光固化高強玻璃纖維復合材料管道補強技術研究*

明連勛，姚登樽，范玉然，郭 磊，劉 翼，蘇子建

（1.中國石油西氣東輸管道分公司科技信息中心，武漢 430073；2.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北 廊坊 065000；3.中國石油天然氣油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北 廊坊 065000）

0 前 言

截至2016 年，中國陸上長輸油氣管道總里程約 12.4×104km，其中原油、成品油、天然氣管道分別占總里程的24%、19%、57%。 中國已經(jīng)形成三縱四橫、連通海外、覆蓋全國的油氣管網(wǎng)，油氣管道已成為中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的能源安全生命線[1]。 隨著國內(nèi)管道總長度的增加，由于外力損傷、腐蝕、管材缺陷等原因，管道運輸安全受到威脅[1-7]。 尤其近兩年來，中石油加大了對所轄長輸管道的質(zhì)量排查，通過排查發(fā)現(xiàn)了大量的管道缺陷，為了避免管道事故造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡及生態(tài)環(huán)境破壞，急需開展管道缺陷修復工作。

復合材料修復技術由于其適用范圍廣、輕質(zhì)高強、抗腐蝕、施工簡便等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到廣泛的應用，并逐漸成為缺陷管道修復技術的優(yōu)選方法[1-6]。 國外最早于20 世紀90 年代開始使用復合材料修復技術，已經(jīng)有二十多年的時間。 隨著復合材料的廣泛應用，各國管道行業(yè)都致力于發(fā)展這項新技術，國外主要有Armor Plate、T.D.Williamson、Neptune Research、3X Engineering、Furmanite 等公司，開發(fā)出 Clock Spring、Armor Plate Pipe Wrap、Syntho-Glass、Black-DiamondTM等一系列管道修復用復合材料[7-8]，這些修復技術在管道工程上都得到了很好的應用。 國內(nèi)從20 世紀90 年代初，北京科技大學最早開發(fā)和使用了該項技術，并在陜京管線得到成功使用。 目前，國內(nèi)各大管道運營公司已將復合材料修復技術作為管道缺陷修復的常規(guī)手段。

然而，國內(nèi)復合材料修復普遍采用濕纏繞法施工。 該方法最早由美國研究，第一個該類型產(chǎn)品為STRONGBACK，是將高強芳綸纖維現(xiàn)場浸漬在基樹脂中，制成纏繞帶纏繞到管道缺陷上，固化后起到補強修復效果。 該方法具有成本低、施工便捷、不受結構形狀限制的特點。 但該方法在應用過程中，由于現(xiàn)場人工涂刷膠液，容易存在纖維浸潤不充分、含膠量不均勻、易受濕度/沙塵影響等，導致現(xiàn)場質(zhì)量管控困難、效率低、易受污染、環(huán)境影響大等[9-13]。 因此，為了能夠有效控制施工質(zhì)量，提高施工效率，筆者研究了一種基于光固化的纖維復合材料預浸料。 該預浸料主要由高收縮高反應性特種光敏樹脂、特種助劑、高強度玻纖單向織物組成的預浸帶產(chǎn)品。 通過真空浸漬工藝，有效保證了高強玻纖與樹脂料的充分潤濕及無泡的界面結構，從而保證了該預浸料固化后超高的機械強度，有效克服了濕纏繞施工方法的不足。

1 試驗方法

本研究所用光固化纖維復合材料預浸料為S-1000 高強光敏玻璃纖維預浸料 （以下簡稱S-1000光敏料），實物如圖1 所示。 該預浸料厚度0.8 mm左右，為單向織物預浸料，所用纖維織物為歐文斯科寧E 型單向玻璃纖維織物。 首先對該預浸料拉伸性能、鋼體界面粘接性能和吸水性能等進行了試驗，并與濕纏繞法制備的試樣進行了對比分析。 濕纏繞所用纖維與高強光敏玻璃纖維預浸料所用纖維型號相同，浸潤樹脂采用了兩種環(huán)氧樹脂，分別為國產(chǎn)上緯2218 樹脂和日本BOND E2500S樹脂，兩種樹脂的性能指標見表1。

圖1 S-1000 高強光敏玻璃纖維預浸料

本研究中復合材料拉伸斷裂強度和彈性模量測試依據(jù)GB/T 3354—2014 《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》，拉伸試驗速度為2 mm/min。 吸水性試驗參照 GB/T 1462—2005 《纖維增強塑料吸水性試驗方法》。 界面粘接性測試參考GB/T 5210 《色漆和清漆拉開法附著力試驗》。采用掃描電鏡對S-1000 光敏料制備的復合材料與傳統(tǒng)濕纏繞法制備的復合材料試樣進行了微觀結構觀察，分析復合材料纖維與樹脂的分布情況。

為了進一步驗證S-1000 光敏料現(xiàn)場應用的可靠性及高效性，在 Φ1 219 mm×18.4 mm 管段上以環(huán)焊縫為中心加工了軸向人工缺陷，缺陷長300 mm，寬 50 mm，深度為 60%的壁厚。 并采用S-1000 光敏料對該缺陷進行修復補強，修復后進行水壓試驗，驗證其服役可靠性。 修復結構依據(jù)標準ASME PCC-2—2015[10]計算出設計厚度為30 mm，軸向長度為1 140 mm。 此外，試驗過程中在缺陷中心位置處、復合材料層間以及復合材料外層粘貼應變片進行修復結構的應變行為測試。

