【《天然气长输管道维修补强工艺技术研究》8400字（论文）】

I天然气长输管道维修补强工艺技术研究摘要我国的油气资源分布不太均衡，东部地区的油气资源储量较少，西部的油气资源储量较为丰富，为了满足东部地区居民对油气资源的利用，就需要开展西气东输的工程，管道运输就是油气资源运输的主要方式。长输管道在天然气的运输中应用相当重要，但其在布设的过程中会与其他施工存在交叉，安全风险较大，而且受到油气资源等的腐蚀作用以及外部自然环境的影响，长输管道很容易出现破损和穿孔，进而引发油气泄露和爆炸的问题，因此，需要对管道采取维修补强措施。本文主要以中石化在川西的某一输气管道为例，分析维复合维修补强技术在其中给的应用，并指出应用的工艺和方法，最后对取得的经济效益给出评价。关键词：天然气；长输管道；维护加固；玻璃纤维增强技术目录TOC\o"1-3"\h\u23251第1章前言 112732第2章天然气长输管道相关理论概述 2222552.1天然气长输管道的概念与特点 212152.2天然气长输管道的施工 244862.3天然气长输管道的等级划分 37488第3章国内天然气长输管道的维修补强的主要方法 4178763.1焊接修复方法 47733.2夹具类型维修补强方法 461693.3纤维复合材料类型维修补强技术 524213第4章中石化输气管道纤维复合材料类型维修补强技术具体应用 7304344.1中石化输气管道腐蚀状况分析 7132914.2玻璃纤维复合维修补强技术简介 7203424.3玻璃纤维复合维修补强材料的厚度和层数计算 860384.4设计修复工艺流程 9304334.4.1制定修复方案 9230844.4.2明确修复作业流程 9297544.4.3采取的修复施工方法 9173964.5修复作业过程 11322654.5.1现场开挖 1128634.5.2管体表面预处理 11194564.5.3填料的配置及涂覆 11167524.5.4补强 12100874.5.5保温固化 1263644.5.5防腐 1214306第5章结论 1410318参考文献 15第1章前言管道运输是油气生产中非常重要的内容，其质量的高低几乎关系到油气工业的可持续发展，随着我国油气工程的不断发展，管道运输也开始被重视起来，油气管道也开始覆盖在我国陆地下、大洋底。目前，世界上80%的石油输管线和95%以上的天然气管线都是通过管线输送来实现的。通过石油管道的输送，为国内石油和天然气的开发提供了便利，迄今为止已经有一百多年的历史，如今已成为我国武大运输方式之一。在石油天然气输送中，长输管线是一个十分关键的环节，其与公路、铁路、桥梁、河流、光缆、电缆的施工存在交叉，施工的安全性受到了极大的影响，若有管理不到位、监督不到位、施工方法不当等问题，将会进一步降低天然气运输的安全性。天然气本身是一种易燃、易爆的物质，会造成管线的化学或电的侵蚀。而在我国，由于环境因素的作用，比如风化、酸雨等，如果长时间处于这种高压、在高温、高湿度条件下，长距离输送管线容易出现破损、穿孔等问题，严重影响了管线的正常使用，造成石油天然气的泄露，从而引发中毒、爆炸或火灾等严重的危害。要保证石油和天然气的安全输送，提高天然气管线的使用年限，必须对有问题的管线进行强化处理。由于传统的焊补工艺对操作的高技术要求和对明火的使用，在使用过程中若有电弧穿过管子，很容易引起管路中的液体泄露，从而导致管路发生爆炸，从而致使巨大的经济损害。所以，寻找一种高效、高效的管线维修技术来保证管线的安全运行是非常有意义的。文章以中石化和中石油天然气管道为实例，从介绍管道的基础理论出发，对StrongPipe管道修复加固技术进行了实践，并对其应用结果进行了评估。

