碳纖維補強技術(shù)在石化裝置的應(yīng)用分析

米 濤

（中國石化青島石油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266043）

0 引言

石油化工等能源行業(yè)的發(fā)展對國家經(jīng)濟發(fā)展有著重大影響，尤其是在當(dāng)前全球能源需求日益緊張的背景下，石化行業(yè)的戰(zhàn)略地位越來越重要。目前石化裝置的發(fā)展趨于大型化、一體化，其輸送介質(zhì)的特點也日趨復(fù)雜，在生產(chǎn)實踐中存在大量泄漏、爆炸以及中毒等風(fēng)險，給企業(yè)經(jīng)濟效益增長構(gòu)成嚴重的威脅。為此，石化企業(yè)就必須遵循穩(wěn)定性、可靠性、安全性原則，提高石化裝置的運行水平。碳纖維補強技術(shù)在石化裝置管道中具有很高的應(yīng)用價值，可以有效解決一些管道腐蝕與破壞問題，因此有必要圍繞其在石化裝置的應(yīng)用進行探討與研究。

1 石化裝置概況

石化裝置的運行具有很強的周期性與系統(tǒng)性，期間包含設(shè)計、采購、安裝、開停工、材料管理、維修管理等方面工作。因為受到多方面因素的影響，控制石化裝置運行的穩(wěn)定性與可靠性往往具有一定難度。本質(zhì)上，石化裝置正常運行必須建立在設(shè)備管理合理、狀態(tài)良好的基礎(chǔ)之上。目前，石油化工企業(yè)必須致力于現(xiàn)代新型技術(shù)的研究與開發(fā)，遵循科學(xué)性、有效性原則，使石化裝置的運行狀態(tài)趨于穩(wěn)定、可靠，從而規(guī)避相關(guān)風(fēng)險。

在當(dāng)前國際市場競爭日益激烈的情況下，石化企業(yè)對石化裝置運行周期的要求越來越高。一直以來，石化企業(yè)都十分關(guān)注石化裝置運行管理問題，并致力于提高其運行周期，石化裝置的檢修周期從最早的一年一修到現(xiàn)在的4 年一修，可以說取得的成果非常突出。當(dāng)然，與一些發(fā)達國家相比，我國石化裝置的運行管理依然存在著一些問題。實際上，裝置的運行周期長短在很大程度上取決于設(shè)備運行周期的長短，如果設(shè)備能夠保持良好的運行狀態(tài)，那么石化裝置的運行自然也會趨于穩(wěn)定、可靠。因此，如何做好設(shè)備管理工作，促使完整性與周期性得到強化具有重大的現(xiàn)實意義。在設(shè)備完整性管理工作中，修復(fù)補強是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，而碳纖維補強修復(fù)技術(shù)的運用，則大大緩解了石油化工行業(yè)中的管道修復(fù)壓力，因此，有必要圍繞該項技術(shù)在實踐中的應(yīng)用與發(fā)展展開深入的探索與研究。

2 碳纖維補強修復(fù)技術(shù)

2.1 技術(shù)類型

（1）預(yù)成型法。所謂的預(yù)成型法，就是提前在工廠利用不飽和聚酯和碳纖維來處理缺陷管道，根據(jù)管道管徑進行復(fù)合套筒的預(yù)制工作，然后在現(xiàn)場管道表面利用強力膠將其與復(fù)合層粘結(jié)到一起，從而使管道恢復(fù)強度。預(yù)成型法最早源自美國，修復(fù)材料以玻璃纖維為主，主要用于壓力管道外腐蝕缺陷修復(fù)，至今已有20 多年的歷史。

（2）濕纏繞法。濕纏繞法就是先在管道上纏繞碳纖維布，然后在纖維布上涂刷樹脂，按照特定的溫度與時間使樹脂固化、與纖維布形成一層復(fù)合層，并與原有管壁緊密地貼合在一起，在管道承受圓周應(yīng)力時分攤管道腐蝕部位的集中應(yīng)力，最后使管道缺陷部位維持在一個安全的狀態(tài)。該項技術(shù)也源自于美國，在很多管道缺陷修復(fù)中具有很高的應(yīng)用價值。濕纏繞法對溫度有一定要求，一般以-25～160 ℃為宜。

2.2 適用范圍

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)有一定的適用范圍，在管道外部腐蝕、機械損傷、內(nèi)腐蝕以及磨損、生產(chǎn)過程中出現(xiàn)泄漏與缺陷等情況下，使用效果比較理想。以內(nèi)腐蝕為例，在設(shè)備與管道修復(fù)中維修人員需要分析實際情況，確定維修壽命，從而充分發(fā)揮碳纖維修復(fù)補強技術(shù)的作用。

2.3 技術(shù)特點

目前，在很多石化裝置管道修復(fù)技術(shù)中，碳纖維補強修復(fù)技術(shù)有著非常突出的優(yōu)勢。在我國長輸油氣管道與城鎮(zhèn)燃氣管道的使用與運行過程中，碳纖維補強修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用也趨成熟。該項技術(shù)主要有以下6 個應(yīng)用特點：

（1）該修復(fù)技術(shù)應(yīng)該建立在“三不”的基礎(chǔ)上，即不卸料、不泄壓、不動火。該項技術(shù)不需要采取焊接的方式，減少管道運行風(fēng)險同時可以確保管道運行不會中斷，促使石化裝置運行周期趨于穩(wěn)定。

