碳纖維補強技術在石化裝置上的應用

邢 麗

(上海石化設備檢驗檢測有限公司，200540)

碳纖維補強技術在石化裝置上的應用

邢 麗

(上海石化設備檢驗檢測有限公司，200540)

簡述了石化裝置長周期運行的重要意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀，介紹了新型的碳纖維補強修復技術的修復方法、適用范圍、方案設計以及施工控制要點，分析了某石化裝置管道損傷情況及采用碳纖維補強技術在線修復腐蝕管道的適用性。結果表明碳纖維補強修復技術在石化長周期運行中可以發(fā)揮積極的作用。

長周期運行 補強技術 碳纖維 修復

石油化工等能源行業(yè)是關系國計民生的支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定中具有極其重要的戰(zhàn)略地位。在經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，石化裝置越來越趨向于一體化、大型化和復雜化，其輸送介質(zhì)具有高溫、高壓、易燃、易爆和易腐蝕等特點，一旦發(fā)生泄漏、爆炸或中毒，可能會帶來巨大的經(jīng)濟損失、災難性的后果和無法估量的輿論壓力。石油化工企業(yè)在追求利益最大化的同時，需要保證裝置的安全、平穩(wěn)和長周期運行。據(jù)統(tǒng)計，1993—2000年，僅中國石油化工集團公司(以下簡稱中石化)所屬石油化工企業(yè)，實現(xiàn)長周期運行共創(chuàng)效益96.92億元[1]。石化裝置的長周期運行是一項系統(tǒng)工程，涉及設計、采購、安裝、開停工、原料管理、運行管理和維護維修等各個方面，其影響因素有很多，但歸根結底，強化設備的管理，使設備保持完好，充分發(fā)揮其效能，是裝置長周期運行的根本和基礎[2]。如何應用現(xiàn)代新型技術，科學有效地延長裝置的運行周期，降低風險，是石油化工企業(yè)急需解決的問題。文章采用碳纖維補強技術對壓力管道檢驗中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行維修，減少其帶病運行的安全隱患，延長設備的實際使用壽命，為裝置長周期運行提供有力保障。

1 石化裝置長周期運行現(xiàn)狀

隨著國際競爭的加劇，石化企業(yè)對裝置長周期的要求也越來越迫切。多年來石化企業(yè)積極致力于裝置長周期運行的實踐和探索，長周期運行水平不斷提高，從最初的一年一修、三年兩修、兩年一修到三年一修，到目前力爭實現(xiàn)的四年一修，但與國外發(fā)達國家相比差距還很明顯。以某石化企業(yè)為例，比較近年來其運行周期與中石化平均水平及世界先進水平的對比(具體見表1)。裝置長周期運行的實質(zhì)是設備的長周期運行，設備的持續(xù)良好運行是裝置長周期運行的最直接體現(xiàn)，因此，保證設備完整性和延長使用壽命至關重要。修復補強是保證設備完整性的有效一環(huán)，碳纖維復合材料補強修復技術是近十余年發(fā)展較快的新型修復技術，在石油化工壓力管道修復中有著重要的現(xiàn)實意義。

表1 石油化工主要裝置運行周期對比 a

2 碳纖維補強修復技術

2.1 修復方法及其原理

2.1.1 預成型法

預成型法采用不飽和聚酯和碳纖維先在工廠根據(jù)含缺陷管道的管徑制備復合套筒，然后在現(xiàn)場通過強力膠將復合層套筒粘結于管道表面，從而起到恢復管道強度的目的。預成型法由美國Clock Spring公司最早開發(fā)并工程化，主要采用玻璃纖維，在壓力管道外腐蝕缺陷修復中已成功應用超過20年[3]。

2.1.2 濕纏繞法

濕纏繞法將碳纖維布纏繞在管道上，同時將樹脂涂刷在纖維布上，在一定溫度和時間下樹脂充分固化并與纖維布形成復合層，這個修復層與原有管壁緊密結合、協(xié)同變形，共同承擔管道的圓周應力，從而離散腐蝕等損傷部位的應力集中，使缺陷部位管道承擔的應力始終處于安全極限之下，確保管道安全運行。以美國Furmanite公司為代表，該方法已成功應用在管道多種類型缺陷的修復中，使用溫度為-25～160 ℃。