第2章天然气长输管道相关理论概述2.1天然气长输管道的概念与特点长距离输送管道（简称“长输管道”）是指产地、储存库、使用单位间的用于输送商品介质(油、气等)，并跨省、市，穿、跨越(江河、道路等)，中间有加压泵站的长距离(一般大于50KM)管道。这种管道方便将液体或气体从供应方输送到远方的用户。长输管道主要由站场((Stations)和线路(Pipeline)两部分组成。为了保障天然气的安全运输，长输管道运输会给予输送介质一定的动能和热能，从而设置了首站、加压站、加热站、分输站、计量站、清管站和末站等站场。天然气、煤气等气化产品都可以通过长输管道运输，长输管道的特点如下：（1）每隔一定距离设有为减少事故危害、便于抢修、可紧急关闭的若干截断阀室，以及阴极保护站等。（2）长输管道的地理跨度较大，站场及管道分散；（3）长输管道设备操作相对简单，站场间具有相似性，调节时间要求低；（4）可靠性较高，要求有故障检测功能等。（5）输送介质较为单一，工艺流程比较简单，输送距离长，管径大，输送压力高，输送量大等。2.2天然气长输管道的施工天然气长输管道的施工应符合如下要求：①输气管道应采取埋地方式敷设，特殊地段也采用土堤、地面等形式敷设。②埋地管道覆土层最小厚度应符合施下表规定。在不能满足要求的覆土厚度或外荷载过大、外部作业可能危及管道之处，均应采取保护措施。表2-1最小覆土层厚度m地区等级土壤类岩石类地区等级土壤类岩石类旱地水田旱地水田一级一级二级二级③输气管道出土端及弯头两侧，回填时应分层夯实。④当管沟纵坡较大时，应根据土壤的性质，采取防}卜回填土下滑措施。⑤在沼泽、水网(含水田)地区的管道，当覆土层不足以克服管子浮力时，应采取措施。⑥当输气管道采用土堤埋设时，土堤深度和顶部宽度，应根据地形、工程地质、水文地质、土壤类别及性质确定，并应符合下列规定。a.管道在土堤中的覆土厚度不应小于0.6m，土堤顶部宽度应大于管道直径2倍且不得小于0.5m。b.土堤的边坡坡度，应根据土壤类别和土堤的高度确定。c.当地表水和地下水存在泄流问题时，需要安装泄水设施，并按照25年一遇的洪水量设计其泄水能力，防止水流冲刷土堤。d.回填土堤的土需要具备相似的透水性。e.清除土堤基底表面的植被应。⑦输气管跨越道路、铁路的净空高度应符合表2-2的规定。表2-2输气管跨越道路、铁路的净空高度m道路类型净空高度//m道路类型净空高度//m人行道2.2铁路6.0公路5.5电气化铁路11.02.3天然气长输管道的等级划分按照《压力管道安全管理与监察规定》的规定，天然气长输管道分为分成GA1、GA2两级。1、GA1级（1）输送有毒、可燃、易爆气体介质。设计压力P>1.6MPa的管道。（2）输送有毒、可燃、易爆气体介质。直接输送距离(指产地、储存库、用户间)大于等于200km。且管道公称直径D>300~的管道。（3）输送浆体介质。输送距离大于等于50km。且管道公称直径D>150~的管道。2、GA2级（1）输送有毒、可燃、易爆气体介质。设计压力P<1.6MPa的管道。（2）GA2级2)范围以外的管道。（3）GA2级3)范围以外的管道。

