麻士琦　張雨　崔虎　劉申武

摘 要：應(yīng)急移動(dòng)式輸油管線與長(zhǎng)輸原油管道不同，其靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，且應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，常用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、野戰(zhàn)輸油。分析了移動(dòng)式輸油管線的失效形式，并結(jié)合輸油管線的工作環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)幾種常用的管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了對(duì)比，其中重點(diǎn)研究了碳纖維復(fù)合材料在管道修復(fù)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)式；輸油管道；失效；補(bǔ)強(qiáng)

1 概述

移動(dòng)式輸油管線具有靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、輸油量大等特點(diǎn)，常用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、野外作戰(zhàn)等特殊環(huán)境下的油料運(yùn)輸。目前，我國(guó)有多種移動(dòng)式輸油管線系統(tǒng)，其中主要是硬質(zhì)管線輸油系統(tǒng)。硬質(zhì)管線的材料為薄壁碳素鋼或低合金鋼，通過(guò)薄板卷壓成型，直縫焊接且內(nèi)外壁進(jìn)行防腐處理。硬質(zhì)管線重量大，在鋪設(shè)時(shí)需耗費(fèi)大量人力，且耐腐蝕性差，易出現(xiàn)焊接缺陷，在這種情況下，復(fù)合材料管線以其輕質(zhì)高強(qiáng)、高耐腐蝕性，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)備受青睞。[1]無(wú)論是硬質(zhì)輸油管線還是復(fù)合材料管線，隨著使用時(shí)間和強(qiáng)度的增強(qiáng)，管線上不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，對(duì)輸油作業(yè)產(chǎn)生安全隱患，一旦發(fā)生泄漏甚至斷裂，將造成嚴(yán)重后果。分析了移動(dòng)式輸油管線常見的幾種失效形式，對(duì)不合格管線修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的方法進(jìn)行了研究。

2 移動(dòng)式輸油管線的工作環(huán)境

移動(dòng)式輸油管線用于特殊環(huán)境下的應(yīng)急輸油，例如在野外作戰(zhàn)過(guò)程中，當(dāng)供油中心或油庫(kù)發(fā)生故障時(shí)，為保證油料安全及時(shí)的輸送，常需要鋪設(shè)應(yīng)急供油管線。輸油管道每根長(zhǎng)約6米，由車輛運(yùn)送至鋪設(shè)地點(diǎn)，人力搬卸并將插管推入承管，隨地勢(shì)逐根鋪設(shè)。管線的鋪設(shè)地點(diǎn)大多是在野外，環(huán)境與地勢(shì)都較復(fù)雜，大多數(shù)情況直接暴露于大氣中，有時(shí)根據(jù)需要還要埋地，穿越河流。

3 移動(dòng)式輸油管線失效形式

3.1 管線腐蝕

對(duì)于硬質(zhì)金屬管線來(lái)說(shuō)，腐蝕是一個(gè)有待攻克的難題。移動(dòng)式管線尤其是金屬管線的腐蝕主要來(lái)源于大氣腐蝕、土壤腐蝕以及自然水腐蝕，其中以大氣腐蝕為主，尤其在酸雨或者沿海地區(qū)腐蝕更為嚴(yán)重[2]。另外，由于鋪設(shè)過(guò)程中人為搬運(yùn)，輸油管外壁上的防腐層由于磕碰極易被破壞，出現(xiàn)腐蝕凹坑等缺陷，使管壁局部變薄。在油料輸送過(guò)程中，管壁將受到壓力作用，當(dāng)腐蝕凹坑達(dá)到一定深度超過(guò)某一臨界值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致管線破裂失效[3]。腐蝕凹坑的深度和長(zhǎng)度是衡量管線腐蝕程度的主要參數(shù)。隨著腐蝕深度和長(zhǎng)度的增加，輸油管線的承載能力也會(huì)越差。管線腐蝕是硬質(zhì)金屬管線常見的失效形式。

3.2 管線斷裂

管線的斷裂失效往往是由管壁上的裂紋缺陷引起的。當(dāng)裂紋的尺寸逐漸變大從而發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致管道破裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于金屬管線，大多數(shù)的裂紋由焊接部位存在焊接缺陷引起的。因此，焊接部件在某種程度上決定了管線運(yùn)行的安全性。焊接質(zhì)量對(duì)管線安全性的影響主要體現(xiàn)在：一方面由于焊接過(guò)程中加熱、冷卻不均勻，易在焊縫及周圍發(fā)生不同程度的變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象。另一方面，在焊接過(guò)程中，焊接區(qū)經(jīng)歷了特殊的熱過(guò)程，材料組織和力學(xué)性能極不均勻，很容易出現(xiàn)各種缺陷，降低了管線的承載能力和防腐蝕破裂能力。

4 管道的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)

