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石油平台海管立管腐蚀修复,介绍了海管潮差区和飞溅区立管部分目前现有的几种传统腐蚀修复方法和水下高分子材料修复法,中国机械网,okmao.com
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石油平台海管立管腐蚀修复,介绍了海管潮差区和飞溅区立管部分目前现有的几种传统腐蚀修复方法和水下高分子材料修复法
2020年03月13日    阅读量:862    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

处于海洋腐蚀环境的海上石油平台,根据海洋环境对管线的腐蚀机理,可将海洋环境分为大气区、飞溅区、潮差区、全浸区及海泥区。各区存在的腐蚀因子差异,导致管线在纵向腐蚀速度方面存在差异[1],其中潮差区和飞溅区由于长期处于干湿交替,氧气、电解质、海生物污染、阳光辐射等几种腐蚀因素同时存在的环境。


腐蚀最为严重中国机械网okmao.com。平台海管立管水线附近处于潮差区和飞溅区,加上管道内部高温油水的腐蚀,防腐层极易失效造成海管本体腐蚀,很多使用年限较久的平台的立管需要更换或进行腐蚀修复。


本文介绍了海管潮差区和飞溅区立管部分目前所采用的几种腐蚀修复方法,并结合渤海某油田2个平台海管立管腐蚀修复案例比较了几种腐蚀修复方法的特点。


现有海管立管腐蚀修复主要采用粘弹体缠绕修复技术、精蜡防腐修复技术、碳纤维复合材料修复技术、复合修复技术和机械修复技术。


(1)粘弹体缠绕修复技术。粘弹体是一种独特的聚烯烃类防腐材料,它具有单分子非键结的结构特征。这种特征使得它兼具有固体和液体的特性,以及长期保持冷流的特性,从而可以浸润到物体表面的微小孔隙,阻断气体、水分、离子、微生物的渗透,保证完全密封,阻断腐蚀。


工艺主要分为基底表面处理、防腐膏填平、缠绕粘弹体防腐胶带、缠绕PVC防护带、缠绕水固化环氧玻璃钢外护带等环节。缠绕粘弹体属于隔离性防腐,适合海管水上部分结构的腐蚀修复防护,由于修复材料是软材料,没有机械强度,不能对修复件结构加强。


(2)精蜡防腐修复技术。精蜡防腐主要是使用精蜡带和精蜡底剂。精蜡带主要由石油微晶蜡、腐蚀抑制剂与聚丙烯无纺布组成,施工触感类似黏土及蜡封工艺,为软性冷缠防腐蚀材料;精蜡底剂是由石油微晶蜡、塑化料及腐蚀抑制剂组成的膏状涂料(非底漆和粘着剂),可用手刷或徒手轻易施工,涂抹于钢结构可填封表面毛隙。


增加阻绝性,更可确保精蜡系统紧密包裹。和粘弹体缠绕修复技术类似,精蜡防腐修复技术也属于隔离性防腐,现有产品可用于海管水上部分的缠绕,由于石油微晶蜡的熔点在60~90 ℃之间,为了保证精蜡带和精蜡底剂不融化流淌,所修复海管使用温度一般不超过50 ℃。


(3)碳纤维复合材料修复技术。碳纤维复合材料补强技术,是复合材料修复技术的一种,碳纤维使用粘结树脂包覆在管道外形成补强层,分担管道承受的载荷,降低管壁的应力应变,从而恢复或提高管道的承压能力[3]。


采用碳纤维复合材料修复系统在进行缺陷修复时,首先利用填平树脂对缺陷进行填平处理,然后在管道外缠绕碳纤维与环氧粘结剂所组成的碳纤维复合材料,在管道外形成复合材料修补层[4]。碳纤维等高强度纤维配合环氧粘接剂用于海管的修复对管道有加强作用,可以提高结构强度,但目前应用也存在以下几个问题:

(a)环氧树脂难以在碳纤维上充分润湿,树脂和纤维之间的粘接力差,不能充分发挥纤维的强度;

(b)碳纤维具有导电性,如与底材直接接触会引起腐蚀,对防腐蚀不利;