第3章国内天然气长输管道的维修补强的主要方法3.1焊接修复方法所谓的焊接补强技术，其实就是通过对管线进行焊接和强化，对已经发生腐蚀的管线进行金属的焊接，从而保证管线原有的强度。在修理和修补工艺中，使用最多的是堆焊法。该方法是对管线中存在较小的缺陷进行加固，并取得了较好的结果；而采用修补法进行强力修补，则是对管线中被侵蚀的单一部位进行加固修补，以保证管线本身的强度，保证管线的安全。对大口径的管件，采用套管法进行强修补，这种焊法的加固维护成本更低廉。一般情况下，焊接修补方法主要有以下几种：1、堆焊。一般用于单点缺陷，这类缺陷为金属损失量不大，方便焊接。2、打补丁。对于小型、多处的腐蚀，应采用泄压停气使其压降低至原设计压力的三分之一，以保证检修工作的顺利进行。但很容易引发氢脆事故的发生。3、打套筒。该方法对于管体大面积腐蚀的情况较为适用，施工时也需要就行降压处理，降压方式与打补丁的降压方式类似，但不应在湿度较大和气温较低的环境中进行，也很容易导致引发氢脆事故的发生。这三种维修技术在美国及欧洲都是被严令禁止的。图2-1焊接修复展示图3.2夹具类型维修补强方法夹具装置的维护和加固是利用机械固定装置修复管线的使用寿命。它的优势在于无需在使用中的管道上进行直接的焊缝，从而可以防止发生氢脆、冷脆等危险，但其施工设备及施工技术相对比较繁琐，造价也比较高。1、该夹具装置适合于石油和天然气管道的紧急维修因为它的成本很高，尤其是当天然气管道出现泄漏的时候，需要将管道中的气压降低到管道的三分之一，可以在下列情况中可以考虑采用该方法：2、管道机械损坏，例如，在确定没有裂缝时，才可以采用。3、管道单点处的锈蚀明显，大于管道的壁厚2~3倍。4、管道的临时性修理与维护这种工艺是在套管技术上进行了改良，其关键在于在套管中留有足够的间隙以充填环氧胶，然后通过环氧胶将压力传给套管。3.3纤维复合材料类型维修补强技术采用纤维复合材料修补技术，以高强度的光纤材料为基体，在服役管线外侧涂敷一种复合材料进行修补，从而达到恢复管线使用寿命的目的。其特点是无需在使用管线上进行焊接，可防止发生氢脆、冷脆等危险事件。这一维修补强技术诞生于1990年，其最初在钢制管道的维修补强中被利用，其使用的纤维材料有很高的强度，使用该材料补强后，利用粘结树脂包覆在缺陷管道外面，从而使得缺陷管道的强度得到恢复，这一技术的使用，可以避免焊接修复等方式带来的氢脆、冷脆等问题的发生，它所带来的维修补强费用是介于焊接与夹具维修方法间最划算的，从而在国外得到了广泛的利用。本文介绍的碳纤维增强工艺的主要特征如下：（1）能够使钢管的变形得到高效的调整；（2）碳素的大量形变；（3）具有较高的弹性系数，能够与高粘性的树脂结合，对环形和螺旋焊接进行强化；（4）由于具有较高的柔性，湿法包覆碳纤维板在焊缝残高、错边严重的螺旋、环形焊缝中得到了广泛的使用，同时也便于操作。（5）增强层的厚度不会增大，并且能够保持较久的不变化状态。（6）碳纤维复合材料的铺层可以在轴向上进行，也可以采用环状或交错排列的方法，能够较好地解决沿轴向大范围腐蚀的问题。（7）该加固技术还可应用于环形和螺旋焊缝的裂纹缺陷。1、纤维复合材料维修补强原理复合材料修补技术是利用复合修补材料与强力胶、填料等组成的复合修补层，将其包裹在破损的管壁上，并将其应力传递至修补层，从而保证了管线的安全。2、纤维复合材料修复技术路线选择复合材料修理技术可划分为湿包覆复合维护技术与预成形复合修复技术，两者在结构和装配技术方面有以下不同之处：复合材料湿包覆技术是工人将玻璃钢切割成薄片，然后就地与环氧复合。而在混合工艺中，作业者的技术水平、工作人员的责任心、工作环境等都会对其产生一定的作用。