵新伟、马卫锋、杨锋平、

张鸿博、贾鹏军和邓波等。

任俊杰等负责标准起草的全过程，王高峰和马卫锋负责涉及产品制造的部分内容，如设计、制造工艺和材料等，

杨锋平和贾鹏军负责涉及现场应用部分内容，如试验及检验、施工工艺等。

3.主要工作过程

本标准工作过程如下：

2022年10月至2023年3月，按照标准制、修订工作程序的要求，标准起草工作小组进行了实验验证、技术

指标研究及相关资料收集等工作，在此基础上完成了标准草案。2023年3月召开了标准工作组会议，对标准草案

进行了详细的讨论和修改，形成了本标准的征求意见稿。

二、行业标准编写原则和主要内容

环氧钢套筒修复技术由于无需动火、作业简便，不存在热操作的各种风险，近年来已在油气管道管体缺陷修复

中得到了大量应用，但是，目前国内外各公司针对各自产品的技术要求、施工规范均由产品供应商制定，没有统一

要求，引起修复质量和补强修复效果差别较大。特别是对于修复设计、间隙填充材料、钢质套筒安装使用等关键因

素，对最终质量影响极大。另外，由于复合材料填充于钢质套筒内部，修复后无法进行直接观察和测量，给在役管

道的安全运行和完整性管理又带来了新的难题。本标准结合实验验证数据、生产实际及现场应用情况，对油气管道

缺陷修复用环氧钢套筒设计、制造、材料及性能要求、几何尺寸公差范围、无损检测等进行了规定。

三、主要试验验证情况和预期达到的效果

(1)实验验证

项目组依托科研课题，实施了环氧钢套筒承载能力的系统研究，包括修复环焊缝缺陷的静态轴向承载能力、内

压+弯曲和内压+轴向载荷的承载能力研究、新型复合环氧钢套筒产品研发、修复效果全尺寸试验验证及产品的现场

应用，通过系列研究和试验验证，摸清了环氧钢套筒的承载能力及规律，掌握了其适用范围及关键技术参数，并通

过现场应用充分验证了其可靠性，为本标准的制定提供了可靠细致的技术依据。

1

1)环氧钢套筒修复环焊缝缺陷能力验证

进行了高钢级（X80）大口径管道环氧钢套筒的轴向承载能力试验验证。根据实验结果可知，主要有以下几点结

论：在没有环氧钢套筒补强修复的情况下，管道均由环焊缝薄弱部位泄露或起裂，有环氧钢套筒修复的钢管均起裂

于钢管管体。第一组试验表明，未修复的环焊缝裂纹缺陷沿环焊缝环向开裂，裂口张开明显；环氧套筒修复后的环

焊缝裂纹缺陷未发生泄漏，失效模式为管体轴向爆破。

i.环氧钢套筒的轴向承载能力验证

根据应变测试结果，分析应变量与时间、钢管应变与套筒应变、轴向应变和与环向应变之间的关系。

经过分析发现：

1)轴向应变环向应变共同的规律是：应变随着时间的增加阶梯型增加；

2)同一时刻钢管的环向应变比轴向应变大得多，套筒具有相同的规律性；

3)环氧套筒的一端轴向应变及环向应变比其它应变都大的多，其原因是钢管爆破位置距离该端较近；

4)结合压力曲线可知，环氧套筒在管道发生屈服之前，为管道分担的载荷十分有限，表现在12000s以前，

环氧套筒的轴向应变和环向应变极小，与管体比不在一个数量级。其原因是管体在屈服以前，内压作用

下膨胀量非常小，由于环氧树脂的压缩模量比钢管弹性模量小很多（为1/100），因此管体的应变传递不

到钢质套筒上。只有等管体发生屈服，钢管发生很大变形后，钢管的应变才能通过环氧树脂传递到钢质

套筒上，由套筒分担小部分载荷。从采集的应变数据看，钢质套筒在管体屈服至爆破之间，分担的应变

比例约为环向10%、轴向50%。

ii.有限元分析

选用通用有限元分析软件ANSYSWorkbench进行管线应力校核。本例采用建立的1:1比例实体模型，在调研所

得的参数条件下合理设置约束条件，从以下两个方面进行有限元分析：

1）计算无套筒修复情况下含缺陷环焊缝管线的应力分布，并获取其应力集中位置；