采用該預浸料進行管道缺陷修復時，首先對缺陷位置周圍進行噴砂表面處理，達到ST3 后，用金屬修補劑填充人工缺陷并實現(xiàn)與管體的圓滑過渡。 之后涂刷配套底涂膠，表干后，纏繞S-1000 光敏料。 纏繞過程在遮陽帳篷中進行，防止紫外光照射。 每次纏繞3～4 層，纏繞完畢后，采用陽光或紫外燈進行固化處理。 待完全固化后，涂刷中間光敏膠，再次進行纏繞。 圖 2 為S-1000 光敏料對管體缺陷進行修復的現(xiàn)場情況。

圖2 采用S-1000 光敏料對管體缺陷修復現(xiàn)場照片

2 結果分析

2.1 拉伸性能

圖3 為采用S-1000 光敏料與采用兩種不同環(huán)氧樹脂 （上緯2218 樹脂、日本BOND E2500S樹脂） 制備的玻璃纖維復合材料拉伸試樣，拉伸試樣及拉伸性能如圖3 和圖4 所示，拉伸試驗結果見表2。

圖3 復合材料拉伸試樣

圖4 三種不同復合材料拉伸性能對比

表2 復合材料修復層拉伸性能測試結果

從圖3 可以看出，S-1000 光敏料制備的試樣拉伸強度和彈性模量都是最高的，其均值達到了860.57 MPa 和46.35 GPa。 復合材料的拉伸強度和彈性模量是復合材料結構設計中的關鍵參數(shù)，玻璃纖維復合材料拉伸強度和彈性模量越高，缺陷修復時復合材料與管體的協(xié)調(diào)變形情況越好，修復效果越好。

2.2 吸水性

圖5 和表3 為三種試樣的吸水性測試結果。從表3 可以看出，S-1000 光敏料的吸水率最低，說明其具有優(yōu)異的耐水性。

圖5 吸水性測試

表3 吸水性能測試結果

2.3 界面剝離強度

依據(jù)GB/T 5210—2006 《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》 對S-1000 光敏料與鋼管本體的界面剝離性能進行測試，圖6 為測試后S-1000 光敏料試樣。 測試結果顯示，其界面剝離強度為11.55 MPa，表明復合材料具有良好的界面粘接性能。

圖6 S-1000 光敏料的界面剝離性能測試試樣

2.4 微觀形貌

為了進一步對比分析S-1000 光敏料制備試樣與濕纏繞法試樣之間的差異，對3 種試樣的微觀形貌進行了對比。 圖7 為S-1000 光敏料與濕纏繞制備復合材料試樣的掃描電鏡照片。 從圖7 可以看出，S-1000 光敏料試樣顯微結構更加緊湊，樹脂對纖維的浸潤效果更好，界面沒有明顯的脫粘或剝離情況，這也是S-1000 光敏料復合材料具有優(yōu)異拉伸性能和耐水性的重要原因。

2.5 修復試驗結果

圖8 為S-1000 光敏料修復缺陷管材的爆破試驗結果，從圖8 可以看出，管材最終失效發(fā)生在管體位置，爆破壓力為23.1 MPa，充分說明了S-1000 光敏料對管道缺陷修復具有優(yōu)異的性能。

圖9 給出了試驗過程中無缺陷管體、缺陷中心位置、修復結構的應變測試結果。 從圖9（a）可以看出，水壓過程中缺陷位置先發(fā)生塑性變形，隨后缺陷處的變形將應力傳遞給修復材料，起到共同承擔載荷的作用。 從圖9（b）可以看出，修復結構底層應變量最大，中間層纖維應變量居中，最外層纖維應變量最小，也充分表明了修復結構通過協(xié)調(diào)變形實現(xiàn)載荷層層傳遞的過程。 帥健等人也曾通過有限元模擬分析方法揭示過這種現(xiàn)象[14-16]。

圖7 三種不同材料試樣的掃描電鏡照片

圖8 S-1000 光敏料修復缺陷管材爆破試驗

圖9 S-1000 光敏料修復缺陷管材爆破試驗應變測試結果

3 結 論

（1） 光固化高強纖維復合材料預浸料試樣與濕纏繞法試樣相比，顯微結構更加緊湊，樹脂對纖維的浸潤效果更好，因此脫粘、分離等缺陷較少。

（2） 高強纖維復合材料預浸料各項性能優(yōu)異，明顯高于濕纏繞法的同等試樣水平。 高強纖維復合材料預浸料抗拉強度和彈性模量均值高達860.57 MPa 和 46.35 GPa。

（3） 復合材料的修復作用，是通過缺陷塑性變形，實現(xiàn)應力傳遞的； 且纖維修復結構的變形由內(nèi)到外逐漸降低，即纖維修復結構的變形底層最大，中間層次之，最外層最小。