燃?xì)夤艿肋x用非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法的研究

摘 要

摘要：本文重點論述了非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法的定義與功能；探討在運行燃?xì)夤艿赖臋z驗規(guī)則、評價方法首次建立了使用翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法修復(fù)后管道的安全運行壽命計算的理論。關(guān)鍵詞：非結(jié)構(gòu)性修復(fù)
摘要：本文重點論述了非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法的定義與功能；探討在運行燃?xì)夤艿赖臋z驗規(guī)則、評價方法首次建立了使用翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法修復(fù)后管道的安全運行壽命計算的理論。
關(guān)鍵詞：非結(jié)構(gòu)性修復(fù)；管道檢驗和評定；修復(fù)后壽命
The Research of Un-structured Rehabilitation Technology on Gas Pipeline
Beijing Gas Group Co., Ltd. Dong Jiuzhang
Abstract：In this paper，the definition and function of un-structured rehabilitation technology have been expounded，as well as the inspection rule and safe-evaluation on working gas pipeline is discussed further.It is noteworthy that the first time of establishing gas pipeline life-span theory after CIPP repair has been introduced also.
Keywords：un-struetured rehabilitation；gas pipeline inspection evaluation；life-span theory
1 非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法的定義與功能解釋
    在運行燃?xì)夤艿烂媾R技改大修時，通常有兩種選擇，既開挖換管和非開挖修復(fù)。非開挖修復(fù)根據(jù)不同修復(fù)工法的特點和修復(fù)后的效果，又分為結(jié)構(gòu)性修復(fù)(或更換)和非結(jié)構(gòu)性修復(fù)。結(jié)構(gòu)性修復(fù)(或更換)技術(shù)有PE管折疊內(nèi)插法、PE管縮徑內(nèi)插法、PE管插入法、復(fù)合材料膽式內(nèi)插法、裂管更換法等。非結(jié)構(gòu)性修復(fù)技術(shù)主要指柔性的翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法。
    管道的完整性管理理論將管道的缺陷主要分為兩類：平面型缺陷(裂紋型缺陷)和體積型缺陷(腐蝕缺陷)。機械損傷型缺陷和幾何不完整型缺陷通常不在考慮范圍內(nèi)。
    所謂非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法的定義是：在基本不改變原管道力學(xué)結(jié)構(gòu)的情況下，針對原管道的體積型缺陷(腐蝕穿孔和“虧肉”)、裂紋型缺陷(焊口開裂等)和將來還要發(fā)生的體積型缺陷進(jìn)行現(xiàn)狀修復(fù)和預(yù)防性修復(fù)，以達(dá)到不泄露效果的方法。
    翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法是典型的非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法。即對原管道的力學(xué)結(jié)構(gòu)改變很小，又能針對上述兩種缺陷進(jìn)行由內(nèi)向外的封堵式修復(fù)，從而達(dá)到保障管道安全運行的目的。
2 在運行燃?xì)夤艿赖臋z驗、評價
    本文所涉及的檢驗、評價區(qū)別于埋地管道防腐層的檢驗、評價概念。
    中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《腐蝕管道評估的推薦方法》SY/T10039—2002是由海洋石油總公司提出并歸口管理。2005年，中國石油天然氣總公司管材研究所的專家完成了《油氣輸送管道安全評價技術(shù)及其應(yīng)用研究》課題并申報了國家科技進(jìn)步獎。城市燃?xì)夤艿缹儆谑姓霉艿?，是工業(yè)管道中的一種，在還未出臺市政公用管道獨立的檢驗規(guī)程之前，我們先借鑒《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》(國質(zhì)檢鍋【2003】108號)中的原則和方法，用來參考并規(guī)范化我們的檢驗工作。應(yīng)該指出的是：無論是油氣長輸管線還是城市燃?xì)夤艿?，針對它們的檢驗、評價、安全評估、剩余強度、剩余壽命的研究是非常復(fù)雜和艱深的，目前形成的理論、成果、規(guī)程、成熟的技術(shù)解決方案也是局部的和動態(tài)發(fā)展中的。
    《壓力管道使用登記管理規(guī)則》中指出，壓力管道安全狀況分為以下4級：
   一級：設(shè)計、安裝資料齊全；設(shè)計、制造、安裝質(zhì)量符合規(guī)范；在設(shè)計條件下能安全使用的壓力管道。
   二級：設(shè)計、安裝資料不全；設(shè)計、制造、安裝質(zhì)量基本符合法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)。有缺陷，但不危及安全，使用單位采取有效措施的，可在3年～6年的檢驗周期內(nèi)和規(guī)定的使用條件下使用。
    三級：管道材質(zhì)與介質(zhì)不相容；設(shè)計、安裝使用不合規(guī)范。存在嚴(yán)重缺陷，但使用單位采取有效措施的，可在1年～3年檢驗周期內(nèi)和限定的條件下使用。
    四級：缺陷嚴(yán)重，難于或無法修復(fù)的管道，無修復(fù)價值，修復(fù)后難以安全運行。
3 在運行燃?xì)夤艿腊踩珷顩r評定、強度校核
    管道缺陷與安全狀況之間的因果關(guān)系從管材、焊接、連接、裂紋、腐蝕等方面進(jìn)行評定。如果管道結(jié)構(gòu)沒有變化，管材明確清晰，強度性能校核合格，滿足原設(shè)計要求，屬于一、二級。如果管材在理化檢驗時，有材料劣化，化學(xué)成分改變，強度降低，塑性與韌性降低，金相組織改變等情況發(fā)生，應(yīng)評定為四級。城市燃?xì)夤艿莱蓸O端外力破壞所引起的機械損傷之外，重要的安全隱患主要是由腐蝕引起的。當(dāng)一段管線運行了十幾、二十年，運行巡檢時出現(xiàn)了頻繁漏氣，例如，平均每公里出現(xiàn)了一個漏點，而該管線的位置處于重要的不能開挖的地段，折點較多，不適合于結(jié)構(gòu)性修復(fù)(或更換)，最適合使用翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法這種柔性的非結(jié)構(gòu)性修復(fù)技術(shù)進(jìn)行非開挖修復(fù)。如何判斷能否采用非結(jié)構(gòu)性修復(fù)法，主要是從以下兩個方面考量原管道的剩余強度能否滿足現(xiàn)狀運行壓力而產(chǎn)生的現(xiàn)狀應(yīng)力。
3.1 管道腐蝕減薄后的強度校核
   