2）计算采用套筒修复情况下含缺陷环焊缝管线的应力分布，并获取其应力集中位置。

模型在机械制图软件Solidworks中建立，并在有限元分析软件ANSYSWorkbench中进行材料参数、边界条件设

定及网格划分后完成分析计算。

由计算结果可知，未修复环焊缝缺陷情况下管线应力最大值为520.59MPa，位于环焊缝缺陷根部。进行套筒修

复后，结构的最大应力值为508.38MPa，最大应力值位于模型端部；因端部为整个结构的约束面，存在端部效应，

故分析时应剔除。其余部分管道和环焊缝结构上最大应力值为436.15MPa，位于套筒边缘部位的管道内壁。

为获得钢质环氧套筒对X80管道环焊缝缺陷的修复补强效果，采用ANSYS软件建立了含环焊缝缺陷X80管道

及钢质环氧套筒补强管道的非线性有限元模型，并将模拟结果与试验结果对比，验证了模型的准确性和适用性。有

限元分析结果表明，仅内压单独作用钢质环氧套筒对环焊缝缺陷X80管道具有明显的补强作用，仅弯矩单独作用时，

钢质环氧套筒对环焊缝缺陷X80管道同一截面不同位置具有不同的补强作用，内压和弯矩组合作用时，内压作用使

得钢质环氧套筒与管道能够更加紧密地协调工作，套筒对环向和轴向应力的补强作用明显高于弯矩单独作用，钢质

环氧套筒对含环焊缝缺陷X80管道在不同外载荷及其组合作用下对不同应力具有不同的补强作用。研究结果可为钢

质环氧套筒对内压、弯矩单独和组合作用下含环焊缝缺陷X80管道的修复补强提供参考。

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(2)环氧套筒修复大口径干线管道效果验证研究

1)主要研究内容

（1）实物管道内压+四点弯曲载荷试验：采用大口径1016mmX70的输送钢管，预制同样长度和深度的环焊缝缺陷，

使一根管段不做任何修复、另一根管段采用钢制环氧套筒与碳纤维补强相结合的修复方式，施加内压+四点弯曲载荷。

对比两次试验结果，建立破断载荷及弯矩、载荷-曲率、载荷-应变、曲率-应变的关系等。

（2）实物管道内压+轴向拉伸载荷试验：采用大口径1016mmX70的输送钢管，预制同样长度和深度的环焊缝缺陷，

使一根管段不做任何修复、另一根管段采用钢制环氧套筒与碳纤维补强相结合的修复方式，施加内压+轴向载荷。对

比两次试验结果，建立载荷-位移、载荷-应变、位移-应变的关系等。

2)环氧钢套筒内压+四点弯曲承载能力研究

采用2根Φ1016mmX70的输送钢管，预制同样长度和深度的环焊缝缺陷，弯曲1-1试样不做修复，弯曲1-2试

样采用钢制环氧套筒与碳纤维补强修复，在四点弯曲试验机上进行了10MPa内压+四点弯曲载荷试验，试验过程采

集了载荷、弯矩、曲率、应变等数据。

试验结果表明，加套筒后抗弯曲载荷能力得到提升；加套筒后失效时的弯曲挠度增大；加套筒后裂纹尖端应变

减小；加套筒后0点和6点位置套筒承担了一定应变载荷。在没有环氧钢套筒补强修复的情况下爆破威力巨大，整

圈环焊缝沿人工预制裂纹瞬间起裂，断口为脆性断裂，有环氧钢套筒修复的钢管爆破威力较小。经环氧套筒修复后

的试验管段抗弯曲性能得到明显提升。

3)环氧钢套筒内压+轴向拉伸承载能力研究

采用2根Φ1016mmX70的输送钢管，预制同样长度和深度的环焊缝缺陷，拉伸2-1试样不做修复，拉伸2-2试

样采用钢制环氧套筒与碳纤维补强修复，在拉伸试验机上进行了10MPa内压+轴向拉伸载荷试验，试验过程采集了

载荷、位移、应变等数据。

结果表明，加套筒后抗拉伸载荷能力得到提升；加套筒后试验结束时的管道轴向位移增大；加套筒后裂纹尖端

应变减小；加套筒后0点和6点位置套筒承担了一定应变载荷。不带套筒试验失效起裂位置为人工预制裂纹部位，

