高分子材料修复技术在长输管线的应用

王选涛 师 涛 陈浩英 孟学锋 徐 旺

（1.长庆油田分公司，陕西 西安 710016；2.郑州新锐石油工程技术有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

进入十四五以来，我国提出碳中和目标，能源结构出现了很大的变革。地下能源的采集和输送安全，一直是社会关注的焦点。目前国内的能源输送里程接近13万公里，输送跨越全国三分之二的省份，因为能源输送导致的安全事件层出不尽。初步统计2019年管道输送意外事件的占2.6%（包括意外创伤、恶劣天气），主体道缺陷部位占11.4%，焊缝缺陷部位占16.8%，其他部位事故占69.2%[1,2]。上述数据不难得出管道输送的焊缝连接处，一直是长输管道的薄弱点。虽然在焊缝探伤检测、焊缝防腐、焊缝后期检测等多个领域，采用了立体的监测技术，但管道运行期间，各种介质的冲刷和腐蚀，依然是会出现焊缝的安全事故[3-5]。目前已知的焊缝防腐技术为热缩带，采用橡胶片材加热收缩，完成与原管道防腐材料的结合。此材料最大的优势为防腐性能较好，现场操作简单，方便快捷。使用期间一旦焊缝发生泄漏，该材料不具有耐压和堵漏的作用[6,7]。缺陷部位的修复技术也有几种成熟技术，例如A型套筒、B型套筒、环氧套筒技术。这些技术都需要动用大型施工设备，有些还需要现场动火作业，对于长输管道特殊部位，在一定空间有所限制。传统的复合材料修复方法，多采用现场湿缠绕法，施工现场的自然条件（风沙、空气湿度等），都对湿缠绕法的弹性模量有损失，加之现场多为人工缠绕，技术人员掌握技术不同，对修复完后的修复层的质量无法保证。高分子片材为工厂提前预制好片材，现场涂抹胶粘剂就可完成修复，减少现场施工环境对修复层的影响。该技术采用堵漏、耐压及防腐相结合的技术，现场不需要动用大型设备，简单方便快捷地处理各种长输管道隐患，是一种更加安全、经济、可靠的新技术。

1 承压材料的制备及其性能测试

1.1 管道承压及高分子修复原理

长输管道在输送生产的过程中，因输送介质压力微调波动，管道不断受圆周应力冲击，对管道的薄弱点的冲击力加大，薄弱点的承载力成倍迅速增加，甚至超过管道的设计压力，发生泄漏的风险很大。一旦发生泄漏安全事故，对周边的自然环境和财产安全造成不可估量的损失。利用现有的高分子材料PEES添加液体丁腈橡胶及S级玻纤，PEES原材料经过高温处理，预浸S级玻纤布后，再有液体丁腈橡胶及必要的增强剂，通过挤压收卷产生带有记忆力的片材。在利用强力胶缠绕在存在缺陷的管道外表面。使用专用预紧工具对片材进行预紧，然后采用锁紧装置锁死，与强力胶和片材一起构成复合修复层。修复完成后，缺陷部位管道承担的部分应力就会传递到复合片材上，从而使缺陷部位管道承担的应力始终处于安全极限之下，保证管道的安全运行。

1.2 承压高分子材料的制备及其性能

实验用原材料主要包括PEES材料，S级玻纤布、液体丁腈橡胶及增韧剂，此外还有一些添加材料丙烯酸酯液体橡胶。材料性能测试及标准采用国家标准进行。

将PEES颗粒加入料槽，加热至150～170oC溶解为液体。将液体丁腈橡胶及增韧剂添加其中，均匀搅拌20min。将S级玻纤布平铺到500mm的模具上，倒入搅拌好的预浸料，厚度在1.5mm。通过高温烘烤箱，使其充分预浸。再进行冷却，冷却后开始1道压辊压制，最后利用2道压辊收成带有记忆力的卷状，使其片材带有记忆力。制备出的片材形貌如图1所示。