    σ：工作管材的現(xiàn)狀應(yīng)力，MPa
    [σ]：管材的許用應(yīng)力，MPa
    P：運行壓力，MPa
    D：外徑，mm
    δ：現(xiàn)狀實測壁厚最小值，mm
    Ea：質(zhì)量系數(shù)，無縫鋼管為1，螺旋焊管為0.6
    C：預(yù)期使用周期的兩倍腐蝕深度，mm
    當(dāng)σ≤[σ]時，管道仍能安全運行。
3.2 連成片的腐蝕區(qū)域最大允許縱向長度：
10%δn＜腐蝕深度＜80%δn
 
    L：腐蝕區(qū)域的最大允許長度，mm
    d：實測腐蝕區(qū)的最大深度，mm
    D：管道的公稱外徑，mm
    δn：管道的公稱壁厚，mm
    當(dāng)實測連成片的腐蝕區(qū)域縱向最大長度＜L，管道仍能安全運行。
3.3 以北京市東二環(huán)路某中壓管線為例進(jìn)行強度校核計算
    北京市東二環(huán)路某燃?xì)夤芫€起點為東直門橋西南地鐵口，終點為建國門橋中閘1#，設(shè)計壓力0.4MPa，全長3450m。
    該管段建設(shè)投產(chǎn)年代為1987年開始，至80年代末完成，管徑為DN400，DN500，管材當(dāng)時使用了Q235，16Mn兩種。
    查閱當(dāng)時1987年的竣工資料，雖然不全，但材質(zhì)單上依然有16Mn鋼管的數(shù)據(jù)，屈服強度為336.3MPa，抗拉強度為460.9MPa，許用應(yīng)力為153.6MPa。
    查閱當(dāng)今壓力管道規(guī)范，工業(yè)管道第2部分材料得：16Mn鋼管抗拉強度490MPa～500MPa，屈服強度356MPa，許用應(yīng)力163MPa；Q235抗拉強度420MPa，屈服強度235MPa，許用應(yīng)力125MPa。
    在該管線上隨機開挖3個工作坑，選擇4個點測管頂、管底的壁厚，1#坑北側(cè)管段管頂壁厚6mm，管底壁厚5.7mm；南側(cè)管段管頂6.4mm，管底6.1mm；2#坑管段管頂壁厚5.5mm，管底壁厚6mm；3#坑管段管頂壁厚4.5mm，管底壁厚5.5mm。8個數(shù)據(jù)平均，現(xiàn)狀壁厚平均值為5.71mm，最小值4.5mm。
進(jìn)行強度校核計算：
 
   P取中壓A0.4MPa，D取426mm，δ取4.5mm，Ea取0.6，C取2mm時，
   現(xiàn)狀應(yīng)力：σ=56.5MPa
   拿得出的現(xiàn)狀工作應(yīng)力與較弱的材質(zhì)Q235的許用應(yīng)力125MPa比較，σ＜[σ]，管道仍可安全運行。
下面再計算一下，連成片的腐蝕區(qū)域最大容許縱向長度是多少：
 