2.2 適用范圍

根據(jù)美國機械工程師協(xié)會(ASME)PCC-2-2011《壓力設備及管道的修復》規(guī)定，碳纖維復合材料修復技術適用于外部腐蝕和機械損傷、內(nèi)腐蝕和磨損、制造或者加工缺陷和局部泄漏等情況。針對有內(nèi)腐蝕的情況，應結合壓力設備或管道的實際情況進行分析評估，從而確定合適的維修壽命。

2.3 技術特點

碳纖維補強修復技術是目前綜合性能最優(yōu)和最具前景的修復技術，已在我國長輸油氣管道和城鎮(zhèn)燃氣管道的腐蝕修復中得到大量應用[4-5]。該技術主要優(yōu)勢如下：

(1)在不卸料、不泄壓、不動火的“三不”情況下實施碳纖維復合材料修復技術，可以避免由于焊接施工所帶來的風險，保障管道運行的連續(xù)性，給裝置長周期運行提供技術保障。

(2)碳纖維抗拉強度、彈性模量和延伸率高，其彈性模量與碳鋼比較接近。美國天然氣研究協(xié)會(Gas Research Institute)的研究表明，纖維復合材料對壓力管道的修復效果取決于復合材料的抗拉強度和彈性模量[6]。

(3)碳纖維復合材料和修補劑均具有較高的層間剪切強度，耐腐蝕性能、耐溫性能和抗老化性能優(yōu)異。

(4)復合材料補強層薄、質(zhì)量低，不會對管體造成二次損傷，且補強層與管道具有非常好的變形協(xié)同性。

(5)碳纖維布柔韌性好，可修復高焊縫余高、嚴重錯邊和嚴重變形等缺陷，也可用于修復彎管、三通和大小頭等不規(guī)則管件。

(6)修復方法靈活，修復過程簡單，修復速度快。

3 碳纖維補強修復技術在含缺陷壓力管道上的應用

3.1 石化裝置壓力管道損傷分析

以某石化企業(yè)為例，每年平均檢驗壓力管道200 km，近4年平均檢出缺陷率近10%，按缺陷類型分類，主要有腐蝕、應力腐蝕開裂和原始缺陷(焊接缺陷、材質(zhì)不符)等。圖1為近4年來定期檢驗發(fā)現(xiàn)問題統(tǒng)計情況。

圖1 定期檢驗缺陷分類比較

從圖1中可以看出：缺陷形式多表現(xiàn)為腐蝕及原始超標缺陷，為確保含缺陷管道不發(fā)生因強度不足而導致破裂泄漏，可以采用補強的方式對其進行修復，從而滿足管道安全運行壓力，有效減少非計劃停車，延長管道的使用壽命。

3.2 設計修復方案

通過對管道檢驗和檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷情況，包括缺陷長度、缺陷深度和缺陷分布范圍，結合實際運行工況和使用單位承擔風險的能力，考慮安全可靠性、維修壽命、修復的綜合成本和風險評估[7]的風險高低等因素，進行綜合評價，設計出最科學、最合適的修復方案。

以腐蝕減薄或穿孔的管道為例，傳統(tǒng)的做法是采用局部更換管段或者焊接修復的辦法。但這兩種辦法都需要停車并且動火，不僅會對上下游生產(chǎn)造成一定影響，而且施工作業(yè)也會帶來一定的安全隱患，影響裝置的長周期運行。由于不能停車等諸多生產(chǎn)狀況的限制，使碳纖維復合材料修復補強技術成為一種理想的選擇。

采用碳纖維補強方法時，應根據(jù)使用單位提出的目標要求和服役情況數(shù)據(jù)，參照ASME PCC-2-2011中明確給出的設計指導準則，計算出合理的最小修復層厚度、補強層數(shù)、軸向修復總長度等以滿足恢復并提高管道最大許可操作壓力，使得管道承壓能力不低于無缺陷管道，確保管道安全運行。

3.3 施工控制要點

通過對含缺陷管道進行碳纖維補強，主要可以起到3種作用：降低缺陷處的應力，降低缺陷處的應變以及恢復管道的承壓能力。碳纖維復合材料修復系統(tǒng)主要分為3個主體部分：專用修補劑、環(huán)氧底漆和高強度樹脂基碳纖維復合材料，具體如圖2所示。專用修補劑的主要作用是填補缺陷，傳遞壓力；環(huán)氧底漆主要用來杜絕電偶腐蝕的產(chǎn)生；碳纖維復合材料主要是用來分擔管壁承擔的內(nèi)壓。以管道外腐蝕為例，碳纖維濕纏繞法修復工藝路線簡單歸結為：預處理、填縫、涂環(huán)氧底漆、包覆碳纖維、固化和后期處理。