即使是同样出色的工人，第一次和第二次使用，效果也是天差地别。由于施工中存在着树脂饱和度、玻璃纤维与树脂的比例、维护层强度的一致性、玻璃纤维受压方向的调整以及施工环境的不同等因素。而预制法的复合材料维护工艺则是通过采用电子级单纤和乙烯基树脂等原料，在工厂内进行各种工艺参数的综合处理，并对各因素进行了严密的监控。现场的安装很容易，只要稍微训练一下就可以进行现场的施工。具有较好的弹性，在安装时不会受到外界的影响。对于纤维复合物的修补，符合材料全新状态下的抗拉伸强度必须大于310MPa，杨氏弹性模量应大于3.4×104MPa，并通过权威部门长期可靠的工程测试和分析，安装质量一致性好，常温下材料固化时间小于等于3h。

第4章中石化输气管道纤维复合材料类型维修补强技术具体应用4.1中石化输气管道腐蚀状况分析中国石油化工股份有限公司西南油气分公司现已在川西地区铺设了直径达2000多公里的各类集输管道，包括Φ89-Φ377、Φ89、Φ377等，并在川西地区建立了一套由11个气田组成的复合集输管网体系，在该工程中，Φ159及以下的天然气管线1075多千米，采用大直径输气管，系统工作压力为0.2~1.3MPa，设计压力4MPa。川西天然气管道主要干线为：金青、新青、黄金管线等。当管线在铺设后，因水、氧气、酸性化合物等多种介质的作用而引起的一系列的腐蚀，通常是指在潮湿的环境下，在潮湿的环境中所产生的电化学反应。但在施工中，因施工场地、环境温度、施工工艺等因素的影响，导致施工中管线的保护效果不能得到完全的保障。由此认为，长距离石油天然气管线的腐蚀是由于工程质量问题以及长时间使用后的耐蚀性物质的破坏所致。4.2玻璃纤维复合维修补强技术简介本文选择的是StrongPipe管道复合补强修复技术，该技术最早用于航天科技及军事工业领域，这一技术就是利用高强度的碳纤维布、粘胶、填料及固化剂等材料对管道进行维修补强，适用于各种有缺陷的金属管道，而且修复具备永久性，维修的过程中更不用停止输送天然气，从而不会影响到用户的正常用气，还会节省补强修复中的人力、物力、财力。但不适合于直接维修，对于弯头、T型接头、变径管和其他形状零件比较适用，具有其他修复补强技术无法比拟的优点。该技术的适用范围如下：a<80%的直管段腐蚀缺陷补强修复。b<80%的弯头、三通、变径管腐蚀缺陷补强修复。c<40%的机械损伤缺陷补强修复。d金属结构补强修复。补强材料的技术指标如下表3-1所示。

表3-1玻璃纤维复合补强材料技术指标项目性能指标遵循的标准产品组成300mm×50m高强单向布，AB组份粘胶，高强度填料，安装工具包ISO24817压力范围≥25MPa温度范围-30℃-150℃抗拉伸强度≥2200MpaCB50367-2006弹性模量≥100GPaCB50367-2006层间剪切强度≥40MPaCB50367-2006弯曲强)变≥600MPaCB50367-2006伸长率≥3.2%CB50367-2006电阻率≥1×109Ω/cm2GB/T15738填料抗拉强度>55MPaGB/T2569固化时间5-8h(23℃)4.3玻璃纤维复合维修补强材料的厚度和层数计算根据待补强管道的实际情况，采取“壁厚强度等效”的方法对普通腐蚀缺陷进行补强修复设计，也就是根据强度等效的原理，将1毫米厚的钢管的壁厚转换为相当于玻璃钢的厚度。在此基础上，根据钢结构的设计需要，对FRP的加固层和加厚进行了计算：δ=σs×1mm其中：δ表示：玻璃纤维复合材料的整体厚度为1毫米厚的钢管。