碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在管道腐蝕中的應(yīng)用

劉 波

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海 200540)

1 管道腐蝕概況

中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部2#乙烯裝置的壓力管道由上海工程有限公司設(shè)計，上海安檢公司安裝，1990年4月投入使用，使用至今已經(jīng)超過25年。如何保障裝置內(nèi)這些壓力管道長期安全運(yùn)行是一項非常艱難的工作，因此掌握壓力管道安全狀況，做好應(yīng)急預(yù)案，是公司面臨的首要任務(wù)。

一個不可忽視的問題就是環(huán)境中大氣腐蝕問題始終影響著壓力管道的安全運(yùn)行。在腐蝕學(xué)科中大氣腐蝕占有重要的地位;同時其造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。由于乙烯裝置的管道位于生產(chǎn)裝置區(qū)內(nèi)，空氣環(huán)境中存在硫和氯等有害雜質(zhì)，在烯烴部近幾年的管道日常維護(hù)、巡視以及安排的檢驗檢測工作中同樣發(fā)現(xiàn)存在管道外腐蝕現(xiàn)象。

由于以前管道設(shè)計、施工規(guī)范不健全等歷史原因造成裝置內(nèi)許多管線直接置于橫梁之上，而沒有采用支撐結(jié)構(gòu)。這些直接置于橫梁上的管線普遍面臨的一個棘手問題是管線與橫梁接觸的部位往往會發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕(圖1～圖3)，而這個部位又不便進(jìn)行常規(guī)的檢驗檢測工作，往往發(fā)生穿孔泄漏了才會被發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重影響管線的安全運(yùn)行。尤其是裝置中處于A、B、K節(jié)點(diǎn)的界區(qū)管線，由于這些處于界區(qū)的管道受現(xiàn)場返修條件限制和生產(chǎn)上無法停工等原因，無法利用停工大修的機(jī)會通過現(xiàn)場焊接支撐的方法來解決支架處的局部腐蝕問題，因此要保障這些管道的安全運(yùn)行是一個亟待解決的難題。

2 管道外腐蝕機(jī)理探討

根據(jù)相關(guān)檢測數(shù)據(jù)分析，管道外腐蝕形態(tài)大致有三類。

均勻腐蝕:在這類腐蝕中，金屬表面層以麻點(diǎn)狀面積厚度減少的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦g產(chǎn)物局部點(diǎn)蝕:主要在個別部位產(chǎn)生的深孔，在局部腐蝕電池中形成電化學(xué)腐蝕，使壁厚迅速減薄穿透。

異金屬電偶腐蝕:存在少量水分時，兩種不同的金屬形成小型電池或腐蝕電池(電偶效應(yīng))，在暴露的大氣中兩種金屬的接觸界面處，電位較負(fù)的金屬受腐蝕，通常以隙縫狀凹坑形式出現(xiàn)。管道支撐部位底部的腐蝕就是這種腐蝕形態(tài)。

圖1 均勻腐蝕

圖2 局部腐蝕

圖3 異金屬電偶腐蝕

進(jìn)一步了解得知，發(fā)生上述三種腐蝕形態(tài)的管道，一般管道本身的溫度不高，經(jīng)常在常溫附近和60℃以下的范圍，且裸露和保溫的管道都會發(fā)生。

針對前兩種腐蝕形態(tài)，目前經(jīng)常采用的修復(fù)技術(shù)手段有以下幾種。

對于局部點(diǎn)蝕(特別是后期穿孔情況):采用帶壓堵漏、包扎卡箍。

對于大面積均勻麻點(diǎn)狀腐蝕:采用更換管道或安全評估。對企業(yè)來說有一種情況經(jīng)常會發(fā)生，那就是對于均勻外腐蝕管道，短時間內(nèi)由于生產(chǎn)要求不能更換管道，系統(tǒng)無法進(jìn)行退料，現(xiàn)場又不能動火，而安全評估又無法滿足保證一個檢驗周期內(nèi)安全使用要求，從安全角度考慮，勢必進(jìn)行非正常停運(yùn)，給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。

而針對第三種支撐部位的局部腐蝕目前除了局部更換管道外，沒有更好的辦法解決。因此尋找一種既能滿足管道強(qiáng)度要求，又能消除管道局部腐蝕進(jìn)一步發(fā)生，同時在管道不退料、不動火前提下的再修復(fù)技術(shù)，成為解決這一難題的關(guān)鍵。而且對于企業(yè)來說，做好應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急管理工作也是保證企業(yè)安全生產(chǎn)的一個重要前提。因此當(dāng)務(wù)之急就是找到一種方法在管線發(fā)生嚴(yán)重局部腐蝕，甚至穿孔泄漏之前，就把這一問題徹底解決。