图1 压辊压制法制备出的片材的内部及外部形貌

对于高分子复合片材暂命名XR-12，其主要力学性能如拉伸，弯曲强度和模量决定于片材基体强度，纤维的作用主要是承担载荷，片材基体的作用主要是传递载荷，即片材基体是纤维之间的胶粘剂，需要与纤维粘在一起共同承担载荷。所以片材基体的性能对复合材料的性能有很大的影响。通过检测设备，对成型的片材进行力学性能检测，以便使其达到适用范围。具体力学性能如表1所示。

表1 XR-12高分子片材的力学性能

1.3 胶粘剂制作过程

载荷传递材料的片材基体选择同胶粘剂和片材基本相同。对于载荷传递材料，在基体片材确定以后，填料的选择及合理的配置对材料的性能影响是至关重要的。合理使用填料能提高材料的机械性能、防腐性和附着力，所用的填料除了考虑体系的收缩应力和常规的物理性能外，还应考虑到涂层的附着力，为此我们选择了二氧化硅、石英粉、钛白粉等材料和金属类填料，针对提高材料的冲击强度、剪切强度、附着力和施工性能等指标进行试验，并通过实验选出合适的种类和加量。所制备材料为双组分体系，A组分为环氧树脂（100份）、填料石英粉闪烁石（200份）、触变剂气相二氧化硅（5份），B组分为固化剂593（100份）、促进剂DMP-30（40份），性能指标如表2所示。

表2 载荷传递材料性能指标

2 试压方法及分析

试压实验所用材料

采用L360N低碳钢管，规格为Φ114×4.5mm，长度为1200mm，焊接离的间隙为1000mm，焊接三角支撑腿。采集200×200×1.0mm的片材，片材数量为3块，实验厚度为3mm。胶粘剂AB成分，准备50mL，必要的打磨及擦拭工具。所用的材料及工具如图2所示。

图2 试压时所用的不锈钢管、胶粘剂及高分子片材

对试验段中间开8mm的孔，采用抛光机对孔周边打磨，要求打磨级别在Sa2.5级。使用丙酮擦拭已经打磨后的试验段，切记做好防护措施，具体步骤如图3所示。

图3 试压时对表面进行打磨和清洗过程

取50mL胶粘剂灌装至专用的胶粘剂盒中，使用专用工具来调剂胶粘剂，使其可以均匀混合。每个试块上涂层为0.2MM厚度的胶粘剂，要求均匀涂抹，如图4所示。

图4 试压时所用的胶粘剂的涂抹示意图

将片材叠加到试验开孔的上方，三层要均匀地叠加到实验孔的上方，运用专业工具进行禁锢，使胶粘剂、片材与试验管线充分结合，待固化4小时固化完后，拆除锁紧装置。如图5所示。

安装手动液压泵，最高压力可达100MPa，在实验装置上安装可以测试内部压力的压力表，压力表最高25MPa。打压试验需要在室内进行，采用循序加压的试验步骤。经过24h保压实验，本次试验片材试压20PMa，实现本次试验的目标。具体测试数据如表3所示。试压后表面的形貌如图6所示。

图6 试压后管道表面形貌

表3 XR-12片材水爆试验数据

3 结语

本研究将高分子PEES融入其他高分子材料制备具有记忆效应的片材，与胶粘剂结合可解决长输管道的缺陷或隐患治理。此技术胶粘剂与片材必须完全融合一体，再与碳钢完成较好的结合。因该材料属于复合材料，也可以用于常规的防腐施工，比传统的防腐材料，不仅可以防腐层修复，还可以起到隐患治理的目标。相比常规的修复技术，它的主要技术程序在工厂完成，减少现场施工对它的影响。针对试压测试试验，采用片材块状试压，主要考虑到缺陷部位承压，无论大多的管径在泄漏发生时都会瞬间对周围2cm2造成直接冲击。现存的修复技术多少都有一定使用局限，改造现存技术使用局限是我们技术革新的方向。未来该技术因为使用复合材料，可以与现有的5G技术结合，运用力量柔性传感器，将修复后的力量状态传输到数据终端，再有5G通信技术传输到手机上，做到修复层的动态监视。