(c)由于纤维的被润湿性差,只能采用边缠绕边涂刷的方法进行施工,施工效率低,无法对水下的海管进行修复。


(4)复合修复技术。复合修复的施工方法可以归纳为管线的涂层过程。第一层是玻璃纤维布包裹层,它与环氧树脂紧密渗透,这一层与管线刚体相连,可以将管线衬底分隔开来;第二层是玻璃层,当它固化后,可用于观察来保证与管线衬底的高质量粘合;


最后一层是碳纤维增强层。这种多层修复的特点可以确保管线承压能力和结构强度的恢复[5]。复合修复技术使用了玻璃纤维和碳纤维2种纤维,避免了碳纤维直接与海管本体直接接触,因此减小了腐蚀的风险。与碳纤维复合材料修复技术类似,复合修复技术也存在着难以润湿纤维、施工效率低、无法水下施工的缺点。


(5)机械修复技术。对于海管水下部分目前一般采用机械修复方法进行,此类修复方法主要分为三大类:

(a)平管起吊修复,首先将海底管道切割,然后吊至甲板上焊接新法兰后放入海底,最后安装短接管,此法只适合浅海平管的修复,不适合立管的修复;

(b)干式修复(包括常压干式舱环境下干式修复和围堰环境下干式修复),人为在水下创造干燥环境,然后进行切割焊接等作业完成修复;

(3)湿式修复(包括卡具修复、带压开孔封堵修复和机械连接器修复等),采用特殊的管道连接装置代替受损管道的修复方法,直接在水下完成作业[6]。相比较化学材料类修复技术,机械修复技术可靠性较高,可完全恢复原有管道结构强度,但该类修复方法工作量大,需要进行大量的切割、焊接、吊装工作,需要准备专用法兰、短接、连接器等,需要较多人员、设施配合,工作量巨大,成本极高。


渤海某油田2个平台海管立管经过多年的使用,由于长期处于高温高腐蚀环境,水线附近管体腐蚀减薄严重,结构强度降低。由于需维复区处于水线上下,需要带水作业,又有温度、强度和耐腐蚀要求,现有传统修复方法无法满足要求,通过调研,有一种水下高分子材料可以带水修复,耐温性好,结构强度高,耐腐蚀性好,可以作为2个平台海管立管腐蚀修复的选材之一。



1 水下高分子材料修复法

1. 1 修复原理

目前比较有实用价值的水下高分子材料是环氧类树脂,最早主要用于水下混凝土的修补。修补剂由液体环氧树脂、胺类固化剂、吸水填料、稀释剂、表面活性剂等组成,其原理是利用吸水填料消除水分的影响而形成粘接。


由于吸水填料会部分溶于水或过分吸水引起胶层体积膨胀,此类材料在水下粘接力普遍不高,只能作为填补孔洞、裂缝使用,不能作为结构加强使用。


受吸水填料过分吸水或提前吸水的限制,现主流水下高分子材料一般不含或少含吸水填料。由于此类水下高分子材料是在水下完成在基材表面的固化交联并粘接,所以需要对体系的亲水疏水性进行特别设计,水下高分子材料交联前整体是部分亲水的材料。


在水中不分散、不乳化,润湿性好,容易取代基材表面的水分并润湿基材,在交联固化的过程中逐渐吸收界面残留微量水分完成粘接,交联固化化学反应完成后,材料亲水性下降,排出吸收的水分,以保证后期的耐水性、防腐蚀性。


1. 2 主要原料

本文用到的主要原料的相关信息如表1所示。

主要原料信息

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此次修复渤海某油田2个平台海管立管所用的水下高分子材料牌号为纳塑钢NPS1101水下灌注材料,NPS1101交联前整体是部分亲水的材料,在水中不分散、不乳化,润湿性好,容易取代基材表面的水分并润湿基材,在交联固化的过程中逐渐吸收界面残留微量水分完成粘接,交联固化化学反应完成后,材料亲水性下降,排出吸收的水分,以保证后期的耐水性、防腐蚀性。


NPS1101 水下灌注材料是深圳市百安百科技有限公司自主研发的具有自主知识产权的高新技术产品,该产品已获得中国船级社认证,可用于水下200 m 范围内缠绕修复加强和水下100 m范围内管卡灌注修复。


