长输管道应急抢修技术现状和发展趋势探讨

李玉忠，谢 楠，武国栋，白晓航，马伟平

1.中海油石化工程有限公司，山东青岛 266101

2.中国石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南郑州 451450

3.国家管网集团北方管道有限责任公司沈阳输油气分公司，辽宁沈阳 113001

4.国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心，河北廊坊 065000

“十三五”期间我国长输管道发展迅速，截至2017年底，陆上油气长输管道总里程达13.3×104km[1]。管道发生油气泄漏爆炸事故会造成重大人员伤亡和经济损失。2009年12月某成品油管道渭南支线发生泄漏，约1 500 m3柴油流入黄河造成了严重污染[2]。2013年11月中石化输油管道泄漏，原油进入市政排水暗渠，在暗渠密闭空间内油气聚集遇火花发生爆炸，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失7.5亿元[3]。定期对管道进行维护和维修，可减少管道事故发生概率，管道应急抢修技术越来越受重视和关注[4]。我国管道应急抢修存在的问题[5]：抢修队伍技术、装备水平参差不齐，应急抢修体系建设缺乏科学规划和整合[6]；在高压管道、海底管道和智能封堵机具研发及应用方面存在差距[7]；仅有SY/T 7033《钢质油气管道失效抢修技术规范》，缺少长输管道应急抢修技术的国家标准。

为提高管道行业快速应对、处置油气泄漏事故，实现安全、高效管道抢修作业，保障管道安全运行；以下阐述国内外管道行业在补板抢修、带压开孔封堵、堵漏夹具方面的技术现状，涵盖国内外管道抢修机具主流产品性能参数，并介绍智能封堵、复合材料等新型管道抢修技术。结合我国长输管道应急抢修实践经验和应用情况，还将提出管道应急抢修体系建设工作和研究建议。

1 管道补板抢修技术

补板抢修技术是先采用漏点处理装置（形式有木楔式、机械顶针式和引流补板式）初步封住管道漏点区域，再用链式紧固器将具有一定弧度的堵漏板与管道紧密贴合，最后焊接为一体堵住泄漏点，见图1。该技术简便快捷，适用于管道腐蚀穿孔、微小泄漏、表面金属损失或规则的小面积机械损伤缺陷抢修。应用该技术时，管道运行压力应降至设计压力的1/3，输气管道应停输泄压；还需注意焊接材料与管材的性能匹配和传力均匀等问题。

图1 管道补板抢修技术示意

美国以往将补孔和半圆补强板用于管道泄漏抢修，补口覆盖管表面面积较小；半圆补强板覆盖50%管表面，最长沿轴向3 m。研究表明，补孔和半圆补强板修复技术对管材制造缺陷很敏感，不适用于高压力管道泄漏情形，目前欧洲和北美不推荐这类技术，特别是输气管道禁止使用[8]。国内管道工程实践证明，补板抢修技术的安全隐患是补强板与管壁间的角焊缝可能由于应力集中引发疲劳破坏。因此，应设计与管道尽可能贴近的补强板弧度，并严格施工组对，以保证焊缝质量。

2 管道开孔封堵技术

管道开孔封堵技术是先在维修管段或阀门两侧安装机械三通、夹板阀与开孔机，利用开孔机及筒刀进行管道开孔作业，最后注入封堵头完成封堵。国内管道行业主要配备塞式（盘式）封堵器和挡板-囊式封堵器，还应用了悬挂式、筒式和折叠式封堵技术。塞式封堵设备为美国TDW公司产品，挡板-囊式封堵器适用于低压力管道（施工压力不超过0.3 MPa），作业前需降低管道运行压力。悬挂式封堵利用管内介质压力使皮碗膨胀实现密封，适用于多种介质、高压力、管内清洁度差的管道情形。筒式封堵适用于中低压气体管道，开孔直径大于管径，成本较高，只适用DN500以下管道。折叠封堵适用于大口径（720～1 219 mm）、低压力（施工压力低于1.1 MPa）管道，开孔直径仅为管径的1/3。通过引进美国设备和自主研发，国内已具备管径34～1 219 mm、运行压力12 MPa以下油气管道的不停输开孔封堵维修能力，有效降低了油气停输造成的经济损失，目前正在开展管径1 422 mm管道抢修设备研究[9]。

