玻璃纖維復(fù)合材料修復(fù)油氣管道表面裂紋的應(yīng)用

申夢嶺

(核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司,北京，101300）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年8月以前的中國陸上石油和天然氣管道總長度達(dá)到120000 km，原油管道23000 km，成品油管道21000 km，天然氣管道7.6 km。 西氣東輸，北洋南油氣，海陸交通基本形成。在鋪設(shè)和使用石油和天然氣管道的過程中，由于現(xiàn)場條件惡劣，各種類型的缺陷是不可避免的。近幾十年來，由于國內(nèi)外管道斷裂的發(fā)生，管道缺陷造成的缺陷更加嚴(yán)重，典型的是2013年青島輸油管道爆炸事故。事故原因是由管道的稀釋腐蝕和管道破裂導(dǎo)致原油滲漏至市政排水涵管。在狹窄的空間里，內(nèi)涵隧道內(nèi)的油氣爆炸造成火花爆炸。

1 油氣管道裂紋的修復(fù)技術(shù)效果比較

1.1 傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)

傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)管替代方法是成本非常高的，而且要停運(yùn)施工前的管道輸送的介質(zhì)，不僅會影響管道的正常運(yùn)行也造成了很大的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，因?yàn)榇蟛糠值慕橘|(zhì)是易燃或可燃，在焊接法施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。對于套筒式夾具的修理，由于自身重量的原因，往往需要大型吊裝設(shè)備來進(jìn)行施工過程的修復(fù)。管道所在的地理環(huán)境，造成施工通常比較困難。

1.2 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是 “不動火不停輸”，它已被越來越多地應(yīng)用于管道缺陷修復(fù)。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)采用增強(qiáng)纖維和基體樹脂在管道外部形成復(fù)合材料增強(qiáng)層，共同承擔(dān)管道下的負(fù)荷，限制管道缺陷內(nèi)部壓力引起的徑向膨脹和拉力，從而實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)缺陷修復(fù)，恢復(fù)管道的正常承載能力。復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)修復(fù)管道包括：長輸管道、工藝管道、集輸管道、城市管網(wǎng)、金屬、非金屬和復(fù)合材料管道、埋里或架空管道、直管及彎管、大小頭、三通等異型管件。用復(fù)合加固技術(shù)修復(fù)缺陷如下：①腐蝕，裂紋，氫損傷，焊接缺陷，幾何缺陷和材料缺陷;②機(jī)械損傷（凹痕，凹槽，磨損等）;③內(nèi)部腐蝕管的暫時增強(qiáng);④加固加強(qiáng)無壓力管道;⑤整個管段的單點(diǎn)腐蝕加固或大面積腐蝕加固。

復(fù)合加固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：①無焊接，不起火，在壓力下運(yùn)行時可修復(fù)。②施工簡單快捷，不需要吊裝設(shè)備，施工空間低，施工時間短，施工可在2～3 h內(nèi)完成。③玻璃纖維的彈性模量非常接近鋼的彈性模量。對復(fù)合材料盡可能加載管道壓力是有利的，以減少有缺陷的管道的應(yīng)力水平并限制管道的膨脹和變形。④玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高，管道修復(fù)安全性高。⑤玻璃纖維的斷裂伸長率為1.7%。即使增強(qiáng)管發(fā)生塑性變形，復(fù)合材料也處于安全范圍內(nèi)。⑥玻璃纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層厚度小，便于后續(xù)防腐處理，同時也減小了土壤移動引起的軸向滑動力。⑦濕纏繞，敷設(shè)方式靈活，可增強(qiáng)周向和螺旋焊縫的缺陷，包括焊縫殘余高度高，錯邊嚴(yán)重，還可加強(qiáng)對不規(guī)則管道的修補(bǔ)。⑧施工溫度范圍：-15～180℃，可在各種環(huán)境條件下（濕，多雨，風(fēng)沙）施工。⑨玻璃纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)良，其強(qiáng)度隨著使用時間的增加而不變。⑩在水介質(zhì)中，玻璃纖維復(fù)合材料的性能穩(wěn)定。

