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1、v e r s e a sT e c h n o l o g yO国外技术在役管道维修中环形套管 修复工艺与复合材料修复工艺的对比 Steel Sleeves vs. Composites for In- Service Pipeline Repair修复受腐蚀的管道时，环形套管工艺比复合材料工艺更加有效。管道的外部腐蚀是管道用户最关心的问题。一旦出现服役管道的腐蚀或其他损坏，即使对管道进行现场修复，也会产生很大的经济损失和环境破坏。从经济学的角度来看，停输管道还包括整个管道的使用收入。 此外，对于输气管道, 停输通常还会导致大量气体排放到大气中。由于甲烷是一种具有“温室效应”的气体，也要防止
2、大量地排放到大气中，产生环境破坏。当维修在役管道时，对于具体的修复工作通常有多种修复方案。 虽然最近几年非熔化的复合材料在管道修复中的应用越来越多，但在长输管道中对损坏部位最主要的维修方法仍是安装环形套管。在许多应用场合中，环形套管修复比复合材料修复无论在性能上，还是在成本上，都更具优势。使用环形套管维修在役管道最早出现在2 0 世纪7 0 年代初期，由B a t t e l l e 公司K i e f n e r 领导。环形套管修复有两种基本类型：A 型和B 型，见图1 。A 型套管只是环绕包围管道，加强管道缺陷区域的结构强度。因此，使用时并不需要焊接套管端部的角焊缝。B 型套管也环绕包围管
3、道并提供结构支撑，但套管端部与管道之间由角焊缝相连，因此它还能在管道后续服役过程中缺陷部位泄露时保持管道压力。B a t t e l l e 公司的研究表明，套管维修能将损坏管道强度完全恢复到管线最小屈服强背景度（S M Y S ）。这项研究成果促进了管线环形套管修复技术的广泛推广。在此之前，通常采用切除和更换受损管段进行维修。2 0 世纪8 0 年代末，西南研究所和B a t t e l l e 公司合作，开始使用光纤增强复合材料维修管道。有两种基本方法：预成型法（复合套）和湿缠法（复合绕）。市场上最先采用的是C l o c k S p r i n g现代焊接 2 0 1 3 年第1 期 总
4、第1 2 1 期J -1 9J -2 0 1 3 年第1 期 总第1 2 1 期2 0现代焊接v e r s e a sT e c h n o l o g yO国外技术公司的系统，它由E - 玻璃/ 聚酯树脂基的复合材料预先成形，形成一个多层卷片筒，然后使用粘接剂安装到受损管道上，见图2 。2 0 世纪9 0 年代初开始使用湿缠法工艺维修管道。 它采用事先用树脂浸渍的织布，在现场用水激活，或者是在现场用环氧树脂浸渍织布进行操作，见图3 。早期的复合材料修复法都是使用E - 玻璃纤维材料。2 0 世纪9 0 年代后期, 开始使用碳纤维复合材料替代E - 玻璃纤维材料。工作原理B a t t e
5、l l e 公司的早期研究表明，套管修复非常有效，因为它们能抑制钢管缺陷部位的膨胀和应力集中。同时它仅仅吸收输送管道上1 5 % 2 0 的周向应力。套管修复的有效性还表现在套管材料的刚度（弹性模量）与管线的刚度相同。由于复合材料与钢材的机械性能非常不同，因此在役管道损坏部位采用复合材料补强的机理要比采用套管补强的机理复杂得多。虽然复合材料与输送管线的强度相似，但前者的弹性模量要低得多，见图4 。而且，由织布组成的复合材料的弹性模量比单轴纤维组成的复合材料的弹性模量更低，因为织布上弯曲纤维必须首先用力拉直。钢的弹性模量约为3 0 1 0 I b / i n . ，而E - 玻璃纤维基复合材料的