通過調(diào)研和裝置實際情況，認(rèn)為采用碳纖維增強(qiáng)修復(fù)技術(shù)解決管道支撐部位的局部腐蝕應(yīng)該是目前最好的方法之一。采用此技術(shù)即可增強(qiáng)管道支撐部位原有的局部腐蝕帶來的強(qiáng)度減弱，又可避免今后進(jìn)一步發(fā)生腐蝕的情況。同時可避免現(xiàn)場動火操作，保證運(yùn)行中管道本身的安全生產(chǎn)。

3 碳纖維增強(qiáng)修復(fù)技術(shù)在管道支撐部位腐蝕中的應(yīng)用

傳統(tǒng)意義上對管道存在的大面積腐蝕超標(biāo)缺陷，經(jīng)常采用的修復(fù)措施主要是更換管道等。由于支撐處存在腐蝕缺陷的管道生產(chǎn)上無法停車進(jìn)行修理或更換，過去常采用玻璃纖維作為修復(fù)材料，但由于玻璃纖維的彈性模量約70 GPa，實際管道碳鋼彈性模量在200 GPa左右，兩者相差較大，影響了兩者之間的粘結(jié)強(qiáng)度和變形協(xié)調(diào)能力，而碳纖維的彈性模量與碳鋼相當(dāng)接近，且碳纖維材料強(qiáng)度又比碳鋼本身強(qiáng)度高很多，因此本次對管線支架部位的修復(fù)材料采用碳纖維復(fù)合材料。

3.1 選擇決定碳纖維修復(fù)增強(qiáng)工藝路線

考慮到企業(yè)中的實際管道情況較為復(fù)雜，裝置中一些管道布置空間較為緊密，大部分管線留用空間不會很大，所以在進(jìn)行管道包覆時采用環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維的濕法纏繞包覆方法，以此達(dá)到修復(fù)增強(qiáng)的效果。

3.2 包覆修復(fù)主要依據(jù)

根據(jù)A節(jié)點(diǎn)界區(qū)管道的服役工況及現(xiàn)場條件，采用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)主要依據(jù)有如下幾點(diǎn)。

a)服役工況中溫度因素:需要進(jìn)行包覆修復(fù)的界區(qū)管道其服役溫度都是常溫，都在碳纖維復(fù)合材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度以下(根據(jù)試驗結(jié)果Tg=97℃)。

b)管道表面外腐蝕因素:管道支架處為外表面腐蝕，采用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)可以使管道本體與外部環(huán)境及橫梁隔絕，因而管道本體金屬不會再發(fā)生繼續(xù)腐蝕情況。

c)管道表面缺陷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素:由于管道表面幾何尺寸不連續(xù)(腐蝕凹坑)以及應(yīng)力集中，會發(fā)生局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，采用高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料能增強(qiáng)管道結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

d)通過抬高支架處局部管道到一定高度后，在現(xiàn)場采用環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維的濕法纏繞包覆方法進(jìn)行施工是可行的。

基于以上4點(diǎn)分析，結(jié)合實際情況，本次采用碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)工藝對支架處管道進(jìn)行包覆是適當(dāng)?shù)?、可行的?/p>

3.3 碳纖維增強(qiáng)修復(fù)主要遵循的標(biāo)準(zhǔn)

碳纖維增強(qiáng)修復(fù)主要遵循的標(biāo)準(zhǔn)有:API579 E/ASME FFS－1(2007) 《Filness－For－Service》、ASME B31G《Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded pipeline》、ASME PPC － 2(2011)《Mormetallic and Bondel Repairs》、API R P581 Risk－Based Inspection Technology、《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》2014。

3.4 碳纖維增強(qiáng)修復(fù)適用缺陷情況及范圍

碳纖維增強(qiáng)修復(fù)技術(shù)適合下列缺陷類型:管道外部腐蝕和外部損傷;管道內(nèi)部腐蝕和磨蝕;管道局部泄漏;管道制造缺陷;本項修復(fù)技術(shù)適用的管道服役溫度范圍:100℃以下。

3.5 碳纖維增強(qiáng)修復(fù)包覆層數(shù)或厚度計算

根據(jù)ASME PPC－2，計算碳纖維包覆厚度。根據(jù)經(jīng)驗，碳纖維包覆層數(shù)約為3層，根據(jù)現(xiàn)場實際橫梁寬度，支架處包覆寬度定為500 mm。