国外带压开孔封堵技术可实现管径25～2438mm管道设施抢修，适用最大工作压力10 MPa以上，广泛应用于换管、更换阀门和分输改造等突发性事故抢修[10]，代表性产品是美国TDW公司研发的2400型开孔机，最大带压开孔直径达到2 500 mm（罐体容器开孔）、最高工作压力15 MPa、最大操作温度370℃，对于输气管道的最大允许流速为9.2 m/s。美国TDW公司产品STOPPLE封堵机，采用塞式封堵，最大操作压力10.2 MPa（37.7℃），最高操作温度371.1℃（4.8 MPa），可对管径101.6～914.4 mm的管道进行封堵。美国Furmanite公司悬挂式封堵头，最高设计压力12.5 MPa，经1.5倍最大封堵压力试验验证成功，可对管径1 372 mm管道实施封堵[11]。

带压开孔封堵技术在管道抢修中发挥着重要作用，存在的问题有：开孔机刀具振动导致鞍形板掉落；封堵器密封性能不能得到根本保证，开孔封堵作业存在安全风险；开孔机开孔作业效率、精度和筒刀寿命还需提高。未来研究方向是研发高性能开孔机和新型筒刀，提高开孔作业的效率与精度，保证开孔作业安全；优化改进封堵头注入机械结构，解决封堵器密封问题，特别是大管径封堵头在重力作用下的橡胶变形[12]。

3 夹具堵漏技术

夹具堵漏技术是在管道泄漏部位安装夹具，夹具与泄漏部位形成密封空腔，实现管道堵漏和补强。夹具抢修操作简便，无需焊接作业，避免焊接残余应力，适用于因裂纹、腐蚀穿孔导致的较小油气泄漏情形，但管道形变应在夹具精度允许范围内，且在压力等级较低的管道应用。

目前国内陆上油气管道夹具技术成熟，常用夹具类型有链式封头夹具、单面锁式夹具、套袖封堵夹具和对开式（弧板型）夹具等[13]。代表性产品有上海光本公司的T型抢修夹具、M高压抢修卡具；北京管通公司的拆耳浮环夹具、局部双层夹具等，产品技术参数见表1。

表1 国内管道抢修夹具产品技术参数

国外管道抢修夹具技术成熟，解决了海洋管道水下密封与承压技术问题，主要用于海底管道和立管的维修抢修。Oil-States Hydro Tech公司成功进行了140次海底管道抢修作业，最大深度1 615 m，最大工作压力10.5 MPa。STATS-Group公司的抢修夹具如图2所示，夹具内部双重密封橡胶能对维修管段实现轴向压力密封，具有较好锚固性能，适用于工作压力不大于30 MPa、管径114～1 168 mm的海底管道、立管、干线管道的抢修。美国TDW公司研发的耦合式堵漏卡具适用于管径1 219 mm管道，可用于砂眼、腐蚀坑、裂缝等微量泄漏的永久堵漏，工作压力可达13.8 MPa[14]。Furmanite公司对开套管维修夹具（见图3）广泛应用于在役管道泄漏修复和管体损伤维修，可以直接安装在标准壁厚管道上，无需焊接施工，如管道形变过大或者表面状况较差，可能影响密封能力，安装前需检测管道光洁度和椭圆度。

图2 STATS-Group公司夹具示意

图3 Furmanite公司管道抢修夹具

管道抢修夹具未来将在高寒、山区、水网等复杂恶劣环境应用，对其应用提出更高要求，例如密封压力越来越高，实现永久性修复，易于安装等。借助计算机有限元等辅助工具，针对卡具材料、本体、耳体、螺栓、密封材料进行结构和应力优化设计等[15]。海洋管道抢修夹具发展趋势是研发新型密封材料以适应高密封压力[16]，适用于深水管道，借助水下机器人或机具完成夹具安装，远程可靠控制操作。

4 钢质环氧套筒补强技术

钢质环氧套筒补强技术实施过程是，先用钢质套筒将管道故障部位包裹，然后用密封剂对套筒两端进行密封，最后在套筒与管体之间的空隙注入环氧树脂。该技术适用于天然气管道和成品油管道，较为经济安全。

钢质环氧套筒补强技术在国外非常成熟，广泛用于管道抢修。从2005年陕京管道、西气东输管道和西南油气田公司管道抢修作业开始采用该技术，管径为406～1 016 mm。四川科宏石油天然气工程有限公司的钢质环氧套筒的设计压力达10 MPa，管径为108～1 620 mm。

5 管道抢修前沿技术

5.1 复合材料抢修技术

复合材料抢修技术是将高强度填料涂敷在管道缺陷部位，将作用在缺陷部位的应力均匀传递至复合材料套筒，二者紧密贴合、分布管道应力，实现管道补强。该技术具有安装简便、施工时间短、成本低、可永久性恢复管道承压能力等优点，可用于管道不停输抢修和恶劣复杂环境。复合材料由玻璃/碳纤维和聚酯/乙烯酯/环氧树脂组成，复合材料施工方法包括预成型法、湿缠绕法和预浸料法。