6、弹性模量通常为2 . 5 6 1 0 I b/ i n . 。碳纤维基复合材料的弹性模量通常是E - 玻璃纤维基复合材料的两倍，但仍然显著小于钢的弹性模量。因此，与钢材相比，在同样的载荷下，复合材料要承受更大的应变。 复合材料修复时，为防止缺陷处破裂，在加载过程中，缺陷的塑性变形必须转移到复合材料上。而脆性管材或纵向焊缝在其缺陷扩展和失效之前，仅能承受很小量的塑性变形。因此，在重要载荷转移到复合材料上之前，管线缺陷处的应力极限就可能被超越产生失效。 正因如此，复合材料不能用于“脆性”管道的裂纹修复。无论是套管维修还是复合材料维修，都需要使用抗压强度高的填充材料填充缺陷区域，这样载荷才能有效地转
7、移到修复材料上。附表节选自P R C I 管道维修手册，是各种管道缺陷使用的不同维修方法。附表中第一列是管道常见的1 2 种缺陷。其余列则是应用套管（A型和B 型）修复和复合材料修复的相关信息。附表表明，如果没有例外，采用A 型套管维修和复合材料维修的效果相似。两个例外的情况一是焊接烧穿维修，A 型套管可以在未完全移除冶金变化材料的情况下进行维修，而复合材6262性能比较现代焊接 2 0 1 3 年第1 期 总第1 2 1 期J -2 1v e r s e a sT e c h n o l o g yO国外技术料却不能；二是氢致裂纹（H I C ）和爆裂的维修,A 型套管方法可用，而复合材料维
8、修不可用。 这两种例外情况都是因为复合材料的弹性模量显著低于钢的弹性模量所致。由于复合材料的弹性模量较低，在相对较小的应变条件下缺陷敏感性就相对较大，使用复合材料维修时有可能因为疲劳导致缺陷增大或失效。附表也显示出使用B 型套管维修是可行的。附表的第2 a 、2 b 和2 c 行则强调了包括最大凹陷深度的外部腐蚀修复方法的可行性。附表中列出的三种修复方法对相对较浅和中等深度外部腐蚀（深度8 0 %）是可行的。对于较深的外部腐蚀（深度8 0 %）应采用适合于泄漏维修的方法（比如B 型套管）。前面的小节中已经说明，A 型套管维修和复合材料维修的适用性相似，而B 型套管维修应用在前面两种方法都不适合
9、的场合。复合材料维修的优势在于它在使用时不需要进行焊接。从上面的讨论中可以明显看出，A 型套管修复可以和复合材料修复达到相同的目的，而且也不需要将套管焊接到在役管线上。根据附录B 中A P I 1 1 0 4 的要求，如果套管不连接输送管道就不认为是“工作焊缝”，即是需要在管线在役时焊接纵向缝焊。复合材料维修的另一个优点是说它们比套管安装更简便。很显然这种说法只适合于B 型套管维修方法，它需要使用专门的焊接工艺和合格的特种焊接人员将套管焊接到在役钢管上。但对A 型套管修复来说，这种说法就不对了。A 型套管焊接不需要在役焊接，只需焊接搭接衬垫板上的角焊缝,见图5 。只需将侧面衬垫板焊接到套管的半
10、端，这样现场只需焊接侧面衬垫上的角焊缝。这些焊缝很容易施焊，即使没有受过专门训练的焊工都能完成。A 型套管的原料价格明显低于复合材料的原料价格。A 型套管可以在现场方便制造，只需要截取一段与钢管材料等长，直径、壁厚和钢材级别优点和缺点相同的管材即可。与复合材料不同，套管材料还没有“保质期”。而且，A 型套管的刚度和长期使用性能也与管线材料相当。美国联邦法规要求运营商维修在役管道时使用的方法必须能永久性地修复管道。虽然对什么是“永久性”还有些不同意见，但它似乎要求缺J -2 0 1 3 年第1 期 总第1 2 1 期2 2现代焊接v e r s e a sT e c h n o l o g yO
11、国外技术陷修复后的预期寿命至少应等同于管线的预期寿命。钢铁的长期使用性能已被很好地证明，而复合材料在埋地管道上使用2 0 2 5 年的长期使用性能还未能被证实。与钢铁材料相比，因复合材料明显较低的刚度，也使得使用它修复承受周期循环压力管道时存在争议。管道缺陷部位承受周期变化应力时可能导致在后续使用中缺陷增大并最终失效。目前正在对复合材料维修管道的长期使用性进行更全面的认定。在这个问题解决之前，将复合材料维修应用于永久性修复时，尤其是应用于承受周期循环压力的管道修复中，还有待商榷。A 型套管修复和复合材料修复都需要进行有效的密封，以防止腐蚀性液体（如地下水）进入输送管道和修复套管之间的缝隙。A