圖2 碳纖維復合材料補強示意

(1)預處理

施工前需根據(jù)修復方案確定修復范圍，用筆或膠帶標識定位。首先，將管道缺陷軸向兩邊150 mm范圍內(nèi)的管道表面原有防腐層及氧化物全部清除，可采用機械除銹或噴砂除銹。管道表面除銹應達到GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理表面清潔度的目視評定》規(guī)定的St級。如果管道腐蝕情況嚴重，在進行表面清理時，應考慮降壓操作。

(2)填縫

將現(xiàn)場調(diào)配好的專用修補劑填充到每一個腐蝕缺陷中，填補處邊緣應平滑過渡到管體表面，且充分固化，以保證碳纖維復合材料和修補劑充分接觸而不會產(chǎn)生空鼓。

(3)涂環(huán)氧底漆

在管道補強范圍內(nèi)涂抹環(huán)氧底漆，要求底漆厚度至少0.2 mm以上。目的是將碳纖維復合材料與管壁之間隔離開來，防止電偶腐蝕的發(fā)生。

(4)包覆碳纖維

將碳纖維片材和環(huán)氧樹脂交互地鋪粘在一起，形成纖維復合材料補強層。碳纖維布需要始終緊繃，施加一定的預緊力，每層均要用脫泡羅拉反復滾壓，確保復合材料層與層之間、材料與管道外表面之間沒有空鼓和氣泡等存在。如果施工具有環(huán)向接頭，則碳纖維片的環(huán)向接頭必須搭接100 mm以上。環(huán)向纏繞時，如果具有軸向接頭，則接頭在軸向方向搭接10 mm以上。補強層邊界及端口封口處理要平滑過渡。

(5)固化

補強區(qū)域的修復施工完成后，使該區(qū)域的樹脂進一步固化，并應保證固化期間不受干擾，宜用塑料薄膜等遮擋以防風沙或雨水侵襲。如果固化期間氣溫降低到5 ℃以下時，可采用冬用低溫固化樹脂，或采取有效的加溫措施。

(6)后期處理

如修復管道為保溫管道，則需按原要求進行防腐涂漆處理，恢復保溫層。

3.4 工程應用

以某公司2001年投用的一根Φ159 mm×5 mm丙烯管道為例，該管道材質(zhì)為20#鋼，工作壓力2.4 MPa，常溫運行，在定期檢驗宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)多處管體外腐蝕缺陷，最大腐蝕坑深達2 mm，根據(jù)《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》(2003年試行)規(guī)定，安全狀況等級擬定為3級。如果停車消缺勢必會給裝置運行帶來巨大經(jīng)濟損失，如不進行停車修復，需要在3年檢驗周期內(nèi)監(jiān)控使用。由于該管道在整個上下游的生產(chǎn)中處于關鍵部位，不允許發(fā)生中斷，鑒于安全性和經(jīng)濟性考慮，經(jīng)與檢驗機構協(xié)商，決定采取不停止輸送物料、不動火的碳纖維補強方式進行修復，進一步阻止外腐蝕的發(fā)生，結合監(jiān)控措施進行雙保險，有效降低管道帶病運行的風險。

針對該丙烯管道，在選擇北京某公司生產(chǎn)的性能最優(yōu)的碳纖維復合材料基礎上，根據(jù)使用單位提出的目標要求和服役基本數(shù)據(jù)，參照ASME PCC-2-2011中明確給出的設計指導準則，計算出了合理的最小修復層厚度、補強層數(shù)、軸向修復總長度等，以滿足恢復并提高管道最大許可操作壓力，使得管道承壓能力不低于無缺陷管道，確保管道安全運行。經(jīng)過理論計算，缺陷處修復后爆破壓力下限均已經(jīng)超過無缺陷管道的爆破壓力。

由于石油化工管道的特殊性，現(xiàn)場施工完成后主要采用非破壞性的方法進行驗收，對補強后的區(qū)域進行了外觀及尺寸、空鼓、脫粘、分層檢查和硬度檢測，均滿足要求。