因此，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修補(bǔ)方法已成為管道缺陷修復(fù)技術(shù)的新方向。然而，作為一種新的油氣管道修復(fù)技術(shù)的類型，此修復(fù)方法也存在許多問題，如彈性模量、熱膨脹系數(shù)和強(qiáng)度之間的各種復(fù)合材料和管道用鋼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管道修復(fù)技術(shù)參數(shù)的差異對修復(fù)效果的具體影響有待研究。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修復(fù)方案概述

2.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修復(fù)方案的選材

目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)常用的原材料主要是增強(qiáng)纖維和基體樹脂。 另外，只有一種修補(bǔ)劑（填充體積缺陷，焊接高度）和環(huán)氧底漆（用于碳纖維布修補(bǔ)和管道絕緣）時，僅用于某些場合的修補(bǔ)。

（1）常用的基體樹脂

由于管道的施工和維修條件往往比較嚴(yán)格，對纖維增強(qiáng)復(fù)合樹脂基體提出了更高的要求。在正常情況下，樹脂基體應(yīng)具有良好的低溫/高溫性能，耐腐蝕性能，與金屬/非金屬有良好的結(jié)合性能，固化性能好，無毒無揮發(fā)性，且要具有良好的拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，抗沖擊性能好等。當(dāng)滿足上述條件時，還應(yīng)考慮價(jià)格因素。

在現(xiàn)有的常應(yīng)用到的樹脂基體包括環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂等幾類樹脂。這幾種基體中，環(huán)氧樹脂的應(yīng)用是最為廣泛的一種，這主要是因?yàn)槠涔に囆院?、與金屬管粘接性好、力學(xué)性能優(yōu)良。

（2）常用的增強(qiáng)纖維

作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，最常用的纖維織物大致能夠分為三類：碳纖維織物，玻璃纖維織物和芳族聚酰胺纖維織物。盡管研究結(jié)果表明碳纖維復(fù)合材料對管道有良好的修正作用，但修正金屬管道時，碳纖維織物具有導(dǎo)電性，易與管道發(fā)生電化學(xué)腐蝕，碳纖維復(fù)合材料的修理費(fèi)用約為玻璃纖維復(fù)合材料的4倍;而高功能碳纖維布在一定程度上依然依靠進(jìn)口。相反，玻璃纖維布是一種絕緣材料，在油氣管道修理時沒有電化學(xué)腐蝕問題。作為玻璃纖維布的第四大出產(chǎn)商，玻璃纖維布在中國有著悠長的生產(chǎn)歷史，工藝成熟，出產(chǎn)便利，性能穩(wěn)定，操作簡單，成本低廉。

2.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修復(fù)方案施工流程

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料改性工藝通常包括：①挖掘；②管道處理（除掉舊保護(hù)層，從表面除掉油脂，水漬和氧化皮）；③除銹（一般分為化學(xué)除銹和機(jī)械除銹，去除 氧化層位于管道外側(cè)，使管道呈金屬光澤）；④外觀處理（填充物填充平面缺陷，并選用機(jī)械辦法改善管道粗糙度校對截面，提高界面粘接功能）；⑤底漆；⑥蘸有橡膠圍布的纖維布/復(fù)合卷材膠涂層盤繞防護(hù)層；⑦測驗(yàn)和其他工藝。

