石油化工压力管道缺陷的分析及处理措施探讨

陈庆

【摘 要】对于长输石油化工压力管道，管线的建设实质上是一项大规模的焊接成型和长距离焊接安装的过程。由于埋地石油化工压力管道具有输送距离比较长，管径比较大，地质结构复杂等特点，管线在施焊时不可避免会产生一些焊接缺陷。论文主要对石油化工压力管道的缺陷做了原因分析，并针对粘贴纤维复合材料修复方法做了重点的探讨和阐述。

【关键词】石油化工；压力管道；缺陷

0 引言

石油化工压力管道是国民经济的动脉，在国民经济中占有重要地位，是现代工业生产中不可缺少的特种设备，它广泛应用于石油化工、能源、冶金、电力、环保、航空、医药食品等领域，承担着输送石油天然气、高温高压、易燃易爆及剧毒、有腐蚀性或放射性物料介质的任务，已成为与铁路、公路、水路、航空运输并列的运输方式之一。由于埋地石油化工压力管道具有输送距离比较长，管径比较大等特点，管线在施焊时不可避免会产生一些焊接缺陷。其中错边和不同心缺陷是长输石油化工压力管道在现场组焊过程中不可避免出现的缺陷现象。它们的存在破坏了管道的连续性，造成了应力集中，这些易产生缺陷的焊缝接头处的性能对整条管线的使用寿命和安全可靠性起着至关重要的作用。

1 石油化工压力管道的缺陷及原因分析

1.1 缺陷的分类

（1）石油化工压力管道缺陷按照其形成的原因分类

石油化工压力管道缺陷按照其形成的原因分类，可分为焊接缺陷和腐蚀缺陷。

焊接缺陷可分为七大类：裂纹、气孔、固体夹杂、未熔合、未焊透、形状缺陷、其他缺陷。细化一下焊接缺陷的种类有：未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边、焊瘤、烧穿、偏析、未填满、焊缝裂纹等等。

腐蚀缺陷是指管道长期使用中不可避免出现的缺陷现象。常见的腐蚀形态有点腐蚀、局部腐蚀、均匀腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢损伤等。腐蚀缺陷对管道的强度及承载能力都有影响，而且腐蚀的产生增大了腐蚀检修率，降低设备的更换周期，甚至会干扰整个系统的正常运行。

（2）缺陷按照在焊缝中存在的位置分类

缺陷按照在焊缝中的位置分类，可分为外部缺陷和内部缺陷。

外部缺陷是指缺陷位于焊缝的外表面，用肉眼或放大镜即能看到。内部缺陷是指缺陷位于焊缝内部，用探伤技术或破坏性试验进行检修查看。

外部缺陷有：咬边、焊瘤、表面气孔和裂缝、弧坑，焊缝尺寸不符合要求；内部缺陷有：未焊透、塌陷、气孔、裂缝，夹渣。

（3）缺陷按照其几何形状分类

缺陷按照几何形状分类，可分为体缺陷和面缺陷。

1.2 形成缺陷的原因分析

形成焊接缺陷的原因可总结归纳为五大因素：人为因素、设备因素、材料因素、焊接方法因素、环境因素。

人：人是最主要的因素，由于电焊工技术素质情况、焊接技术存在的陋习或责任心不强等原因造成了焊接缺陷：

机：有些电焊机没有安装相应的仪表，有些仪表的数值也存在不准确不能作为参考，因而这种情况下要严格执行工艺要求是难的；

材料：钢板和焊条没有进行相应的除油、除锈工序；

方法：工艺评定覆盖面不大，出现自焊、互焊，材料代用的情况，应根据情况进行相应的调整；

环境：环境因素会影响焊接质量，如焊接风速、湿度、雨雪天气等，这些因素往往是不能忽视的，有些规定明确标出环境影响级别。

2 粘贴纤维复合材料修复石油化工压力管道缺陷的方法探讨

纤维复合材料修复钢质输送管道技术主要思路是通过粘接树脂将复合材料包裹在管道外侧，利用复合材料的高强度性能特点，来恢复缺陷管道的服役强度。由于不需要焊接，避免发生冷脆、氢脆及焊穿的风险，该方法已得到了广泛的应用。