1. 3 施工工艺

此次修复的海管立管具体位置为:1个平台水面以上3 m,另1个平台水面以下3 m至水面以上5 m,包含了潮差区和飞溅区,管内介质温度为79 ℃,具体的施工步骤如下。

1. 3. 1 表面处理

在对海管立管进行修复之前,清除修复区域用钢丝轮的浮泥和海生物等不固定杂质,再使用气动磨机打磨,清除表面附着不牢的氧化皮等残留物,并打磨至一定粗糙度(St 2. 0级),如图1所示。

表面处理前后

1. 3. 2 涂刷底涂层

为了增加水下高分子材料与底材的结合力,并防止海管立管水上部分表面处理后返锈,在完成表面处理后立即涂刷NPS8115多功能防腐材料作为底涂层,如图2所示。

平台海管立管涂刷底涂层

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1. 3. 3 水下高分子材料的缠绕

水上涂刷底涂层30 min后可进行水下高分子材料的缠绕。缠绕步骤为:将NPS1101水下灌注材料的基料和固化剂混合并搅拌均匀,通过涂布机将该材料均匀地浸润到NPS8902增强防腐带上并将其缠绕到临时滚轴上,如图3(a)所示。NPS8902增强防腐带为多孔有机纤维材质,和碳纤维、玻璃纤维相比较容易吸收浆料,与NPS1101水下灌注材料结合力高,施工效率高。

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高分子材料缠绕

将浸润好的增强防腐带缠绕到海管立管上,在缠绕过程中,第一层增强防腐带的缠绕方向与第二层增强防腐带的缠绕方向相反,这样可以确保缠绕层的整体均匀性和力学性能的各向均匀性,如图3(b)所示。图3(c)为其中某一平台水下缠绕时实况,图3(d)为其中另一平台水上部分完成缠绕的照片,海管立管的缠绕方向均为从最低位向上缠绕,缠绕搭接50%增强防腐带幅宽,共缠绕6次12层,总缠绕厚度约为12 mm。


1. 3. 4 水上部分涂刷抗紫外线面涂层

完成水下高分子材料缠绕1 h后,海管立管水上部分涂刷一层NPS8107抗紫外线防腐材料,该材料为新一代耐候聚脲,无溶剂,超耐候,可以抵抗阳光中紫外线的辐射,防止水下高分子材料缠绕层的老化,提高使用年限,图4为2个平台海管立管水上部分涂刷面涂层后的外观。

水上部分涂刷抗紫外线面涂层后的外观

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1. 4 水下高分子材料修复层的性能

经通标标准技术服务有限公司、广州特种承压设备检测研究院和中国船级社的检测和认证,纳塑钢NPS1101 水下灌注材料缠绕修复层的性能如表2所示。

水下高分子材料缠绕修复层的性能

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1. 5 不同海管立管腐蚀修复技术的比较

本文归纳总结了不同海管立管腐蚀修复技术的特点,结果如表3 所示。通过表3 比较显示:采用NPS1101水下灌注材料缠绕修复相比较其他几种修复方法修复效果最为全面,可以兼顾防腐性、结构强度、耐温性和施工效率,综合成本较低。


2 结语

石油平台海管立管水线附近区域的腐蚀修复要求具有较高的防腐蚀性、结构强度和耐温性,修复过程中涉及到带水作业,现有传统的几种修复方法都具有较大缺陷,采用NPS1101水下灌注材料配合其他几种辅助材料对海管立管进行水上水下缠绕修复兼顾了各种技术要求,修复质量高,修复工期短,修复成本低。


本次渤海某油田2个平台海管立管水下缠绕修复是该款水下高分子材料在渤海首次水下成功应用,和南海海域不同的是,渤海水下能见度低、水质污染严重、温度低,这些不利因素对材料品质和施工来说都是一次考验。


经过多方努力,克服困难,此次海管水上和水下修复都取得了满意的效果,进一步证明了材料和施工工艺的可靠性,该技术突破了传统的几种修复方法的水下修复禁区,具有较大的推广意义。


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