σs表示：损坏管子的屈折强度。（参考不同材料的最小屈服极限值）σt表示：所选择的加固材料的抗张能力。（按照加固材料的技术要求，最大值为2200MPa）在确定加固体的整体厚度后，再进行FRP加固所需的层数。若要提高其等值壁厚度，应将其等值壁厚度提高至原来的8s，以满足其残余壁厚度，所需的等值壁厚度为（8s-8y)毫米，那么，所述的玻璃纤维增强层N是：N=(δ表示：玻璃纤维复合材料的整体厚度为1毫米厚的钢管。δs−δy表示：所需的等值壁厚度。注明：玻璃纤维布的单层厚度为0.4毫米，N值向上取整。4.4设计修复工艺流程4.4.1制定修复方案首先要对被修理的管线进行采集，并将其各项性能指标进行详细的记载，例如管子材料、管子的设计厚度、管子直径、破损部位的残余壁厚等。在施工完毕后，按管线不同的工艺条件，采用加固层的厚度。对补强管道所需缠绕玻璃纤维的补强材料层数进行了计算。再决定计划，尤其是要注意复合材料在缺陷处所占管道残余壁厚总和的承压能力，至少要与原壁厚管道相当。4.4.2明确修复作业流程通过玻璃纤维材料补强的修复作业流程图图3-1通过玻璃纤维材料补强的修复作业流程图4.4.3采取的修复施工方法（1）缺陷评价依据基坑校核的需求，通过内部校核机构所提交的资料，进行基坑校核评估。通过野外手工测量，对缺陷的深度、长度、宽度、时钟位置、内外腐蚀等关键缺陷的特点进行测量和拍照，为后续的检验评估工作奠定了科学依据。（2）缺陷补强修复加固修补采用高强度的纤维增强材料，其强度应严格遵守以下技术条件：①将缺陷与材料的安装部位进行比较，保证在加固物的中部，并在裂缝的左、右侧50mm处进行加固，并在管线的正面标明加固部位；②按比例将填充剂与填充剂进行充分搅拌，注：掺入固化剂后，应在工作期间有效地完成；③在缺陷部位、环焊缝和螺旋焊缝两侧填入已完成的填充剂，以保证焊缝周围的表面光滑；④按照配方的需要将胶水均匀地搅拌均匀；⑤利用胶水将纤维板完全浸透，然后将一层玻纤织物按设计图所需的环状缠绕，然后再将其缠绕到所需的层数；⑥缠绕过程中应保证纤维均匀排布，无气泡、无空鼓现象；⑦纤维布缠绕完毕，等待固化期间应采取措施使复合材料免受雨水、风沙影响；⑧测试纤维复合材料的固化硬度，邵氏硬度值>60的表示复合材料已基本固化；⑨在纤维补强材料两段安装智能检测指示带，起始结束部位各环向安装1条。（3）防腐修复此次挖掘确认项目，针对沙漠戈壁地区土壤的高强度，对存在的问题进行了确认，并对其进行了加固处理。防腐蚀修补工作按下列技术条件进行：①可以采用粘弹型防腐蚀胶条，从10分钟或2:00的时候开始，将防腐蚀部分的两端全部包裹起来，然后将PE涂层与钢管连接在一起；②在卷曲时，对卷曲部分和卷边部分进行挤压，不需要维持很大的拉力，抗腐蚀粘合带的最短连接距离为5厘米；③在完成腐蚀后，采用15KV的电气火花进行检测，没有泄漏的情况下，才能通过检测。④对粘弹型防腐蚀胶条进行缠绕包裹，经检验通过后将PE外护条包裹起来；首先在现场将一圈的聚乙烯外皮包裹起来，在缠绕外边时，要有一个拉力，并预留3毫米左右的粘弹体条，确保不会卷起。从一头向内绕一圈，并维持一段拉力，将两条交待的卷曲长度为50%-55%，直到另一头缠绕好为止。图3-2防腐修复现场图3-3防腐修复完毕4.5修复作业过程4.5.1现场开挖在缺陷沿轴线方向上，每一侧多挖800毫米以上，在管线的两边各挖650毫米以上，并按照SY/T5918标准进行施工。4.5.2管体表面预处理首先将老的防腐涂层除去，其厚度应大于加固后的玻璃钢厚度50mm。