在多種因素的影響下，如制造缺陷、環(huán)境腐蝕以及人為破壞等，輸油管道在運(yùn)輸油料過(guò)程中面臨著泄漏、破裂等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。為了保證油料運(yùn)輸?shù)陌踩裕瑢?shí)踐表明，需對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)-評(píng)估-維修補(bǔ)強(qiáng)等作業(yè)。補(bǔ)強(qiáng)就是修補(bǔ)管道缺陷，補(bǔ)足強(qiáng)度。維修補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是延長(zhǎng)管道壽命和提高管道安全性的重要保障措施。

4.1 管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的常用方法

常見的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)方法有三種：焊接補(bǔ)強(qiáng)、夾具補(bǔ)強(qiáng)和纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)。其中前兩者主要用于金屬輸油管，而纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的方法既可以用于金屬輸油管也可以用于復(fù)合材料輸油管，近幾年被廣泛應(yīng)用。焊接補(bǔ)強(qiáng)就是用焊接的方法，將補(bǔ)強(qiáng)金屬焊在管壁缺陷處。對(duì)于深度較淺的單點(diǎn)缺陷常采用堆焊，小面積多點(diǎn)腐蝕采用打補(bǔ)丁，大面積缺陷則采用打套筒，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，成本較低。缺點(diǎn)是易受焊接環(huán)境影響發(fā)生氫脆和冷脆現(xiàn)象；焊接時(shí)管道內(nèi)需要排空，影響正常輸送。夾具補(bǔ)強(qiáng)是利用夾具加緊的方式恢復(fù)管道強(qiáng)度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要停輸，且不會(huì)像焊接法那樣出現(xiàn)氫脆等現(xiàn)象。缺點(diǎn)是成本高，施工過(guò)程較復(fù)雜，且不適用于大面積缺陷。纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)方法是在上世紀(jì)90年代以后逐漸發(fā)展起來(lái)的。最初纖維復(fù)合材料主要是用于建筑物補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)，90年代以前主要用于氣體輸送管線的修復(fù)。隨著新型復(fù)合材料的不斷研發(fā)，復(fù)合材料不但具有輕質(zhì)高強(qiáng)、加工性好、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，還具有耐熱和導(dǎo)電性好的特性。復(fù)合材料在油料輸送方面開始大展身手。這種方法是利用專用樹脂將復(fù)合材料纖維纏繞在管壁缺陷處，達(dá)到恢復(fù)承載能力的目的。優(yōu)點(diǎn)是不需要停輸，無(wú)需焊接，且性價(jià)比高。

4.2 纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)

纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)所用的復(fù)合材料分兩種：玻璃纖維和碳纖維。兩者的區(qū)別在于玻璃纖維強(qiáng)度低于碳纖維復(fù)合材料，一般適用于壓強(qiáng)要求不高的情況。在施工方面，玻璃纖維一般使用干法纏繞，碳纖維復(fù)合材料則采用濕法纏繞，后者的施工工藝較簡(jiǎn)單。另外碳纖維復(fù)合材料適用于環(huán)向和軸向組合鋪設(shè)，如此形成的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)既可以承受軸向力也可以承受一定環(huán)向應(yīng)力。碳纖維復(fù)合材料這種交錯(cuò)組合鋪設(shè)的方法使得整個(gè)鋪設(shè)層形成一個(gè)整體，更適用于大面積缺陷補(bǔ)強(qiáng)。

4.3 碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的工作原理

當(dāng)輸油管工作時(shí)，會(huì)受到徑向和環(huán)向壓力，管線缺陷處管壁較正常變薄，承受載荷的能力降低，當(dāng)缺陷越來(lái)越嚴(yán)重時(shí)就會(huì)發(fā)生管壁破裂現(xiàn)象。碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)分為3部分，專用修補(bǔ)劑、樹脂基碳纖維復(fù)合材料以及外保護(hù)層。在補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，首先在缺陷處填補(bǔ)專用的修補(bǔ)劑，然后將碳纖維和環(huán)氧樹脂交叉鋪設(shè)在管壁上，使兩者粘結(jié)在一起，形成修復(fù)層。固化后的修復(fù)層具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。將缺陷處填平并補(bǔ)強(qiáng)，限制了缺陷的膨脹變形，降低了缺陷處受到的拉伸變形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)破損管道的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了管道修復(fù)的重要性；分析了移動(dòng)式輸油管線常見的失效形式，管道腐蝕和管道斷裂；對(duì)幾種常見的管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了對(duì)比，并重點(diǎn)介紹了碳纖維復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及工作原理。對(duì)于移動(dòng)式輸油管線，無(wú)論是金屬材質(zhì)管道還是復(fù)合材料管道，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相對(duì)于其他修補(bǔ)方法具有更好的適應(yīng)性和安全性。為今后類似問(wèn)題的解決提供參考。

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