2.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修復(fù)效果評析

從修補(bǔ)層寬度對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料增強(qiáng)作用的影響來看，修正層越寬，修正作用越好。纖維增強(qiáng)復(fù)合修正層的寬度具有最佳值。如果修正的寬度大于或小于此值，修正作用將會降低。但是，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的寬度對最佳值兩邊的一定范圍內(nèi)的修正作用幾乎沒有影響。為了消除材料性能、外表粗糙度和手工結(jié)構(gòu)上的差異，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的寬度可在范圍內(nèi)調(diào)整和修正，以保證修正作用，同時保持滿足的安全裕度。但是，隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料修正層數(shù)量的添加，單層增量對修補(bǔ)和增強(qiáng)效應(yīng)的影響逐漸減小，終究穩(wěn)定在一個很小的值。因此，當(dāng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于修正具有圓周外表裂紋的油氣管道時，有必要?dú)w納考慮修正作用與修正成本之間的關(guān)系，以完成最佳修正效率。在粘合層模量對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)作用的影響中，粘合層的增強(qiáng)作用隨著粘合層的模量的添加而增加。但是，材料修正和加固的影響很小。根據(jù)模擬結(jié)果，粘合層的厚度十分小，并且當(dāng)粘合層模量從1.49 GPa添加到7.45 GPa時，修正作用的變化小于1%。因此，不需要追求過高模量的膠粘劑。

3 管道裂紋修復(fù)案例及有限元分析

3.1 案例概況

在西部管道組織的例行查看中，發(fā)現(xiàn)機(jī)械損壞發(fā)生在烏蘭管道的某處。管道的外徑為559 mm，管道的正常壁厚為10 mm。管道外表頂部有一個機(jī)械損傷洼陷。洼陷深度為15 mm，洼陷外緣直徑約為200 mm。在缺點(diǎn)處丈量管壁厚度標(biāo)明管洼陷的管壁變薄并且厚度減少約2 mm。

有關(guān)部門決定選用碳纖維復(fù)合加固技術(shù)對該管道進(jìn)行修正。修正計(jì)劃是首先用流平樹脂填充和修正洼陷，然后再將高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料纏繞。

在加強(qiáng)方案確定后，使用有限元剖析軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

首先，計(jì)算無缺點(diǎn)管受到內(nèi)壓時管壁的應(yīng)力散布。當(dāng)管道完好，內(nèi)部壓力為3 MPa時，管道內(nèi)的圓周應(yīng)力為83.85 MPa。建立一個有限元模型來剖析程序。在有限元模型中，模擬了下垂。為了便于建立模型，只有八分之一的管線用于建立模型。在有限元模型中，鋼的彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，屈從強(qiáng)度為450 MPa。管道中的操作壓力設(shè)置為3 MPa。碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)層數(shù)為6層?；谏鲜鰲l件，計(jì)算出未加強(qiáng)管的環(huán)向應(yīng)力和加固后管道中的環(huán)向應(yīng)力散布。

從計(jì)算結(jié)果能夠看出，未加筋的管道垂度邊緣存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。當(dāng)壓力為3 MPa時，環(huán)向應(yīng)力的最大值達(dá)到322 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過管材的環(huán)向應(yīng)力。而且這個應(yīng)力值現(xiàn)已接近鋼的屈服強(qiáng)度。當(dāng)管道內(nèi)部壓力波動時，在疲勞載荷的作用下，容易在應(yīng)力會集區(qū)域形成疲勞損傷。沒有加強(qiáng)處理，洼陷中的壁厚可能會繼續(xù)減小，使得管道處的應(yīng)力會集更加嚴(yán)峻。

選用碳纖維復(fù)合材料加固技術(shù)，管道中的環(huán)向應(yīng)力顯著減小，最嚴(yán)峻區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力為164 MPa。該應(yīng)力值低于鋼的屈從強(qiáng)度，而管變形仍處于彈性變形范圍內(nèi)。管道加固后，管壁應(yīng)力會集將大大緩解，管道將處于安全應(yīng)力范圍內(nèi)。

補(bǔ)強(qiáng)方案確定后的施工流程為：

①對管道外表面進(jìn)行預(yù)處理，清除防腐層；

②使用電動除銹工具打磨管道表面，達(dá)到St3級的除銹要求；

③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；

④在凹陷處涂抹填平樹脂，修補(bǔ)至缺陷部位表面平整；

⑤填平樹脂初步固化后，纏繞高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料，確保復(fù)合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數(shù)為6層；