其次，清洗后的防腐涂层要一周一圈，对需加强的部分用电抛光刀具进行抛光，直至达到ST3等级才算通过。研磨完毕后，应马上用乙醇将研磨区域彻底清洁，以除去油污、灰尘等。清洁完毕后，请用清洁的毛巾擦拭。此外还要对机械损坏部位进行光滑加工。4.5.3填料的配置及涂覆按不同的缺陷尺寸和种类，适当地配以高强度的填充剂。调配工艺按照产品说明书所列的配比进行调配。对于有螺旋和直缝的情况，应对焊接部位进行光滑加工，以确保玻璃钢增强剂与钢管的粘接强度。4.5.4补强在高强度填料充填结束之后，管道表面均匀涂有按照配比均匀搅拌好的双组份AB粘胶，AB粘胶配置应严格按照产品描述称量配合拌匀。当粘贴好胶层以后，用胶带把整个管道缠牢固定住。粘胶涂刷达标，从管道的2点或10点处首先缠上玻璃纤维布（还能起到绝缘的作用）。接着涂AB粘胶，顺同缠绕方向从2点或10点处缠绕碳纤维布，缠绕时，要求有一定张力，确保碳纤维布被整平，并和下层粘胶和玻璃纤维布密缠在一起，缠绕时要确保纤维的均匀分布和不产生气泡、没有空鼓现象时，在缠绕每层之前用粘胶涂刷。4.5.5保温固化由于AB型胶粘剂的工艺特性，其固化时间也会因外部环境温度的不同而不同，在25℃时，固化效果最佳。通常在25℃下，固化时间大约为4小时。此外，在等待固化过程中，还应该采取一些防止雨水和风沙的措施。如遇冬天施工，在完成后必须采取保温措施，保证固化效果。保温方式可以选择毛毡、保温被等，如果天气比较冷，可以选择缠绕的电热装置，外加毛毡，供其保温。硬化结束后，对纤维复合材料进行硬化处理，邵氏硬度大于60，说明其固化程度较低。满足了条件，可以进行下一步的施工。4.5.5防腐缺陷部位验证完毕后，根据沙漠戈壁地带土地应力较大的情况，采用“粘弹体防腐胶带+聚乙烯粘胶带外护”进行了防腐修复。防腐修复工作遵循以下技术要求：（1）使用粘弹体防腐胶带对补强部位进行缠绕防腐，自10点钟或2点钟位置开始向下缠绕粘弹体防腐胶带，两端须完全覆盖补强材料，搭接管体PE层10cm；（2）缠绕过程中，压紧搭接部位和边缘部位，无须保持较大张力，防腐胶带接头部位最小搭接长度为5cm；（3）防腐完毕，使用15KV电火花检漏，以无漏点为合格。（4）粘弹体防腐胶带缠绕质量检查合格后缠绕聚乙烯外保护带；首先原位缠绕一周聚乙烯外护带，缠绕外带时保持一定张力，留出约3mm宽的粘弹体胶带不缠绕外带。然后自一端开始螺旋缠绕外保护带，保持一定张力，胶带之间搭接50%-55%，直至另一端，在结束部位原位缠绕一周外保护带，留出3mm宽的粘弹体胶带不缠绕外保护带。第5章结论文章在对天然气长输管道的设计和施工要点进行了说明，对天然气长输管道维修补强的一些技术进行了分析，包括纤维复合材料种类的维修补强技术等、焊接修复方法等、夹具的种类维修补强的方法这三类，并以此为基础，以中石长川西某长输管线受损破坏为案例，对玻璃纤维复合补强修复技术的应用途径进行分析。通过研究发现，玻璃纤维复合补强修复技术的应用可以很好地提升油田的经济效益，解决维抢修建设周期长，耗费人力物力多，造成经济损失的问题，并且可以充分满足天然气长线运输的要求。因此，该技术有很强的推广价值和应用前景。鉴于本人理论和实践的不足，以及安全工程专业的特殊性和复杂性，缺乏足够知识储备和时间，在研究过程中不可避免地存在着设计流程不足、收集的资料可能并不能完全反应现实状况，因此笔者准备在今后的工作学习中，进一步探索维修补强相关的技术方法，不断加强数据分析能力，有效地把握数据中反映出来的问题，从