2.1 玻璃纤维材料修复

目前，由于玻璃纤维的强度低，大多数是制造成一定厚度的半成品，施工时，采用干法缠绕。若用玻璃纤维材料来修复管道，只有当管道发生很大的塑性变形时，才能将应力值传递至补强的玻璃纤维材料，效果不是很明显。随着时间的增长，玻璃纤维的强度随之降低。

2.2 碳纤维材料修复

由于碳纤维的抗拉强度非常高、柔韧性非常好，在施工现场大都采用湿法缠绕。能与钢管协调变形，其强度随着时间的增长基本上保持不变。碳纤维价格降低，再加上它具有抗拉强度高、弹性模量高、耐高温、厚度薄、操作简单等特点，其优势已远远超过玻璃纤维修复技术。

2.2.1 CFRP 加固补强原理

碳纤维复合材料修复技术是利用补强纤维和基体树脂在管道外形成复合材料增强层，来分担管体承受内压，降低管道由内压引起的环向应力及径向膨胀，并且限制缺陷处的应力集中，从而达到对缺陷管道修复补强的目的，以此来恢复管道的正常运行能力。由于碳纤维丝很难共同工作，当承受较低的荷载时，应力水平较高的碳纤维丝就会达到其抗拉强度，随之退出工作，以此类推，各碳纤维丝逐步断裂，直到碳纤维布整体破坏。而粘接胶不但能提高碳纤维布的抗拉强度；而且又能确保碳纤维布与结构共同工作，提高结构的抗剪、抗弯承载能力，从而达到补强、加固的目的。

碳纤维复合材料修复技术，首先是利用特有的填平树脂对缺陷处进行填平处理，固化后的填平树脂可达到抗压强度为 100MPa 的优异性能。其次，包裹碳纤维布、涂刷环氧树脂。碳纤维布与固化后的环氧树脂生成碳纤维复合材料补强层，具有较高的抗拉强度，通过填平树脂以及自身与管道的胶结力来传递内压，能够限制管道径向变形产生的环向压力，并且分担管道的内压，实现了对缺陷管道的补强、加固。

2.2.2 CFRP 的施工工艺及特点

基本的施工工艺为：现场开挖→剥离、清除防腐层→管道表面清理→基层处理→缺陷填平处理→涂刷粘接胶→粘贴碳纤维材料→端口及补强层防护→作业区域固化→土壤回填复原。

它具有优异的力学性能，在修复管道领域中，具有以下优点：

（1）免焊不动火，可在带压状态下进行修复。

（2）施工操作简单，不需要大型吊装设备，操作时间短，2 小时左右即完工。

（3）碳纤维的弹性模量与母材（钢）的弹性模量极为接近，这样有利于 CFRP尽可能承载多的管道压力，降低管道缺陷处的应力集中，限制了管道的径向变形。

（4）该法采用湿法缠绕，其铺设方式比较灵活。应用范围广泛，对螺旋焊缝、环焊缝、三通、弯管、大小头等不规则的管件都可进行修复。

（5）碳纤维最主要的特点是其抗拉强度高，修复管道安全性极高。

（6）碳纤维的伸长率≥1.7%。即使缺陷管道发生塑性变形，碳纤维仍处于安全范围。

（7）碳纤维布厚度薄，方便于防腐处理，降低了由于土壤运动形成的轴向滑脱力。

（8）可在各种环境（阴雨、风沙、潮湿）下施工，其施工温度范围广。

（9）CFRP 抗蠕变性能好，随着时间的增加，其强度基本保持不变。

（10）在有水介质中，CFRP 性能稳定；CFRP 不仅可用于多种缺陷的修复，还可用于提压增强整个管段。

3 结语

随着经济的发展，石油化工压力管道的数量增长很快，一些在役的石油化工压力管道由于存在原始的和在使用过程中出现的缺陷，有的严重威胁了生命和财产的安全性。管道的补强修复是延长管道使用寿命和保证其完整性的重要手段。虽然每种方法各有其优点，但从总体来说，碳纤维复合材料修复方法的综合性能最好，是应用前景最为广泛的修复技术。

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[3]胡文义.压力管道混凝土缺陷处理环氧材料使用工艺控制[J].四川水力发电，2012（5）.

[责任编辑：邓丽丽]