    當(dāng)δn =8mm，d=3mm時，B=0.8819，L=60mm；
    當(dāng)δn =8mm，d=4mm時，B=0.6525，L=44.47mm。
    在搶修和技改施工中還未見該管線成片腐蝕區(qū)的長度超過以上兩個L值。
    結(jié)論：由于該管線自身結(jié)構(gòu)強度校驗合格，可以采用非結(jié)構(gòu)性修復(fù)技術(shù)即翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法進(jìn)行非開挖修復(fù)。
4 使用翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯材料修復(fù)后，管道的安全運行壽命計算
   在原管道強度校核始終處于合格范圍的前提下，翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯修復(fù)后管道的安全運行壽命取決于內(nèi)襯材料封堵體積型缺陷的失效時間，既當(dāng)內(nèi)襯材料由內(nèi)向外封堵了一個腐蝕點，該點從“虧肉”發(fā)展到較大穿孔，最終發(fā)展到內(nèi)襯材料在內(nèi)壓作用下無法封堵該孔洞而破裂，這時的腐蝕孔洞叫臨界孔洞。產(chǎn)生這種失效則修復(fù)后管道運行壽命終止。產(chǎn)生臨界孔洞時間與內(nèi)襯材料性能強度的衰減失效時間的交叉點就是修復(fù)后管道安全運行壽命的終點。
4.1 固有強度
固有強度的概念是美國賓夕法尼亞大學(xué)在研究內(nèi)襯材料的機械性能時原創(chuàng)的。
 
S：固有強度，kgf/cm
D：孔直徑，cm
P：圓面上的受力，kgf/cm2
 

    內(nèi)襯材料在封堵孔洞時，受力點主要集中在孔洞的周邊上，所以，固有強度值S很形象也很實用，圖1顯示了3個孔洞，兩個已經(jīng)被內(nèi)襯封堵住。經(jīng)過多年的研究和數(shù)據(jù)收集，筆者選取3個不同來源的某種內(nèi)襯材料S值：
    158磅/英寸：NTS，美國國家測試中心實測值，1999年
    186磅/英寸：北京建工學(xué)院材料實驗室實測值，2000年
    294磅/英寸：美國MILLER管道修復(fù)公司提供值，2001年
    3個不同測試結(jié)果取平均數(shù)確定S值。
 
    在近10年中，天津工業(yè)大學(xué)紡織材料化學(xué)院等單位的測試，都證明該種內(nèi)襯材料的固有強度值均在此范圍浮動。
    注：該試驗均為Φ50法蘭夾住材料，從一側(cè)打水壓或氣壓，記錄爆破時壓力值。
P值選擇次高壓B(8bar)時，爆破失效的臨孔直徑為：
 
    注：筆者在北京建工學(xué)院材料實驗室實驗測得不規(guī)則孔的衰減率為0.8962。
    D(不規(guī)則孔)=18.84×0.8962=16.88(cm)
4.2 固有強度隨時間的衰減率公式
    美國賓夕法尼亞大學(xué)用同一種內(nèi)襯材料即聚氨酯和聚酯纖維復(fù)合材料做了5000h鋼球頂破實驗，經(jīng)分析數(shù)據(jù)得出，該種材料S值隨時間衰減率為
    S∝T(-0.06)
    用這個結(jié)論計算一下50年后的S值：
    S(50年)=S(10min)×(10/26×106)0.06=0.41×S(10min)=15.45
    D(50年)=4×S(50年)/8=7.72(cm)
    考慮不規(guī)則孔洞的衰減率R=0.8962
    臨界孔洞D(50年)=7.72×R=6.92(cm)
    結(jié)論1：50年后，經(jīng)內(nèi)襯修復(fù)后的管道，當(dāng)運行壓力為8bar時，該種內(nèi)襯材料能封堵住的最大孔洞直徑為D=6.92(cm)。
4.3 臨界腐蝕孔洞產(chǎn)生時間與內(nèi)襯材料失效時間的交叉點計算
    《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撝乒艿栏g控制技術(shù)規(guī)程》CJJ95—2003中規(guī)定，土壤腐蝕性評價為強、中、輕、較輕、極輕5級?，F(xiàn)取中級的平均腐蝕率值C=5g/dm2.a
建立某腐蝕點模型等式：
 
c：土壤平均腐蝕速率
t：時間，年份數(shù)
Dt：t年后的孔洞直徑，mm
    δ：原鍘管厚度，mm
    ρ：鋼管密度，g/cm3
   
將④帶入①   t=47(年)
   S(10min)、取37.68kgf/cm。
    結(jié)論2：考慮內(nèi)襯材料是由聚氨脂與聚酯纖維合成的塑性材料，塑性材料的安全系數(shù)Ks取1.4～1.7，47年/1.4-1.7=33.5～27.6年，經(jīng)翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法修復(fù)后的管道在自身結(jié)構(gòu)強度校核合格的情況下，理論安全運行壽命是30年左右。
參考文獻(xiàn)
1 美國賓夕法尼亞大學(xué)內(nèi)襯材料研究報告.1999
2 董久樟.翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯發(fā)用于我國燃?xì)夤艿佬迯?fù)的應(yīng)用研究.2001
3 江孝褆.城鎮(zhèn)燃?xì)馀c熱能供應(yīng).2005
4 在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程(國質(zhì)檢鍋[2003]108號)
5 腐蝕管道評估的推薦法SY/T10039-2002
 
(本文作者：董久樟 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司 100035)