地埋碳钢管道维修技术探索

郑春海

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

随着淡水资源日益紧张，工业用水受到严格的管控，极大地限制了我公司的生产。为此，我厂自2011年后开始利用钢厂海水淡化后废弃水作为生产用水，至今利用率已接近50%。但由于我公司管线较长，并且管道已投用多年，管道腐蚀老化，加之沿程地貌复杂，大大增加了管道维护的难度。近年来，我公司在利用各类方法进行管道维护的同时，也一直在探索更为彻底有效的管道修复方法。

1 管道现状

我公司淡化后废水管线始于首钢集团，直径DN1000，全程长约51 km，采用地埋敷设，综合使用碳钢、PE、玻璃钢三种材质。管线沿程地貌非常复杂，涉及高速公路、绿化带、禁止开挖路段的河流河床等等。随着投入使用时间的延长，由于工作介质、焊接及内防腐涂层施工质量或其它人为因素等原因，碳钢材质部分管道频繁发生泄漏。然而，维修时对管道整体进行开槽施工的话，协调办理施工许可证流程不可控因素较多，十分困难，后续恢复的工程量大、整体施工周期长、费用高，而且容易给自然环境、绿化以及交通等各方面带来较大影响。为此，探索研究非开挖方式管道维修方法有着十分重要的意义。

2 管道腐蚀原因分析

维修施工过程中发现，管道泄漏点不仅集中在焊口位置，管道本身也有多处腐蚀严重，针对这一类现象，我们从管材、工艺介质、管道施工以及防腐等各个方面对其产生原因进行了深入的研究。

2.1 管材

碳钢管道部分采用螺旋焊管，材质为20#钢，具有优良的机械性能，承压范围宽，受外界因素影响小。但是抗腐蚀能力差，尤其是在富氯环境中，极易发生金属的电化学腐蚀。并且管道焊接过程中热源集中作用于焊接部位，不均匀的温度场下会产生较高的焊接应力残余和变形，加速焊口的腐蚀，极大地缩短管道使用寿命。

2.2 工艺介质

管道内输送的工艺介质为海水淡化后废弃水，温度约为45 ℃，流速0.57 m/s,氯离子浓度为24.4 g/L，并含有大量Na+、Mg2+、Ca2+等金属离子，为典型的电解质溶液。

管道金属表面成分不均匀性、表面应力的不均匀性、相分布不均匀性以及其他因素导致了金属电极电位分布的微观不均匀，微观上金属表面存在电势差和电流从而构成了微电池，在金属表面有无数的阳极与阴极区，在工艺介质的促进下极易形成电偶腐蚀。

阴极反应(电位较高)O2+2H2O+4e-→4OH-

阳极反应(电位较低)Fe→Fe2++2e

其次输送淡化后废弃水时，随着介质流速的增加和温度的升高，尤其废弃水中含有泥沙等固体颗粒，聚集在管道内部形成结疤，都不同程度促进电偶腐蚀发展，导致管道的腐蚀速率急剧增加。

2.3 其他原因

管道安装或维修施工过程中，焊口部位防腐需焊接完成后进入管道内部补涂，由于管道内部空间狭小，尤其管道爬坡较陡的部位，施工极其不便，管道基体内表面预处理不充分，防腐质量不能得到保障，更有甚者根本无法做内防腐；其次，管道沿线地质情况复杂，对口时错口现象不可避免，内部焊缝余高得不到有效控制，带有泥沙的淡化废弃水输送时产生局部紊流，加剧冲刷腐蚀；再次，管道投运后沉降不均引起的变形，造成防腐涂层破裂。以上诸多因素导致防腐涂层破坏后，碳钢管道内表面基体露出，与未破坏的防腐涂层形成大阴极小阳极的不利局面，进一步加速管道腐蚀。

3 不同维修技术方案介绍

3.1 焊接补强修复

管道内部补焊是较为直接的传统维修方式，可直接高效的对管道受损部位进行维修，对薄弱点进行加固补强，从而达到管道修复的目的。施工流程如图1所示。

图1 焊接补强修复施工流程图

此方式可适用大多数地质情况，技术成熟，难度小，从焊接后使用效果来看，较为可靠，短时间内不会出现重大泄漏事故。但由于施工条件及金属特性的限制，焊接后自身抗腐蚀能力很差，防腐涂层也不能达到最佳效果，使用年限较短。

3.2 内衬纤维增强聚乙烯(PE)软管修复

近年来柔性管内衬技术逐渐开始在工业管道修复中使用，此方式是将PE管折叠绑扎，利用牵引机穿入预处理后的原管道，就位后用水或气(汽)在其内部加压，将其打开并恢复到原尺寸，使其胀贴到原管道的内壁上，形成柔性非金属管与碳钢管合二为一的 “管中管”结构，达到管道修复的目的。

