燃气管道选用非结构性修复法的研究

摘 要

摘要：本文重点论述了非结构性修复法的定义与功能；探讨在运行燃气管道的检验规则、评价方法首次建立了使用翻转内衬法修复后管道的安全运行寿命计算的理论。关键词：非结构性修复
摘要：本文重点论述了非结构性修复法的定义与功能；探讨在运行燃气管道的检验规则、评价方法首次建立了使用翻转内衬法修复后管道的安全运行寿命计算的理论。
关键词：非结构性修复；管道检验和评定；修复后寿命
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 非结构性修复法的定义与功能解释
    在运行燃气管道面临技改大修时，通常有两种选择，既开挖换管和非开挖修复。非开挖修复根据不同修复工法的特点和修复后的效果，又分为结构性修复(或更换)和非结构性修复。结构性修复(或更换)技术有PE管折叠内插法、PE管缩径内插法、PE管插入法、复合材料胆式内插法、裂管更换法等。非结构性修复技术主要指柔性的翻转内衬法。
    管道的完整性管理理论将管道的缺陷主要分为两类：平面型缺陷(裂纹型缺陷)和体积型缺陷(腐蚀缺陷)。机械损伤型缺陷和几何不完整型缺陷通常不在考虑范围内。
    所谓非结构性修复法的定义是：在基本不改变原管道力学结构的情况下，针对原管道的体积型缺陷(腐蚀穿孔和“亏肉”)、裂纹型缺陷(焊口开裂等)和将来还要发生的体积型缺陷进行现状修复和预防性修复，以达到不泄露效果的方法。
    翻转内衬法是典型的非结构性修复法。即对原管道的力学结构改变很小，又能针对上述两种缺陷进行由内向外的封堵式修复，从而达到保障管道安全运行的目的。
2 在运行燃气管道的检验、评价
    本文所涉及的检验、评价区别于埋地管道防腐层的检验、评价概念。
    中华人民共和国石油天然气行业标准《腐蚀管道评估的推荐方法》SY/T10039—2002是由海洋石油总公司提出并归口管理。2005年，中国石油天然气总公司管材研究所的专家完成了《油气输送管道安全评价技术及其应用研究》课题并申报了国家科技进步奖。城市燃气管道属于市政公用管道，是工业管道中的一种，在还未出台市政公用管道独立的检验规程之前，我们先借鉴《在用工业管道定期检验规程》(国质检锅【2003】108号)中的原则和方法，用来参考并规范化我们的检验工作。应该指出的是：无论是油气长输管线还是城市燃气管道，针对它们的检验、评价、安全评估、剩余强度、剩余寿命的研究是非常复杂和艰深的，目前形成的理论、成果、规程、成熟的技术解决方案也是局部的和动态发展中的。
    《压力管道使用登记管理规则》中指出，压力管道安全状况分为以下4级：
   一级：设计、安装资料齐全；设计、制造、安装质量符合规范；在设计条件下能安全使用的压力管道。
   二级：设计、安装资料不全；设计、制造、安装质量基本符合法规与标准。有缺陷，但不危及安全，使用单位采取有效措施的，可在3年～6年的检验周期内和规定的使用条件下使用。
    三级：管道材质与介质不相容；设计、安装使用不合规范。存在严重缺陷，但使用单位采取有效措施的，可在1年～3年检验周期内和限定的条件下使用。
    四级：缺陷严重，难于或无法修复的管道，无修复价值，修复后难以安全运行。
3 在运行燃气管道安全状况评定、强度校核
    管道缺陷与安全状况之间的因果关系从管材、焊接、连接、裂纹、腐蚀等方面进行评定。如果管道结构没有变化，管材明确清晰，强度性能校核合格，满足原设计要求，属于一、二级。如果管材在理化检验时，有材料劣化，化学成分改变，强度降低，塑性与韧性降低，金相组织改变等情况发生，应评定为四级。城市燃气管道除由极端外力破坏所引起的机械损伤之外，重要的安全隐患主要是由腐蚀引起的。当一段管线运行了十几、二十年，运行巡检时出现了频繁漏气，例如，平均每公里出现了一个漏点，而该管线的位置处于重要的不能开挖的地段，折点较多，不适合于结构性修复(或更换)，最适合使用翻转内衬法这种柔性的非结构性修复技术进行非开挖修复。如何判断能否采用非结构性修复法，主要是从以下两个方面考量原管道的剩余强度能否满足现状运行压力而产生的现状应力。
3.1 管道腐蚀减薄后的强度校核
   
    σ：工作管材的现状应力，MPa
    [σ]：管材的许用应力，MPa
    P：运行压力，MPa
    D：外径，mm
    δ：现状实测壁厚最小值，mm
    Ea：质量系数，无缝钢管为1，螺旋焊管为0.6
    C：预期使用周期的两倍腐蚀深度，mm
    当σ≤[σ]时，管道仍能安全运行。
3.2 连成片的腐蚀区域最大允许纵向长度：
10%δn＜腐蚀深度＜80%δn
 
