碳纤维复合材料补强技术在输油管道维修中的应用

       大量统计数据表明，第三方损害及防腐层破损引起的腐蚀缺陷是威胁在役输油管道管道安全运行的主要风险因素。目前，针对机械损伤或腐蚀缺陷而尚未泄漏的管道，主要的修复技术包括焊接、换管、夹具、纤维复合材料修复等。
 

       采用焊接方法对输油管道修复具有很大的危险性。由焊接引起的管道安全事故屡见不鲜。换管的经济成本和社会成本都非常高，在交通流量较大或人口稠密地区受到严重制约。
 

       夹具修复方法的原理是使用金属夹具包覆在缺陷管道外，恢复管道承压能力。特点是能够在不破坏原有管道的情况下进行增强。但夹具方法操作复杂，在一定条件下用于处理泄漏的管道具有明显的优势，而对于没有泄漏的管道，其造价高、操作复杂、难以施工的弱点十分明显。
 

       纤维复合材料修复补强技术作为一种高效快捷的新型修复技术，已经在油气管道维护和大修中得到应用。其优点是免焊不动火，极大地降低了操作的风险性，并且在尚未有泄漏的补强中，可以带压修复，保障管道不间断运行。碳纤维材料具有优异的拉伸强度和弹性模量，是应用与管道补强的理想纤维材料。
 

一、碳纤维复合材料修复技术
 

       纤维复合材料修复技术使用填平树脂对管道缺陷进行填平处理，然后配合专用粘结剂在需要补强的管道外缠绕纤维材料，形成纤维复合材料补强层。补强层固化后，与管道形成一体，代替管道材料承载管内压力，从而达到恢复甚至超过管道设计运行压力的目的。
 

       碳纤维材料是一种在航空航天、军工、高压管道和压力容器、建筑结构工程补强（桥梁、电站、水利工程及古建筑）等领域得到广泛应用的高新技术材料，它具有非常高的抗拉强度和弹性模量。
 

       美国天然气研究协会（Gas Research Institute）的研究表明，纤维复合材料对压力管道的修复效果取决于复合材料的抗拉强度和弹性模量。碳纤维材料具有优异的力学性能，其抗拉强度超过3500MPa，远远大于钢材和玻璃纤维的抗拉强度。碳纤维复合材料的弹性模量与钢材的弹性模量（207×103MPa）几乎完全相同，补强层与钢管具有非常好的变形协同性。补强层能够替代管道缺陷处承担管道的内压。

碳纤维复合材料补强技术用于管道补强具有如下技术优点：
 

      ①免焊不动火，可在带压运行状态下修复；

      ②施工简便快捷，操作时间短；

      ③碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接近，有利于复合材料尽可能多的承载管道压力，降低含缺陷管道的应力水平，限制管道的膨胀变形；

      ④碳纤维的抗拉强度高，用于管道修复具有极高的安全性；并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变；

      ⑤碳纤维复合材料补强层厚度小，方便后续的防腐处理；

      ⑥碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活。可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷(包括高焊缝余高和严重错边)补强；还可对弯管、三通、大小头等不规则管件修复； 

      ⑦可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强，也可用于整个管段的提压增强处理，应用范围广。
 

二、输油管道抢修案例
 

       在西部管道组织的例行检测中发现乌兰输油管道某处出现机械损伤。该处管道的外径为559mm，管道正常壁厚为10mm。在管道表面最上侧存在机械损伤凹陷，凹陷深15mm，凹陷外沿直径约200mm；对缺陷处管道壁厚测量发现，管道凹陷处管壁有减薄，减薄大约2mm。
 

       经有关部门研究决定采用碳纤维复合材料补强技术对此管道进行抢修。抢修方案为首先使用填平树脂对凹陷进行填平修复处理，然后缠绕高强度碳纤维复合材料。
 

补强方案确立后，使用有限元分析软件对该方案进行验证计算：
 

       首先对无缺陷管道承受内压时管壁应力分布进行计算。在管道完好无损情况下，承受3MPa的内压时，管道内环向应力为83.85MPa。建立有限元模型对该方案进行分析。在有限元模型中，对凹陷进行模拟计算。为便于建立模型，仅取管道的八分之一建立模型。
 

       在有限元模型中，钢材的弹性模量取207GPa，泊松比为0.3，屈服强度为450MPa。管道内的运行压力设定为3MPa。碳纤维复合材料补强层数为6层。根据上述条件计算得到未补强管道中的环向应力与补强后管道中的环向应力分布云图。
 

       由计算结果可知未补强管道凹陷的边缘处存在严重的应力集中。最大的环向应力数值达到322MPa，远远超过无缺陷管道承载3MPa压力时的管壁环向应力。并且这个应力数值已经接近钢材的屈服强度。此管道存在内压波动时，在疲劳载荷的作用下，极易在应力集中处发生疲劳破坏。如不进行补强处理，凹陷处壁厚可能继续减少，使管道缺陷处应力集中更严重。
 

       采用碳纤维复合材料补强技术后，管道中环向应力有明显的降低，最严重区域的环向应力为164MPa。这个应力数值低于钢材的屈服强度，管道变形尚处于弹性变形范围。管道经过补强处理后，管壁的应力集中将大大缓解，管道将处于安全应力范围内。

补强方案确定后的施工流程为：
 

     ①对管道外表面进行预处理，清除防腐层；

     ②使用电动除锈工具打磨管道表面，达到St3级的除锈要求；

     ③使用清洗剂清洗管道表面并使之充分干燥；

     ④在凹陷处涂抹填平树脂，修补至缺陷部位表面平整；

     ⑤填平树脂初步固化后，缠绕高强度碳纤维复合材料，确保复合材料覆盖了缺陷部位，缠绕层数为6层；

     ⑥对补强区域进行防腐处理，然后回填。
 

    在对上述含缺陷管道进行修复补强后，恢复了管道的正常运行压力，效果良好。
 

三、小结
 

      碳纤维复合材料修复补强技术相对于其他类型的修复技术，具有更高的安全性、可靠性及适应性。对于管道凹坑类型的机械损伤有较好的修复能力。为今后类似问题的解决提供了参考。

      有限元数值模拟方法可以作为复合材料补强设计的辅助工具。

      建议对碳纤维复合材料维修补强的应用范围和应用条件进一步研究，以更好的指导复合材料维修补强作业。