⑥對補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域進(jìn)行防腐處理，然后回填。

上述含缺陷管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)后，恢復(fù)了管道的正常運(yùn)行壓力，效果良好。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元模型

管道單元選用SOLID95,3D20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的六面體實(shí)體單元，具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力加強(qiáng)，變形量大，應(yīng)變大的特點(diǎn);由于協(xié)調(diào)位移函數(shù)，SOLID95單元能夠很好地習(xí)慣曲線鴻溝?；谠搯栴}的根本假設(shè)和對稱性，建立了一個帶圓周裂紋缺點(diǎn)的14管有限元模型，如圖1所示。

圖1 含裂紋缺陷管道有限元模型Fig.1 A finite element model of a pipe with cracks on surface

表1 管道缺陷參數(shù)與失效壓力Tab.1 Pipe defect parameters and failure pressures

3.2.2 結(jié)果分析

（1）表觀CTOD韌度的影響

CTOD的尺寸反映了抗裂資料的能力。CTOD值越大，裂紋頂級資料的抗裂性越好，即耐性越好。相反，耐性更差。圖2顯示了CTOD延性損壞壓力的影響?？梢钥闯觯懿牡臉O限拉伸應(yīng)變與CTOD耐性的增加大致呈線性關(guān)系，證實(shí)材料具有杰出的耐性和杰出的抗裂性；管道的損壞壓力逐漸增加。 CTOD耐性也不同，表明在拉伸載荷作用下，材料耐性好，抗變形能力更強(qiáng)。與脆性材料比較，塑料柜在損壞前會有較長的塑性變形階段。因而，管道的設(shè)計(jì)和施工對焊接材料和管道的強(qiáng)度和耐性有重要影響，與管道的承載能力相匹配。

圖2 表觀CTOD韌度對失效壓力的影響曲線Fig.2 Effect of apparent CTOD toughness on failure pressure

圖3 管徑對失效壓力的影響曲線Fig.3 Effect of pipe diameter on failure pressure

（2）管徑的影響

從圖3中能夠看出，當(dāng)管徑逐步增大時，直徑與厚度的比值也逐步增大，管道破壞壓力逐步下降。

（3）壁厚的影響

拉伸應(yīng)變極限與缺陷的縱橫比和深度比有關(guān)，拉伸應(yīng)變極限隨壁厚而改變，而其他參數(shù)不變。圖4顯現(xiàn)了壁厚對失效壓力的影響。從圖中可以看出，當(dāng)壁厚增加時，環(huán)中缺陷的長度和深度按份額增加，管道的失效壓力也近似線性增加。

圖4 壁厚對失效壓力的影響曲線Fig.4 Effect of pipe thickness on failure pressures

（4）缺陷長度的影響

圖5 缺陷長度對失效壓力的影響曲線Fig.5 Effect of crack length on failure pressures

圖5 顯示缺陷長度對破壞壓力的影響。從圖中能夠看出，隨著缺陷長度的增加，拉伸應(yīng)變極限和管道損壞壓力逐步降低。應(yīng)變降低極限逐步減小。管道失效曲線有一個重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)縱橫比小于4時，失效壓力變化較小。當(dāng)縱橫比大于4時，失效壓力下降變得越來越快。能夠看出，經(jīng)過一定長度的周向裂紋缺陷后，管道承載能力的衰減明顯。 因此，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接施工的質(zhì)量，避免發(fā)生裂縫，特別是長裂縫的發(fā)生。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國復(fù)合管缺陷的修復(fù)具有非常寬廣的使用前景。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的施工技能研究，配套施工設(shè)備研究，相應(yīng)的剖析辦法和模仿技能仍處于發(fā)展階段。 期望隨著對管狀缺陷修復(fù)的需求不斷增加，我們可以進(jìn)一步開發(fā)復(fù)合修復(fù)技術(shù)，豐富管道修正技術(shù)的種類，進(jìn)步管道修復(fù)技術(shù)水平。