碳纖維補強技術的成功在線應用，達到了方案設計時的預期效果，該管道至今仍安全運行，這進一步驗證了該技術具有優(yōu)異的抗拉強度、彈性模量及抗老化等性能，有效降低了承壓管道含缺陷運行的安全隱患，同時也避免了非計劃停車修復帶來的經(jīng)濟損失，保障了石化裝置的長周期、安全、穩(wěn)定運行。

4 結語

長周期運行是企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益最有效的措施。影響長周期運行的因素涉及多個方面，但設備或管道的可靠度始終是裝置長周期運行的先決條件。由于裝置老齡化以及加工原油劣質(zhì)化問題，內(nèi)外腐蝕等現(xiàn)象日漸突出，如何最大限度發(fā)揮設備或者管道潛能，使開工周期更長，是需要不斷探索的課題。設備或者管道處于帶病運行狀態(tài)是制約裝置長周期運行的一個“瓶頸”，特別是一些關鍵設備或者管道，一旦出現(xiàn)問題可能會引起重大的設備事故，其損失不可估量。在石化裝置大力提倡長周期運行的背景下，停車消缺的機會也逐漸減少，各使用單位都在積極尋求更安全、經(jīng)濟、快捷的修復技術。如何依靠新型的科技手段，采取行之有效的措施，加大各類缺陷和安全隱患的治理力度，消除“瓶頸”制約，是保障裝置長周期運行的必修課。

碳纖維補強修復技術作為目前綜合性能最優(yōu)的新型修復技術，適用范圍廣，可為含缺陷設備或管道在線修復提供技術支持，在生產(chǎn)裝置長周期運行中起到了積極作用。但是在我國碳纖維補強技術的推廣使用，還有很多方面需要攻關完善，例如利用實驗室數(shù)據(jù)積累或有限元分析等方法準確預測內(nèi)應力水平及驗證修復效果；研發(fā)出性能優(yōu)異的修復產(chǎn)品以滿足較寬溫度范圍長期穩(wěn)定使用；建立一套修復補強現(xiàn)場施工過程及質(zhì)量驗收規(guī)范及應用評價體系等。碳纖維補強技術在石化腐蝕管道的成功在線應用，為生產(chǎn)裝置長周期運行提供了有力的技術保障。

[1] 胡安定．瞄準國外石化先進目標，不斷提高裝置長周期運行水平[J]．石油化工設備技術,2002,23(1):23-25.

[2] 胡安定．抓好預防性維修，保裝置長周期運行[J]．石油化工設備技術,2000,21(1):1-4.

[3] 袁勇，劉海峰，姜世強．管道復合補強修復技術[J]．工程建設,2004,24(11):139-142.

[4] 李樞一，張建興，趙麗恒，等．油氣管道碳纖維復合材料修復技術及應用[J]．管道技術與設備,2013(2):38-40.

[5] 劉國，鄭巖，孫明燁，等．碳纖維復合材料在城鎮(zhèn)燃氣管道維修補強中的應用[J]．城市燃氣,2007(5):11-14.

[6] Stephens D R and Kilinski T J.Field validation of composite repair of gas transmission pipelines,Final Report to the Gas Research Institute[R].Chicago:GRI,1998.

[7] American Petroleum Institute.API RP 581 Risk-Based Inspection Technology[M].2nd ed.Englewood：API Publications，2008.

Application of Reinforcement Technology by using Carbon Fiber in Petrochemical Plants

Xing Li

(ShanghaiPetrochemicalEquipmentInspection&TestingCo.,Ltd.,200540)

The importance and current situation of long-term operation in petrochemical plants at home and abroad were described in this article.The method and applicable scope of reinforcement technique by using carbon fiber composite material as well as the scheme design and highlights in construction were introduced.The damage in petrochemical pipelines and the applicability of applying this technique for repairing piping with corrosion online were analyzed.It was considered that the reinforcement technology by using carbon fiber played an active role in long-term operation of petrochemical plants.

long-term operation,reinforcement technology,carbon-fiber,repair

2015-04-01。

邢麗，女，1981年出生，2007年畢業(yè)于大連理工大學材料學(金屬)專業(yè)，碩士，工程師，壓力容器/管道檢驗師、API 570授權檢驗師、RBI評估師等，主要從事特種設備檢驗檢測工作及完整性管理研究。

1674-1099 (2015)03-0043-04

TE973

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