（2）與其他材料相比，碳纖維在彈性模量、抗拉強度以及延伸率方面都具有突出優(yōu)勢，如其與碳鋼具有幾乎相同的彈性模量。美國天然氣研究協(xié)會的調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，在壓力管道修復(fù)工作中復(fù)合材料的抗拉強度與彈性模量往往決定了其修復(fù)效果，這樣碳纖維的特性決定了其具有較高的應(yīng)用價值。

（3）碳纖維復(fù)合材料與修補劑的各方面特性均比較突出，如層間剪切強度、耐腐蝕能力、耐溫性能以及抗老化性等比較高。

（4）因為復(fù)合材料補強層厚度薄且質(zhì)量低，其與管道的協(xié)同性相對理想，復(fù)合材料不會對管體造成二次損傷。

（5）碳纖維布具有良好的柔韌性，在焊縫余高偏高、錯邊與變形比較嚴重的缺陷修復(fù)中能夠取得理想的效果。與此同時，碳纖維還能夠在彎管、三通以及大小頭等不規(guī)則關(guān)鍵修復(fù)中發(fā)揮較好的作用

（6）碳纖維補強修復(fù)技術(shù)具有較強的靈活性，而且修復(fù)難度不大，能夠在短時間內(nèi)完成修復(fù)作業(yè)。

3 碳纖維補強修復(fù)技術(shù)在含缺陷壓力管道中的應(yīng)用

3.1 石化裝置壓力管道損傷分析

以某石化企業(yè)為例，對其石化裝置壓力管道損傷進行研究。該企業(yè)每年壓力管道檢驗長度為200 km，近幾年缺陷率為10%左右。通過分析可知，管道缺陷主要分為3 種，即腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂以及原始缺陷。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，腐蝕與原始超標(biāo)缺陷為主要的缺陷形式，考慮到強度因素對含缺陷因素造成的影響使其產(chǎn)生破裂與泄漏，技術(shù)人員選擇補強修復(fù)方式來實現(xiàn)管道運行狀態(tài)的調(diào)整，從而有效控制非計劃停車，延長管道使用壽命。

3.2 修復(fù)方案

在對管道缺陷情況進行檢測的過程中，技術(shù)人員對缺陷的具體參數(shù)進行了確認，并根據(jù)管道運行工況與承受能力，遵循安全性、可靠性、經(jīng)濟性以及科學(xué)性原則，對管道缺陷修復(fù)方案進行了設(shè)計。

選取腐蝕減薄或穿孔管道修復(fù)為例。之前企業(yè)對這類含缺陷管道的修復(fù)都是采用局部更換管段或者焊接修復(fù)的方式，然而這種修復(fù)方式違背了“三不”原則（即不接受不良品、不制造不良品、不流出不良品），限制到上下游的正常生產(chǎn)且安全風(fēng)險較大，對裝置運行周期造成一定影響。為了保障生產(chǎn)活動正常進行，技術(shù)人員選擇了碳纖維符合材料修復(fù)補強技術(shù)。在技術(shù)應(yīng)用過程中，需要充分考慮使用單位的修復(fù)目標(biāo)以及設(shè)備服役情況，并按照一定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確定修復(fù)層厚度的最小值、補強層數(shù)、軸向修復(fù)長度等參數(shù)，確保管道最大許可操作壓力符合修復(fù)要求，從而在管道正常運行的情況下完成修復(fù)補強作業(yè)。

3.3 施工控制要點

（1）預(yù)處理。在施工準(zhǔn)備階段，技術(shù)人員需要對修復(fù)方案進行仔細閱讀，從而確定修復(fù)范圍并做好標(biāo)記。在預(yù)處理過程中，首先要按照一定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用機械或噴砂除銹的方式，清除管道缺陷軸向兩邊一定距離的表面防腐層與氧化物。如果管道腐蝕情況嚴重，那么在清理表面時還應(yīng)該采取降壓操作，

（2）填縫。對于腐蝕缺陷，應(yīng)該用修補劑填充，并且修補劑應(yīng)在現(xiàn)場進行調(diào)制。在填補過程中，填補位置邊緣與管體表面應(yīng)趨于平滑，確保其固化水平達到一定要求，如此才能使碳纖維符合材料與修補劑接觸到位，不會發(fā)生空鼓現(xiàn)象。

（3）環(huán)氧底漆涂抹。按照超過0.2 mm 的厚度標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)氧底漆涂涂抹在管道補強位置，從而有效隔離碳纖維符合材料與管壁，有效控制電偶腐蝕問題。

（4）碳纖維包覆。使用環(huán)氧樹脂與碳纖維片材鋪粘到一起，使纖維復(fù)合層材料補強層得以形成。碳纖維布應(yīng)該保持緊繃狀態(tài)，可以施加相應(yīng)的預(yù)緊力并進行反復(fù)輥壓，從而消除復(fù)合材料層、材料以及管道外表面間的氣泡與空鼓。

（5）固化與后期處理。在完成補強修復(fù)之后，應(yīng)該做好補強區(qū)域樹脂固化工作，具體操作可以選擇塑料薄膜進行覆蓋，確保規(guī)避風(fēng)沙、雨水等干擾。在作業(yè)溫度不超過5 ℃的情況下，還要調(diào)整材料或者采取加溫措施來保障固化效果。在后期處理工作中，還要在保溫管道表面涂刷防腐涂漆，恢復(fù)保溫層。

4 結(jié)束語

石化企業(yè)為了保障自身綜合效益，就必須遵循穩(wěn)定性、可靠性、安全性原則，提高石化裝置的運行水平。碳纖維補強技術(shù)可以有效解決一些管道腐蝕與破壞問題，在石化裝置管道中具有很高的應(yīng)用價值，因此有必要圍繞其在石化裝置的應(yīng)用進行探討與研究。