【《天然气长输管道维修补强工艺研究》8200字（论文）】

天然气长输管道维修补强工艺研究摘要我国的油气资源分布不太均衡，东部地区的石油资源相对较少，而西部的石油资源相对较多。因此，为了满足东部地区居民对油气资源的需求，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 I第1章前言管道运输在石油开采过程中占有举足轻重的地位，它的质量直接影响到石油行业的可持续发展。目前，全球原油管道运输占全球总输油管道80%，天然气管道占95%以上。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，长距离输送管道是一个十分关键的环节，由于其与公路、铁路、桥梁、江河、光缆、电缆等工程的施工过程中，施工的安全隐患较大，如果管理不到位、监督不到位、施工方法不当，将会进一步降低运输的安全。天然气是一种易燃易爆的材料，它能引起管道的化学腐蚀和电气腐蚀。在我们国家，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（又称“长输管道”）是指由产地、储存库和使用单位之间的、跨省、市、跨（江河、道路）的长距离（一般超过50KM）。该管道便于将来自供方的液体或天然气传送至遥远的使用者。长距离输送管道主要包括两大类：站场（Stations）和管线。长距离输送管道为保证输气的安全，在输气过程中，将输送介质的热能与动能相结合，形成了首站、加压站、加热站、分输站、计量站、清管站、终站等站场。天然气、煤气等气化产物均可经长距离输送管道输送，其特征为：1）在一定距离内设置了几个可紧急关闭的切断阀室，以便减少事故危害，便于抢修，并可紧急关闭。(2)长距离输送管道地域范围大，管线分布分布不均匀；(3)长距离输送管道的设备运行相对简便，各站点之间的差异较大，且调整时间较短；(4)具有很高的可靠性，需要具备故障探测等。(5)输送介质相对单一、流程相对简单、传输距离大、管道直径大、输送压力大、输送能力强等。2.2天然气长输管道的施工天然气长输管道的建设必须满足以下几点：①天然气管线采用埋地铺设，在一些特殊情况下，采用土堤、地面等形式铺设。②埋地管线覆盖层的最小厚度，按下列表格的要求进行计算。当覆盖层厚度达不到要求时，或外部载荷过大，外部作业可能对管线造成威胁时，必须采取防护措施。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在输气管线的出土口和弯头的两侧，要进行分层夯实。④在纵坡大的情况下，根据土体的特性，采用防止滑坡的方法。⑤在沼泽、水网（包括水田）区域，如果覆盖层不足以抵抗管道的浮力，则必须采取相应的措施。⑥在输气管线采取土堤进行施工时，根据地形、工程地质、水文地质、土壤类型及性质，确定土堤的深、顶宽。土坝内管线的覆盖层不能少于0.6米，而土坝顶部的宽度应该比管子直径的2倍以上，并且不能少于0.5米。土坝的坡度，应当按土质类型及土坝的高度来决定。地表水和地下水有渗漏问题时，应设置排水设备，并根据25年一遇的洪水流量，设计排水系统，以避免洪水冲刷。填土的土壤必须具有类似的渗透性能。将土壤堤基表面的植物清理干净。⑦管道跨越道路和铁路的净空高度，必须满足表2-2的要求。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）运输有毒，易燃，易爆气体的运输。管道的设计压力P>1.6MPa。（2）输送有毒、易燃、易爆的气体。直接运输距离（指产地、仓库、用户之间）超过200公里。并且管子的额定直径D大于300~。（3）浆料介质的输送。运输距离为50公里以上。并且管的公称径D大于150~。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。这种方法适合大面积的管道腐蚀，在施工中也要进行降压处理，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，它所采用的纤维材质具有较高的强度，采用这种材料加固后，再将粘合树脂涂敷于有缺陷的管子外部，使其强度得以恢复，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。修复纤维复合体时，满足新材料的抗拉强度要求在310MPa以上，杨氏模量在3.4x104兆帕以上，经权威机构长期可靠的试验与分析，具有良好的装配品质一致性，在室温下，固化时间不超过3小时。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采用了StrongPipe管线复合加固技术，这种技术最初应用于航空航天和军工行业，采用高强度碳纤维布、粘胶、填料、固化剂等材料进行修补，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。本技术可应用以下领域：a小于80%的管道腐蚀缺陷修补。b小于80%的弯头，三通和变径管的腐蚀缺陷进行修补。c小于40%的机械损伤修补。d是对金属构件进行加固修补。加固材料的技术参数见表3-1。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针对被加固的管线，采用“等厚壁厚”的方法进行了常规腐蚀缺陷的补强修复，即按强度等值原则，将1mm厚钢管的壁厚转化为与玻璃纤维的厚度相等。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，特别要重视在有缺陷部位的钢管剩余壁厚合计的复合材料的承压能力，应至少与原来的钢管相同。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，在此之前，先将一层玻璃纤维按照设计要求的环形缠绕，然后将其卷成所需要的层数；⑥在卷取时，要确保纤维的分布均匀，保证无气泡和空鼓；⑦在纤维织物完成后，在等待固化的过程中，要对复合材料进行防雨、风沙的处理；⑧对纤维复合材料进行硬化处理，邵氏硬度大于60，表明其固化程度较低；⑨在纤维增强材料的两个部分上设置智能探测指示器，并在起点处分别设置1个环形。（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防腐在确认缺陷位置后，针对沙漠戈壁地区土壤应力大的特点，对其进行了防腐处理。防腐修补工作按下列技术要求进行：（1）采用粘弹体防腐蚀胶带将加强部分包裹，从10点到2时的位置开始，将粘弹体防腐胶带从10分钟到2时的位置向下缠绕，并将其两端全部覆盖，并与PE层搭接10cm；（2）在卷绕时，对搭接位置和边沿位置进行挤压，不需要维持很大的拉力。（3）在完成腐蚀后，用15KV的电火花进行检测，确认没有泄漏。(4)在对粘弹体防腐蚀胶带进行质量检验后，对其进行包覆；首先将一圈的聚乙烯外皮缠绕在一起，在外边卷绕时，要保持一定的拉力，并留下大约3毫米宽的粘弹体胶带。从一端开始，将外部防护带螺旋状缠绕，并维持一定的张力，使两条带子的搭接达到50%-55%，直到另一头为止，并在末端处就地缠绕一圈，留下3毫米宽的粘弹体胶带，不与外部防护带缠绕。第5章结论本文介绍了天然气长输管道的设计与施工要点，并对其技术进行了分析，其中包括光纤复合材料的修复、焊接、夹具的类型、修复方法等，并以此为基础，以中石长川西某长距离输送管道受损破坏为案例，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，这一技术具有很好的推广和应用前景。由于自身的理论与实际经验不足，加之安全工程的特殊性、复杂性，在研究中难免会出现设计流程上的欠缺，收集到的资料也未必能完全反映实际情况，所以笔者准备在以后的工作中，继续探讨与修复有关的技术与技术，以提高资料的分析能力，对问题进行有效的分析和判断，为以后的科研工作作出更大的贡献。参考文献W.KCoertzen,.GoertM.R.Kessler.Dynamicmechanicalanal