应急移动式输油管道的失效形式以及修复补强方法的研究

麻士琦　张雨　崔虎　刘申武

摘 要：应急移动式输油管线与长输原油管道不同，其灵活机动性强，且应用环境比较复杂，常用于抢险救灾、野战输油。分析了移动式输油管线的失效形式，并结合输油管线的工作环境特点，对几种常用的管道修复补强方法进行了对比，其中重点研究了碳纤维复合材料在管道修复方面的应用。

关键词：移动式；输油管道；失效；补强

1 概述

移动式输油管线具有灵活机动性强、输油量大等特点，常用于抢险救灾、野外作战等特殊环境下的油料运输。目前，我国有多种移动式输油管线系统，其中主要是硬质管线输油系统。硬质管线的材料为薄壁碳素钢或低合金钢，通过薄板卷压成型，直缝焊接且内外壁进行防腐处理。硬质管线重量大，在铺设时需耗费大量人力，且耐腐蚀性差，易出现焊接缺陷，在这种情况下，复合材料管线以其轻质高强、高耐腐蚀性，可设计性强等特点备受青睐。[1]无论是硬质输油管线还是复合材料管线，随着使用时间和强度的增强，管线上不可避免的会出现各种缺陷，对输油作业产生安全隐患，一旦发生泄漏甚至断裂，将造成严重后果。分析了移动式输油管线常见的几种失效形式，对不合格管线修复补强的方法进行了研究。

2 移动式输油管线的工作环境

移动式输油管线用于特殊环境下的应急输油，例如在野外作战过程中，当供油中心或油库发生故障时，为保证油料安全及时的输送，常需要铺设应急供油管线。输油管道每根长约6米，由车辆运送至铺设地点，人力搬卸并将插管推入承管，随地势逐根铺设。管线的铺设地点大多是在野外，环境与地势都较复杂，大多数情况直接暴露于大气中，有时根据需要还要埋地，穿越河流。

3 移动式输油管线失效形式

3.1 管线腐蚀

对于硬质金属管线来说，腐蚀是一个有待攻克的难题。移动式管线尤其是金属管线的腐蚀主要来源于大气腐蚀、土壤腐蚀以及自然水腐蚀，其中以大气腐蚀为主，尤其在酸雨或者沿海地区腐蚀更为严重[2]。另外，由于铺设过程中人为搬运，输油管外壁上的防腐层由于磕碰极易被破坏，出现腐蚀凹坑等缺陷，使管壁局部变薄。在油料输送过程中，管壁将受到压力作用，当腐蚀凹坑达到一定深度超过某一临界值时，就会导致管线破裂失效[3]。腐蚀凹坑的深度和长度是衡量管线腐蚀程度的主要参数。随着腐蚀深度和长度的增加，输油管线的承载能力也会越差。管线腐蚀是硬质金属管线常见的失效形式。

3.2 管线断裂

管线的断裂失效往往是由管壁上的裂纹缺陷引起的。当裂纹的尺寸逐渐变大从而发生失稳扩展，导致管道破裂。据统计，对于金属管线，大多数的裂纹由焊接部位存在焊接缺陷引起的。因此，焊接部件在某种程度上决定了管线运行的安全性。焊接质量对管线安全性的影响主要体现在：一方面由于焊接过程中加热、冷却不均匀，易在焊缝及周围发生不同程度的变形和应力集中现象。另一方面，在焊接过程中，焊接区经历了特殊的热过程，材料组织和力学性能极不均匀，很容易出现各种缺陷，降低了管线的承载能力和防腐蚀破裂能力。

4 管道的修复补强

在多种因素的影响下，如制造缺陷、环境腐蚀以及人为破坏等，输油管道在运输油料过程中面临着泄漏、破裂等危险情况的发生。为了保证油料运输的安全性，实践表明，需对管道进行检测-评估-维修补强等作业。补强就是修补管道缺陷，补足强度。维修补强技术是延长管道寿命和提高管道安全性的重要保障措施。

4.1 管道修复补强的常用方法

常见的修复补强方法有三种：焊接补强、夹具补强和纤维复合材料补强。其中前两者主要用于金属输油管，而纤维复合材料补强的方法既可以用于金属输油管也可以用于复合材料输油管，近几年被广泛应用。焊接补强就是用焊接的方法，将补强金属焊在管壁缺陷处。对于深度较浅的单点缺陷常采用堆焊，小面积多点腐蚀采用打补丁，大面积缺陷則采用打套筒，这种方法的优点是技术成熟，成本较低。缺点是易受焊接环境影响发生氢脆和冷脆现象；焊接时管道内需要排空，影响正常输送。夹具补强是利用夹具加紧的方式恢复管道强度。这种方法的优点是不需要停输，且不会像焊接法那样出现氢脆等现象。缺点是成本高，施工过程较复杂，且不适用于大面积缺陷。纤维复合材料补强方法是在上世纪90年代以后逐渐发展起来的。最初纤维复合材料主要是用于建筑物补强和修复，90年代以前主要用于气体输送管线的修复。随着新型复合材料的不断研发，复合材料不但具有轻质高强、加工性好、耐腐蚀性强等特点，还具有耐热和导电性好的特性。复合材料在油料输送方面开始大展身手。这种方法是利用专用树脂将复合材料纤维缠绕在管壁缺陷处，达到恢复承载能力的目的。优点是不需要停输，无需焊接，且性价比高。

4.2 纤维复合材料补强

纤维复合材料补强所用的复合材料分两种：玻璃纤维和碳纤维。两者的区别在于玻璃纤维强度低于碳纤维复合材料，一般适用于压强要求不高的情况。在施工方面，玻璃纤维一般使用干法缠绕，碳纤维复合材料则采用湿法缠绕，后者的施工工艺较简单。另外碳纤维复合材料适用于环向和轴向组合铺设，如此形成的补强结构既可以承受轴向力也可以承受一定环向应力。碳纤维复合材料这种交错组合铺设的方法使得整个铺设层形成一个整体，更适用于大面积缺陷补强。

4.3 碳纤维复合材料补强的工作原理

当输油管工作时，会受到径向和环向压力，管线缺陷处管壁较正常变薄，承受载荷的能力降低，当缺陷越来越严重时就会发生管壁破裂现象。碳纤维复合材料修复补强技术分为3部分，专用修补剂、树脂基碳纤维复合材料以及外保护层。在补强时，首先在缺陷处填补专用的修补剂，然后将碳纤维和环氧树脂交叉铺设在管壁上，使两者粘结在一起，形成修复层。固化后的修复层具有较高的抗拉强度和弹性模量。将缺陷处填平并补强，限制了缺陷的膨胀变形，降低了缺陷处受到的拉伸变形，实现了对破损管道的修复补强。

5 结束语

提出了管道修复的重要性；分析了移动式输油管线常见的失效形式，管道腐蚀和管道断裂；对几种常见的管道修复补强方法进行了对比，并重点介绍了碳纤维复合材料修补技术的优势及工作原理。对于移动式输油管线，无论是金属材质管道还是复合材料管道，碳纤维补强技术相对于其他修补方法具有更好的适应性和安全性。为今后类似问题的解决提供参考。

参考文献

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[2]唐晓渭.碳纤维复合材料在长输原油管道维修补强中的应用[D].西安：西安石油大学.

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