    L：腐蚀区域的最大允许长度，mm
    d：实测腐蚀区的最大深度，mm
    D：管道的公称外径，mm
    δn：管道的公称壁厚，mm
    当实测连成片的腐蚀区域纵向最大长度＜L，管道仍能安全运行。
3.3 以北京市东二环路某中压管线为例进行强度校核计算
    北京市东二环路某燃气管线起点为东直门桥西南地铁口，终点为建国门桥中闸1#，设计压力0.4MPa，全长3450m。
    该管段建设投产年代为1987年开始，至80年代末完成，管径为DN400，DN500，管材当时使用了Q235，16Mn两种。
    查阅当时1987年的竣工资料，虽然不全，但材质单上依然有16Mn钢管的数据，屈服强度为336.3MPa，抗拉强度为460.9MPa，许用应力为153.6MPa。
    查阅当今压力管道规范，工业管道第2部分材料得：16Mn钢管抗拉强度490MPa～500MPa，屈服强度356MPa，许用应力163MPa；Q235抗拉强度420MPa，屈服强度235MPa，许用应力125MPa。
    在该管线上随机开挖3个工作坑，选择4个点测管顶、管底的壁厚，1#坑北侧管段管顶壁厚6mm，管底壁厚5.7mm；南侧管段管顶6.4mm，管底6.1mm；2#坑管段管顶壁厚5.5mm，管底壁厚6mm；3#坑管段管顶壁厚4.5mm，管底壁厚5.5mm。8个数据平均，现状壁厚平均值为5.71mm，最小值4.5mm。
进行强度校核计算：
 
   P取中压A0.4MPa，D取426mm，δ取4.5mm，Ea取0.6，C取2mm时，
   现状应力：σ=56.5MPa
   拿得出的现状工作应力与较弱的材质Q235的许用应力125MPa比较，σ＜[σ]，管道仍可安全运行。
下面再计算一下，连成片的腐蚀区域最大容许纵向长度是多少：
 
    当δn =8mm，d=3mm时，B=0.8819，L=60mm；
    当δn =8mm，d=4mm时，B=0.6525，L=44.47mm。
    在抢修和技改施工中还未见该管线成片腐蚀区的长度超过以上两个L值。
    结论：由于该管线自身结构强度校验合格，可以采用非结构性修复技术即翻转内衬法进行非开挖修复。
4 使用翻转内衬材料修复后，管道的安全运行寿命计算
   在原管道强度校核始终处于合格范围的前提下，翻转内衬修复后管道的安全运行寿命取决于内衬材料封堵体积型缺陷的失效时间，既当内衬材料由内向外封堵了一个腐蚀点，该点从“亏肉”发展到较大穿孔，最终发展到内衬材料在内压作用下无法封堵该孔洞而破裂，这时的腐蚀孔洞叫临界孔洞。产生这种失效则修复后管道运行寿命终止。产生临界孔洞时间与内衬材料性能强度的衰减失效时间的交叉点就是修复后管道安全运行寿命的终点。
4.1 固有强度
固有强度的概念是美国宾夕法尼亚大学在研究内衬材料的机械性能时原创的。
 
S：固有强度，kgf/cm
D：孔直径，cm
P：圆面上的受力，kgf/cm2
 

    内衬材料在封堵孔洞时，受力点主要集中在孔洞的周边上，所以，固有强度值S很形象也很实用，图1显示了3个孔洞，两个已经被内衬封堵住。经过多年的研究和数据收集，笔者选取3个不同来源的某种内衬材料S值：
    158磅/英寸：NTS，美国国家测试中心实测值，1999年
    186磅/英寸：北京建工学院材料实验室实测值，2000年
    294磅/英寸：美国MILLER管道修复公司提供值，2001年
    3个不同测试结果取平均数确定S值。
 
    在近10年中，天津工业大学纺织材料化学院等单位的测试，都证明该种内衬材料的固有强度值均在此范围浮动。
    注：该试验均为Φ50法兰夹住材料，从一侧打水压或气压，记录爆破时压力值。
P值选择次高压B(8bar)时，爆破失效的临孔直径为：
 
    注：笔者在北京建工学院材料实验室实验测得不规则孔的衰减率为0.8962。
    D(不规则孔)=18.84×0.8962=16.88(cm)
4.2 固有强度随时间的衰减率公式
    美国宾夕法尼亚大学用同一种内衬材料即聚氨酯和聚酯纤维复合材料做了5000h钢球顶破实验，经分析数据得出，该种材料S值随时间衰减率为
    S∝T(-0.06)
    用这个结论计算一下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)
    考虑不规则孔洞的衰减率R=0.8962
    临界孔洞D(50年)=7.72×R=6.92(cm)
    结论1：50年后，经内衬修复后的管道，当运行压力为8bar时，该种内衬材料能封堵住的最大孔洞直径为D=6.92(cm)。
4.3 临界腐蚀孔洞产生时间与内衬材料失效时间的交叉点计算
    《城镇燃气埋地钢制管道腐蚀控制技术规程》CJJ95—2003中规定，土壤腐蚀性评价为强、中、轻、较轻、极轻5级。现取中级的平均腐蚀率值C=5g/dm2.a
建立某腐蚀点模型等式：
 
c：土壤平均腐蚀速率
t：时间，年份数
Dt：t年后的孔洞直径，mm
    δ：原铡管厚度，mm
    ρ：钢管密度，g/cm3
   
将④带入①   t=47(年)
   S(10min)、取37.68kgf/cm。
    结论2：考虑内衬材料是由聚氨脂与聚酯纤维合成的塑性材料，塑性材料的安全系数Ks取1.4～1.7，47年/1.4-1.7=33.5～27.6年，经翻转内衬法修复后的管道在自身结构强度校核合格的情况下，理论安全运行寿命是30年左右。
参考文献
1 美国宾夕法尼亚大学内衬材料研究报告.1999
2 董久樟.翻转内衬发用于我国燃气管道修复的应用研究.2001
3 江孝褆.城镇燃气与热能供应.2005
4 在用工业管道定期检验规程(国质检锅[2003]108号)
5 腐蚀管道评估的推荐法SY/T10039-2002
 
(本文作者：董久樟 北京市燃气集团有限责任公司 100035)