国外代表性产品是美国ClockSpring公司的ClockSpring复合套筒[17]（见图4），由高强度单向复合套筒、快速固化强力双面黏合剂和超高抗压强度填料组成，该产品适用于管体补强、堵漏和裂缝抑制等情形，用于管道补漏修复时，孔洞直径不超过25 mm。截至目前ClockSpring复合套筒在北美和欧洲修复管道9 000多例，与管道100%粘合，湿气不会进入管道缺陷，对管道阴极保护系统无影响。其他国外复合材料有美国的Armor Plate、Diamondwrap及英国的Furmanite等[18]。

图4 美国ClockSpring复合套筒

碳纤维弹性模量与钢材接近，碳纤维和管材协同变形具有优势，碳纤维敷设方式和综合性能最优，碳纤维复合材料修复技术是发展趋势。总体来看，国内复合材料产品性能还不够稳定，还不能完全满足高寒、山区等特殊环境管道抢修要求，仅在X52钢级及以下的中低等级输油管道应用[19]，还应进一步在X70、X80钢级高压天然气管道进行验证应用研究。

5.2 管道智能封堵技术

管道智能封堵技术由挪威PSI公司开发，突破了封堵器由开孔进入管道的结构性局限。封堵器从管道清管器发球端进入，在管内介质压力推动下向前运行，到达指定位置时在超低频电磁脉冲信号（ELF）控制下启动微型液压系统进行刹车并完成封堵，在ELF控制下启动自动解封，在管内介质压力下移动至收球端取出[20]。该技术无需管道开孔、焊接作业，适用于管道干线截断阀更换维修。代表性产品是TDW公司产品SmartPlug[21]，适用管径254～1 067 mm，最大工作压力20 MPa。

2013年3月TDW公司研发出Smarttrack TM监控系统，可与SmartPlug联合进行管道封堵，封堵器运行及定位更加准确可靠，并实时监控管道压力、温度参数，可应用于管道抢修和清管作业，不需要降低管道运行压力，待维修管段也不需放空，即降低了开孔、焊接的风险，又降低了管道维修成本。STATSGroup公司的封堵产品适用管径323～1067mm，代表性产品Tecno Plug TM（见图5）具有自动防故障的双封堵头，可以通过远程控制和手动操作完成封堵器的坐封与解封操作。管道智能封堵技术的发展方向是：封堵器制动装置准确定位，实现快速制动封堵；通信系统可靠，提高处理速度，实现检测和控制功能，应用于管道清管和内检测等。

图5 STATS Group公司Tecno Plug TM实物

5.3 裂缝密封机器人

裂缝密封机器人是使用厌氧型密封胶材料注入裂缝实现密封，主要适用于管径为150～310 mm的中小管道，管道修复机器人自主完成作业，无需管道停输和开孔焊接作业。

5.4 小孔洞泄漏修复夹具

小孔洞泄漏修复夹具（见图6）属于新型管道修复夹具，主要适用于管径150～350 mm的中小管道，最大封堵压力为14 MPa，适用于封堵最大孔径12 mm的泄漏孔，是修复管道较小腐蚀穿孔、局部小孔泄漏的快速通用方法。

图6 小孔洞泄漏修复夹具

6 结论

管道应急抢修技术是一项高风险、多学科高度集成的系统工程，应着力满足当前管道运行管理需求，持续跟踪国外新型管道抢修技术发展动态。建议如下：

（1）解决高压力、大口径、高钢级管道封堵设备密封问题，目的是提升封堵作业的安全性，这也是管道应急抢修的研究方向。

（2）加强管道抢修专用机具设备研发，研究方向是智能化、数字化、轻便快捷，例如智能组对、全自动焊接技术可缩短抢修时间；研发高钢级管道用补强套袖；研究高寒、山地、水网等特殊环境用抢修设备进场方式等。

（3）建立管道应急抢修数据库系统（Emergency Pipeline Repair System，EPRS），对在役管道进行可靠性评估，分析研究腐蚀、裂纹、凹坑等缺陷检测数据，掌握管道缺陷发展趋势，制定科学维修方案。

（4）开展海底管道抢修技术研究迫在眉睫，我国海底管道总长度已达5 000 km，随着服役时间延长，管道失效概率增加，受制于国外技术封锁，管道维修费用十分高昂。

（5）与国外知名管道抢修公司相比，我国在海底管道抢修、高温高压封堵、管道断裂抢修以及特殊介质抢修技术方面还存在差距，这是下一步研究工作重点。