12、型套管下的腐蚀可采用橡胶密封剂或能硬化的密封胶。硬化密封胶含有环氧树脂化合物，类似于粘结一些复合材料管套或填充金属缺损或凹痕的材料。一些密封化合物能有效地粘结润湿表面。粘结时间通常是管道温度高低的函数，表面温度越高，粘结越快。而B 型套管必须焊接到管线上，见图6 。它用在不能使用复合材料修复的场合，比如缺陷深度达到8 0 以上，具有周向缺陷、泄漏缺陷，或是会最终泄漏（如内部腐蚀）和裂缝等场合。 B 型套管的原材料成本要比复合材料的原材料成本更低，而刚度和材料长期使用性与管线材料相同。当比较不同维修方案的成本时，材料成本和安装成本都应计算在内。根据焊接人员的效用和工资标准不同，套管维修的机动成本
13、和应用成本变化很大。而在某些情况下，复合材料维修的机动成本可能相对较小，但材料成本却更贵。复合材料维修或湿缠法维修的工具通常具有标准的固定长度。（比如C l o c k S p r i n g s 工具是1 2 英寸 3 0 5 毫米 长）。如果缺陷区域的长度大于单个复合材料套的长度，使用套管修复的成本就比采用复合材料维修的成本要大大降低。虽然在将B 型套管焊接到在役管线上时会有一些顾虑，但只要遵循下列几条原则，这种操作就变得非常简单。第一个顾虑是焊接电弧可能会烧穿薄壁管道。第二个顾虑是焊接时可能会导致氢致开裂，因为焊缝管道内的流动介质会从管壁上带走热量，加速焊缝冷却。管壁被焊接电弧烧穿，有时
14、也被称作爆裂，会发生在压力管道焊接中，条件是焊接熔池底部的未熔化区不具备足够强度抵抗管道内部压力。典型的焊接烧穿见图7 。烧穿通常产生在焊接熔池底部，是一个小针孔。管道壁越薄，焊接烧穿的危险越大。由于管道中的流体会带走一部分管壁热量,在役管道焊缝焊接时，焊缝会加速冷却。冷却速率增大，会促使形成氢致裂纹敏感的淬硬组织。典型的氢致裂纹显微照片见图8 。氢致开裂需要同时满足三个条件：1 ）焊缝中存在氢；2 ）焊缝显微组织敏感；3 ）拉伸应力作用在焊缝上。当将套管焊接到在役管线上时，一些简单的原则有助于防止焊缝烧穿和氢致裂纹的产生。在役管道焊接R现代焊接 2 0 1 3 年第1 期 总第1 2 1 期
15、J -2 3v e r s e a sT e c h n o l o g yO国外技术这些原则如下：一个成熟的经验法则是当管道壁厚0 .2 5 0 i n .（6 . 4 m m ）时，使用低氢焊条进行正常的焊接操作时，焊接电弧不太可能会熔穿管壁（即烧穿）。这个原则似乎已经被一些公司忽视了，因为即是管壁厚度达到0 . 2 5 0 i n 或者更厚，公司也会有保持气流和/ 或减小压力的要求。如果壁厚0 . 2 5 0 i n . ，焊接操作中更需关注的是防止氢致开裂而不是防止烧穿。如果管壁厚度小于0 . 2 5 0 i n . ，还需采取特别的预防措施来减少烧穿的危险。这些措施包括：使用小直径、
16、低氢含量的焊条以减小焊接熔深以及限制热输入量等。评定焊缝烧穿的最有效工具是计算机热模拟，采用B a t t e l l e 模型或P R C I 模型。这些计算机模型预测的钢管内表面温度必须低于1 8 0 0 （9 8 2），才能将熔穿的风险降到最低，输入的条件函数包括焊接参数（电流、电压和焊接速度）、几何参数（壁厚等）和操作条件（管道流体、压力、流量等）。热模拟可以估计具体应用条件下的烧穿风险，或者是确定相应的焊接参数大小。关于防止烧穿有几种常见的错误观念：一是焊接时必须始终保持一定的气流量；二是必须降低工作压力。保持气流量会降低钢管内部表面温度，但由于钢管自身的热质量和钢管内介质的热特性，即使在气流很小或是没有气流的情况下，钢管内部表面温度也会低于1 8 0 0 。虽然维修工防止烧穿作中减小压力可以防止开裂，保护操作人员安全,进一步提高套管安装的密封性，已有研究结果表明管道壁的应力大小对烧穿的影响相对较小。这是因为焊接电弧的加热区域很小，管壁的应力能自动重新分布在加热区，就像应力分布在小的腐蚀坑周围一样。因此，减小压力对防止烧穿相对无效，通常也没