柔性内衬管一般采用高密度聚乙烯(PE)材质,不使用任何化学胶粘树脂，无气味污染。管道本身就具有较为不错的承压能力，裸管承压可达1.0 MPa，断裂伸长率>350%，管径DN100～DN2000。该方式施工占地少，时间短，使用寿命长。当管道有连续弯头或折弯时变向，内衬效果较差，施工难度较大，存在一定的穿管难度，甚至失败。

3.3 复合材料修复

利用高分子聚合物为基体的复合材料，通过喷涂或者手工涂装于预处理的金属表面，涂料固化后，便可以在基材和腐蚀介质之间形成屏蔽体层，为处于浸泡环境中与水溶剂接触的金属表面提供保护，从而达到对管道内部进行修复、补强、防腐的目的，帮助业者实施其腐蚀计划管理。复合材料修复技术现在广泛应用于老旧管道、压力容器及设备等维修，具有很好的粘合力、耐化学性、抗压强度、耐热性和耐腐蚀性能。但对施工条件要求比较高。

3.4 双相钢内衬修复

不锈钢耐腐蚀性能要优于碳钢，但是常见不锈钢均不耐氯离子的腐蚀，例如304或者316/316L。而双相不锈钢都显示出较高的耐蚀性能，值得注意的是，它们在某些情况下具有非常明显的优势，比如海水环境，较高的铬、钼和氮含量使它们具有很好的耐氯化物点蚀和缝隙腐蚀性能。图2给出了按照ASTM G 48(6% FeCl3)测定的各种非焊接态奥氏体不锈钢与固溶退火态双相钢耐点蚀和缝隙腐蚀性能的比较，材料焊接状态下的临界温度要低一些。临界点蚀或缝隙腐蚀温度越高，则表明材料耐腐蚀起始发生的能力越高。同等条件下双相不锈钢的临界点蚀温度(CPT)和临界缝隙腐蚀温度(CCT)都显著高于奥氏体不锈钢。

图2 非焊接态奥氏体不锈钢与固溶退火态双相钢的临界点蚀和缝隙腐蚀温度注：按照ASTM G 48(6% FeCl3溶液)测定的。

双相不锈钢由于其优越的耐腐蚀性，常用于海水淡化行业中，对我公司淡化废弃水管线也非常适用。此方式是在管道内部重新“贴补”一层新管道(如图3)，可根据原管道管径确定适宜的内衬管道尺寸进行制作安装，焊接时需要人工进入管道内部，焊接方式采用手工钨极氩弧焊，焊接后做钝化处理，其施工流程见图4。由于原管道的管径限制，DN600以下的管道无法进行内衬施工。

图3 双向不锈钢内衬修复

图4 双向不锈钢内衬修复施工流程图

上述各种修复方式在我公司均有使用案例，但尚未全面推广至管道修复上。四种方式各有优缺点以及各自适用的范围，相互对比结果见表1，可以根据实际情况进行选择使用。

表1 地埋管道修复技术方案比较

4 管道修复方案选择及效果查定

从表1各种方案对比来看，均能达到管道修复的效果，除焊接补强修复外，其他方式均有极好的防腐性能，并且不会增大管道阻力，而且所需施工用地面积小，对交通、周围环境影响小，利于维修施工的开展。但站在公司的角度考虑，我公司属于连续作业的化工型企业，对施工工期要求高，在满足维修效果的前提下，工期便成为了方案选择的主要决定因素。为此，综合考虑各项因素，管道修复方案以焊接补强修复和内衬PE管修复最为合理适宜，其性价比最优。

4.1 焊接补强修复应用效果

自2018年开始，我公司对地埋管道进行过多次内部补焊施工，至今尚未出现过泄漏事故，质量非常可靠，虽然施工有一定的难度，但其施工周期短、施工灵活，能够应对大多数地质情况，对生产稳定影响最小，性价比相对较高。

4.2 内衬PE管修复应用效果

针对长直管道大面积腐蚀泄漏的情况，我公司从2018年至今，已经对三段管线进行了内衬PE管修复施工，收到了满意的效果。内衬PE管后虽然使管径略小，但由于管道内壁变得光滑，管道阻力降低，未对管道输送能力造成影响。对于维修人员无法进入内部维修的长直管道，内衬PE管是一种极佳的修复方法。

5 结 语

综上所述，淡化后废弃水管道修补方式有多种，根据管道材质、现场地质地形及生产需要可选用不同的管道修复方式，能解决各类地埋管道泄漏问题，避免对环境及生产造成更为严重的影响。为非开挖修复地埋管道的推广应用做出尝试的同时，也为类似管道维修提供了宝贵的借鉴经验。