失效现象为雾状刺漏，没有明显的爆破振动，带套筒试验拉伸至设备能力极限，因设备能力的限制，未出现失效。

在设备能力的最大值保持30min后卸载。从本次试验数据可以得出经环氧套筒修复后的试验管段抗拉伸载荷性能得

到明显提升。

4)主要研究结果

1)在没有环氧钢套筒补强修复的情况下，管道在内压+弯曲载荷下失效均由环焊缝薄弱部位（人工裂纹处）

泄露或起裂，整圈环焊缝沿人工预制裂纹瞬间起裂，断口为脆性断裂，有环氧钢套筒修复的钢管爆破威

力较小。经环氧套筒修复后的试验管段抗弯曲性能得到明显提升。试验数据显示带套筒试样的抗弯曲载

荷能力提升47.60%。

2)在内压+轴向拉伸在核心，不带套筒试验失效起裂位置为人工预制裂纹部位，失效现象为雾状刺漏，没有

明显的爆破振动，带套筒试验拉伸至设备能力极限，因设备能力的限制，未出现失效。在设备能力的最

大值保持30min后卸载。经环氧套筒修复后的试验管段抗拉伸载荷性能得到明显提升。试验数据显示带

套筒试样的抗拉伸载荷能力提升至少32.32%。

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(3)新型复合环氧钢套筒产品设计及材料性能研究

依托国家重点研发计划、中石油股份公司科技开发项目，历史5年，攻克了新型复合环氧钢套筒的设计、材料

及安装施工关键技术，包括：

a)设计：通过对关键参数的理论计算，探索出环氧钢套筒的关键设计参数和适用范围

b)验证：通过全尺寸静水压及外载模拟试验，验证了修复可靠性及多工况下修复效果

c)安装：通过安装试验研究，获取了关键步骤的技术指标，并进行了全尺寸试验验证

目前，产品已在长庆油田成功应用3年。

1)研究内容

（1）环氧钢套筒填充胶粘剂配方及制备工艺研究；

a）填充胶粘剂配方研制。包括专用树脂、各种颜填料及有机溶剂的选择及配比，并给出明确配方比例。

b）填充胶粘剂的制备及性能试验。包括制备工艺和流程参数及固化后强度、基本物性参数的检测。

（2）环氧钢套筒修复环焊缝缺陷可靠性全尺寸实物试验研究；

a）全尺寸模拟修复。包括缺陷模拟和全尺寸修复。

b）全尺寸水压爆破试验。

（3）环氧钢套筒修复环焊缝缺陷施工技术标准编制。

2)方案设计

环氧钢套筒修复用胶粘剂及施工工艺研究是综合性的工程系统，包括修复表面处理、填充材料、两端密封材料

和相应施工工艺。

3)材料研制及性能测试

1）纤维布选取及填充胶粘剂

采用了双向玻璃纤维布，它与普通玻璃纤维布相比，优点是没有纤维交叉编织使纤维弯曲变形，因此受力情况

好，易渗胶。

2）胶粘剂复合材料性能测试

为验证填充胶粘剂与双向纤维布之间的浸润渗透性能和复合后力学性能，项目组制作了真空固化复合材料板材。

综合比较填料环氧胶填充材料和GFRP填充材料为钢套筒修复填充材料可见，GFRP提高填料材料力学性能数倍，而

两者施工工艺基本一致。

4)新型复合环氧钢套筒全尺寸实物修复及验证试验研究

i.全尺寸模拟修复

1）待修复管道

为验证上述胶粘剂和快速密封胶的填充性能和含复合材料环氧钢套筒修复效果。项目组进行实物注胶工艺试验，

选用管段为甲方提供，管段及缺陷信息如表1所示。

表1试验用管信息

外径×壁厚长度

材质预制缺陷制造标准

（mm）（m）

4

环向刻槽缺陷，长度1/3周长，

L245M273×5.63GB/T9711-2011

深度2/3壁厚

2）修复流程

管道缺陷环氧钢套筒注胶工艺流程如下：缺陷钢管缺陷两端各750mm处钢套内表面处理钢套上安装抽真空接

头、进胶接头、真空观察螺钉、定位螺栓钢管缠绕玻纤布钢套螺栓连接处贴真空密封胶带将两半钢套合拢