3.6 現(xiàn)場碳纖維修復(fù)實施工藝

碳纖維修復(fù)管道工藝路線簡單歸結(jié)為:預(yù)處理、填縫、包覆碳纖維、固化、后期處理。

施工前準(zhǔn)備。包括確定缺陷尺寸、修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)材料及工具準(zhǔn)備等。根據(jù)ASME PPC－2《Mormetallic and Bondel Repairs》標(biāo)準(zhǔn)計算所需要的補(bǔ)強(qiáng)層數(shù);采用相應(yīng)的吊裝機(jī)具將所要包覆的支架處管道抬高至一定高度以便進(jìn)行包覆工作;對管道表面進(jìn)行清理。由于環(huán)氧膠和補(bǔ)強(qiáng)劑在光滑和油污表面的粘結(jié)強(qiáng)度效果會大大降低，所以需要用丙酮或酒精溶液對缺陷表面進(jìn)行擦拭，確保做到無水、無油、無污垢。同時還應(yīng)去掉缺陷表面的金屬氧化物，對表面進(jìn)行噴砂處理。研究表明，這樣可以增加環(huán)氧樹脂和金屬間的傳遞力，強(qiáng)化補(bǔ)強(qiáng)性能;對缺陷位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)劑的填充，填充時應(yīng)注意盡量壓實補(bǔ)強(qiáng)劑，盡量保證沒有氣泡，外形與管道外壁一致;涂刷特制抗陰極剝離絕緣底膠(在保證與管體不發(fā)生陰極剝離的情況下，杜絕碳纖維電偶腐蝕的發(fā)生);在填充物表面涂上底膠。底膠用于粘結(jié)碳纖維層和管壁的粘結(jié)，起到傳遞應(yīng)力的作用;纏繞包覆碳纖維布。在底膠表面凝膠后(用手指接觸已硬化即可)確認(rèn)沒有水分和塵土的附著，將碳纖維布貼到已經(jīng)標(biāo)好的管道缺陷位置，碳纖維布需要始終繃緊，施加一定的預(yù)緊力。一邊包扎一邊用滾輪涂上碳纖維浸漬膠;補(bǔ)強(qiáng)層邊界及端口封口處理。在碳纖維布包扎結(jié)束后，需要用刮片將碳纖維布壓實，使層與層之間貼合的更緊密。擠壓出的多余的粘結(jié)劑和剩余的粘結(jié)劑，用橡膠抹刀在纖維層的邊緣抹成斜坡，以防日后外界有灰塵或者腐蝕介質(zhì)進(jìn)入碳纖維層;固化。修復(fù)層在緊固條件下固化，可以有效排除固化時的氣泡，并有效防止脫粘、分層、空鼓、開裂和鼓泡等現(xiàn)象發(fā)生;防腐處理。在碳纖維補(bǔ)強(qiáng)施工完成后，需要使用防腐冷纏帶、熱縮帶或其他防腐材料在補(bǔ)強(qiáng)層外進(jìn)行防腐處理。

采用碳纖維增強(qiáng)技術(shù)對A節(jié)點(diǎn)界區(qū)管道共617處支架部位進(jìn)行了包覆修復(fù)(圖4)，取得了預(yù)期的效果，有效降低了支架處局部腐蝕管道運(yùn)行的安全隱患，同時也避免了非計劃停車修復(fù)帶來的經(jīng)濟(jì)損失，保障了石化裝置的長周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 管道支架處碳纖維包覆修復(fù)后宏觀照片

4 結(jié)語

長周期運(yùn)行是石化企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益最有效的措施。影響長周期運(yùn)行的因素涉及多個方面，但設(shè)備或管道的可靠度始終是裝置長周期運(yùn)行的先決條件。由于裝置老齡化以及加工原油的劣質(zhì)化問題，內(nèi)外腐蝕等現(xiàn)象日益突出，如何最大限度發(fā)揮設(shè)備或管道的潛能，使開工周期更長，是需要不斷探索的課題。設(shè)備或管道處于帶病運(yùn)行狀態(tài)是制約裝置長周期運(yùn)行的一個瓶頸，特別是一些關(guān)鍵設(shè)備或管道，一旦出現(xiàn)問題可能會引起重大設(shè)備事故，其損失不可估量。在石化裝置大力提倡長周期運(yùn)行的背景下，停車消缺的機(jī)會也會逐漸減少，各使用單位都在積極尋求更安全、經(jīng)濟(jì)、快捷的修復(fù)技術(shù)。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(yùn)行的必修課。

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)作為目前綜合性能最優(yōu)的新型修復(fù)技術(shù)，適用范圍廣，可為缺陷設(shè)備或管道在線修復(fù)提供技術(shù)支持，在保障生產(chǎn)裝置長周期運(yùn)行中起到了積極作用。采用此技術(shù)既可增強(qiáng)管道支撐部位原有的局部腐蝕帶來的強(qiáng)度消弱，又可避免該部位局部腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，同時在管道不退料、不動火前提下進(jìn)行管道的再修復(fù)，為生產(chǎn)裝置解決了這些支撐處發(fā)生局部腐蝕卻無法進(jìn)行停工檢修的界區(qū)管道的一大難題。