ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７１—５１５２．２０１２．０３．００３ 燃气管道选用非结构性修复法的研究 口北京市燃气集团有限责任公司（１ ０００３５）董久樟 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－ｓｔｍｃｔｕｒｅｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｇａｓ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｇａｓ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｄｏｎｇ Ｊｉｕｚｈａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎ－ｓｔｒｕｅｔｕｒｅｄ 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—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｌｉ￣－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 （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 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 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。 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 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 １２ ｌ城市燃气．月刊 蓝久樟・燃气管道选用非结构性修复法的研讨 司管材研究所的专家完成了《油气输送管道安全评价 判断能否采用非结构性修复法，主要是从以下两个方 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的检验规程之前， 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 ｏｒ：我们先借鉴《在用工业管道定期检验规程》（国质检 ＝—二—————＿堕 ＿＝≤ｌ≤ ｌ ２ ６一Ｃ）Ｅａ ：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 ‘’ 工作管材的现状应力，ＭＰａ 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 ［ ］：管材的许用应力，ＭＰａ Ｐ：运行压力，ＭＰａ Ｄ：外径，ｍｍ ８：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 ≤［盯］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％８ ｎ＜腐蚀深度＜８０％８ ｎ 厨 √（ ） 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，ｉｉｌｍ ８ ｎ：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３ ４５０ｍ。 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。 ２０１２／０３总第４４５期ｌ １３ 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５．７ｒａｍ；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６ｒａｍ；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： Ｐｌ Ｄ一（ 一Ｃ）ｌ ｒｒ＝一 ２（６一Ｃ）Ｅａ Ｐ取中压Ａ０．４ＭＰａ，Ｄ取４２６ｍｍ，８取４．５ｍｍ，Ｅａ 取０．６，Ｃ取２ｍｍ时， 现状应力：盯＝５６．５ＭＰａ 拿得出的现状工作应力与较弱的材质Ｑ：， 的许用 应力１２５ＭＰａｌ：ｔ较，盯＜【盯】，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： Ｌ：１．１２Ｂ√丽 当ｎ￣８ｍｍ，ｄ＝３ｍｍ时，Ｂ＝０．８８１９，Ｌ＝６０ｍｍ； 当８ ＝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，这时的腐蚀孑Ｌ洞叫临界孔洞。产生这种失 效则修复后管道运行寿命终止。产生临界孑Ｌ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。 １４ ｆ城市燃气．月刊 圆面上受力 仃（ Ｄ） ×Ｐ ＰＤ ’＇＝一＝一＝一 圆周长 ７ｒ×Ｄ ４ Ｓ：固有强度，ｋｇｆ／ｃｍ Ｄ：孑Ｌ直径，ｅｍ Ｐ：圆面上的受力，ｋｇｆ／ｃｍ 图１ 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正 １ ８６磅／英寸：北京建工学院材料实验室实测值， ２０００焦 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。 ｓ：—Ｓ＝—１５８＋１８—６＋２９４ —＝２１２ ２．． ７（１７ ｌｂ／Ｉｎ）３７／ｎ＝３７．．（６８（ｋ＃＇ ／ｃｍ）） ３ 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４ ５０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Ｉ临孔直 蕾久樟・燃气管道选用非结构性修复法的研讨 径为： ：原 官厚Ｊ芰，ｍｍ Ｄ（光孔）：竺：—４ ｘ ３—７．６８：１８８４ ｃｍ） ．Ｐ：钢管密度，ｇ／ｃｍ ５×ｆ＝ ７７＂×０．８ ８×７．８× 一注：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。 ・．① ５ ＝ ＰＤｔ 。Ｄ（不规则孔）＝１８．８４ Ｘ ０．８９６２＝１６．８８（ｅ／Ｔ／） ４．２固有强度随时间的衰减率公式 ．４ ｓ ・． ＝ 一② 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５ ０００ｈ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。ｃＴ（一０．０６ Ｐ＝０．８ＭＰａ次高压Ｂ ．５ｆ … ×（ ４ ＝ ） ∞ 一③ 用这个结论计算一下５０年后的Ｓ值： Ｓ（５０年）＝Ｓ（１ ０ｍｉｎ）×（１ ０／２６×１ ０６） ０．０６＝０．４１ Ｘ Ｓ（１０ｍｉｎ）＝１５．４５ ＸＳ（１ｏｍｍ）Ｘ（ ｔ＝４７（年） ） 嘶一④ 将④带人①（５０年）＝４ ＸＳ（５０年）／８＝７．７２（ｃｍ） Ｓ（Ｊ ）取３７．６８ｋｇｆ／ｃｍ。 考虑不规则孔洞的衰减率Ｒ＝０．８９６２ 临界孔洞 （５０年）＝７．７２×Ｒ＝６．９２（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， 结论１：５０年后，经内衬修复后的管道，当运行 ４７年／１．４～１．７：３３．５～２７．６年，经翻转内衬法修复后的管 压力为８ｂａｒ时，该种内衬材料能封堵住的最大孔洞直 道在自身结构强度校核合格的情况下，理论安全运行 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 寿命是３０年左右。 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、 参考文献 １美国宾夕法尼亚大学内衬材料研究报止．１９９９ 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… ｘ ６ ｘ ｐ ２董久樟．翻转内衬法用于我国燃气管道修复的应用研 究．２００１ ３江孝裎．城镇燃气与热能供应．２００５ ｃ：土壤平均腐蚀速率 ｔ：时间，年份数 Ｄ ：ｔ年后的孔洞直径，ｍｍ ４在用工业管道定期检验规程（国质检锅［２００３１１０８号） ５腐蚀管道评估的推荐法ＳＹ／Ｔ１００３９－２００２ 青海省大通县与北京国能签订天然气液化项目 青海省大通县招商引资工作传来喜讯。该县与 北京国能新兴能源股份公司签订投资１０亿元的天然 气液化项目。计划建设一座日处理１００万ｍ。的液化工 厂；建设一座储配站及２０座加气站；配套１００台物 流ＬＮＧ槽车。该项目拟于２０１２年３月份开工建设。 （本刊通讯员供稿） ２０１２／０３总第４４５期ｌ １５