调节定位螺栓至所需尺寸逐步拧紧螺栓连接抽真空系统连接注胶系统抽真空至稳定配胶搅拌均匀，倒入胶

槽中开始注胶（保持真空），观察有胶至真空导管内有一定高度关闭注胶阀门和停止抽真空固化。

3）修复过程

实物注胶工艺试验现场照片如图所示。整个施工过程约6个小时，注胶过程控制在30min之内，抽真空至稳定

后，之后进行灌注。为确保填充胶粘剂固化性能良好，采用加热带进行加热固化8小时。

ii.全尺寸水压爆破试验

含纤维复合材料环氧钢套筒修复固化完成后，进行了全尺寸水压爆破验证试验。水压爆破加压方案如表2所示。

修复后管道在设计压力和1.25倍设计压力下保压各1小时，加压曲线稳定，无泄漏微漏现象发生，最终爆破压力为

18.6MPa（理论爆破压力为17MPa）。

表2试样升压、保压测试方案

步骤内容稳压时间备注

10.8倍设计压力10分钟现场运行压力

2设计压力1小时验证修复可靠性

31.25倍设计压力1小时验证修复安全系数

4升压直至爆破/是否恢复管道承压能力

图1爆破后试样照片

iii.产品质量验证

为验证填充浸渍效果进行了破坏性试验，结果表明，灌注胶粘剂填充完全无空腔、空鼓等缺陷，间隙填充良好

无空鼓，与管体表面粘结力良好，表明新型真空浸渍复合环氧钢套筒施工工艺满足工程需求。

5)小结

完成了Φ273mm管道含缺陷环氧钢套筒注胶工艺参数和修复试验（含注胶所有专用设备及辅助工具），并满足了

水压承压试验要求。修复后管道在设计压力和1.25倍设计压力下保压各1小时，加压曲线稳定，无泄漏微漏现象发

生，最终爆破压力为18.6MPa（理论爆破压力为17MPa）。

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(4)现场应用

产品已在长庆油田成功应用3年。

图22019年长庆油田现场应用

图3长庆油田应用证明

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(5)预期达到的效果

1)经济效益

目前环氧钢套筒已在国内广泛应用，服役年限超过10年，年应用量超过200处，且应用的管道缺陷均为相比复

合材料更严重的管体缺陷，此外，也存在大量应用于环焊缝缺陷的情况，这些应用环境多为不能及时进行换管或者

焊接修复（B型套筒）的干线管，直接关乎管道使用企业的保供和安全生产，一旦修复效果不能保证导致管道泄漏

事故，带来的降压、停产、放空和换管的经济损失巨大，以一处缺陷事故1000万的直接经济损失、年失效率达到10%

计算，仅直接经济损失2亿。此外，管道缺陷导致的事故还可能引起人员伤亡，对社会经济造成的潜在经济损失无

法估量。因此本标准规范在避免管道事故方面的直接和间接经济效益特别显著。

在充分规范环氧钢套筒产品、保证应用效果的情况下，可以进一步推广其应用范围和应用量，保守预期未来10

年应用量翻3倍达到600处/年，以20万/处的成本计算，可以为环氧钢套筒的生产制造安装行业带来年1.2亿的市场

规模，经济效益显著。

2)社会效益

随着我国油气管道建设里程和服役年限的增长，因腐蚀、第三方损坏等原因导致的管体缺陷呈增长趋势，缺陷

修复成为保持管道完整性的关键工作之一。据统计，在常用的管道修复方式中，复合材料、B型套筒和环氧钢套筒

分别占到了40%、32%和19%，相比B型套筒等焊接修复，环氧钢套筒修复具有无需焊接、无需停输、可修复缺陷

类型多、耐老化、承载能力强等优点，是最主要的非动火修复手段之一；相比复合材料修复，能够修复的缺陷类型

更多，例如环焊缝上的应力集中凹陷、屈区、褶皱。目前，环氧钢套筒已在国内广泛应用。但是，目前工程上应用

的钢质环氧套筒