油氣管道復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)探究

摘 要：服役年限和環(huán)境役使管道腐蝕老化，以致失效事故的發(fā)生，給油氣行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的損失。至此，管道的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題凸顯，故與成都陸迪開(kāi)展LD EpoWrap?玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的研究，研究結(jié)果表明：該技術(shù)及配套工藝對(duì)含有缺陷管道起到良好的包裹修復(fù)的效果;在40MPa下爆破試驗(yàn)，無(wú)漏點(diǎn)及明顯的變形;并且該技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用取到了良好的效果，開(kāi)完驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維復(fù)合材料;補(bǔ)強(qiáng);三向無(wú)屈服布

0 引言

目前國(guó)內(nèi)超過(guò)60%以上的油氣輸送管道在役超過(guò)20年，甚至有上世紀(jì)70-80年代的管線仍在服役期，油氣管網(wǎng)失效事件遏制油氣行業(yè)的發(fā)展[1-2]。國(guó)內(nèi)油氣管道事端頻發(fā)，呈逐年上升勢(shì)頭，必須遏制或緩解這一趨勢(shì)的發(fā)展[3]。

在現(xiàn)有的油氣管道修復(fù)技術(shù)市場(chǎng)環(huán)境條件下，因地區(qū)的差異性以致修復(fù)技術(shù)應(yīng)用空間及需求各異。誤差較大、風(fēng)險(xiǎn)偏高、成本較高的傳統(tǒng)技術(shù)及工藝已無(wú)法滿足市場(chǎng)發(fā)展需要。目前，相關(guān)人員以傳統(tǒng)修復(fù)方式、焊接類(lèi)型、夾具類(lèi)型及纖維復(fù)合材料類(lèi)型為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)新材料并改進(jìn)施工工藝及操作流程[4-5]。本文以復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)為核心，以冀寧線管道為例，研究得出LD EpoWrap?三向無(wú)屈服復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)。

1 三向無(wú)曲服纖維布復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)就是利用高壓填料、環(huán)氧樹(shù)脂底膠和纖維復(fù)合材料在管道外層形成整套補(bǔ)強(qiáng)層，當(dāng)在修復(fù)缺陷時(shí)，先對(duì)缺陷處使用高壓材料進(jìn)行填平處理，隨即進(jìn)行底膠刷涂，后采用濕法纏繞包覆于管道外。隨著高壓填料的固化，管壁缺陷處的應(yīng)力降低，管道缺陷處由內(nèi)壓引起的環(huán)向拉伸應(yīng)力和徑向膨脹得到抑制，借助纖維材料在0°、45°和135°三向纖維方向的高強(qiáng)度特性（可進(jìn)行螺旋纏繞），利用粘接樹(shù)脂在服役管道缺陷處包覆復(fù)合材料層，進(jìn)而恢復(fù)或提升隱患管道的服役強(qiáng)度。

1.2 結(jié)構(gòu)性完整測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

綜合可用于實(shí)驗(yàn)鋼管的情況，選用Φ219管材，進(jìn)行10層LD EpoWrap?玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，軸向修復(fù)長(zhǎng)度300mm，首先進(jìn)行管體表面處理（st3.0級(jí)），4h內(nèi)進(jìn)行涂刷底膠（厚度約300μm），隨后進(jìn)行浸漬、纏繞玻璃纖維復(fù)合材料（10層）;所有的復(fù)合材料安裝完成后，從修復(fù)一端開(kāi)始螺旋式纏繞養(yǎng)護(hù)膜，纏繞層數(shù)≥2，最后進(jìn)行質(zhì)量檢查。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如上圖所示，完全養(yǎng)護(hù)固化2h后，拆除養(yǎng)護(hù)膜，對(duì)修復(fù)層的外觀進(jìn)行檢查。檢查結(jié)果：修復(fù)層完整，無(wú)開(kāi)裂、分層、脫層、空鼓、鼓泡等缺陷失效跡象;采用FC9500涂層測(cè)厚儀對(duì)補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)層進(jìn)行厚度檢測(cè)，對(duì)管道圓周3：00、6：00、9：00、12：00均勻分布的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，最小厚度值為6.41mm;采用邵氏硬度計(jì)檢測(cè)修復(fù)層硬度大于80D;采用小錘或圓木棒敲擊修復(fù)層表面，發(fā)出清脆的聲音，因此修復(fù)層粘結(jié)良好;修復(fù)層邊緣部分采用切割方式打開(kāi)，發(fā)現(xiàn)修復(fù)層之間、修復(fù)層與管體之間粘結(jié)良好。

1.3 封閉管道打壓試驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

材質(zhì)：20#鋼材;試驗(yàn)介質(zhì)：清水;Φ159mm×7mm×

1600mm;缺陷尺寸：長(zhǎng)91mm×寬54mm×70wt%（人工制造缺陷）;兩端采用管帽+加強(qiáng)筋進(jìn)行焊接封堵;試驗(yàn)設(shè)備：CB200-5.5超高壓泵。對(duì)試驗(yàn)管道進(jìn)行打磨缺陷--測(cè)量缺陷--填平處理--底膠涂抹--三向無(wú)曲服布濕法正纏繞和螺旋纏繞分別修復(fù)8層，并對(duì)其包覆完整行檢查之后，隨即結(jié)束試樣的準(zhǔn)備工作。

固化24h后，依據(jù)SY/T5992-2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)方法》和Q/SY1592-2013《油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范》等爆破試壓標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)三組帶有人工制造缺陷試驗(yàn)材料進(jìn)行爆破試壓。壓力以每10MPa作為梯度，進(jìn)行穩(wěn)壓5mim，無(wú)滲漏及明顯變形繼續(xù)升壓，直至壓力達(dá)40MPa為止。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

三組試驗(yàn)結(jié)果如圖所示，由圖可知，三組人工制造缺陷試驗(yàn)材料在經(jīng)過(guò)LD EpoWrap?三向無(wú)曲服布復(fù)合材料包覆之后，在四個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)處水壓爆破數(shù)據(jù)穩(wěn)定，管道無(wú)滲漏及明顯變形。補(bǔ)強(qiáng)后的管體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。這主要是因?yàn)槿驘o(wú)屈服纖維布以0度纖維層、45度纖維層和135度纖維層的縫接方式，可以降低纖維在編織過(guò)程中的形變和纖維束上下交叉的可能性，避免交叉折疊會(huì)造成纖維的強(qiáng)度下降及性能衰減。同時(shí)高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂能有效保證纖維材料的橫向、縱向強(qiáng)度，解決管道缺陷復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的異形結(jié)構(gòu)纏繞的技術(shù)難點(diǎn)，并在保證質(zhì)量和安全的前提下大幅降低了工程成本。該結(jié)果為管道缺陷修復(fù)中異形結(jié)構(gòu)的修復(fù)提供更優(yōu)異的選擇方案，解決了異形結(jié)構(gòu)纏繞修復(fù)的技術(shù)難題。

鑒于上述試件制作流程鑒定結(jié)果和質(zhì)量檢查結(jié)果，為了進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)LD EpoWrap?修復(fù)試件的可靠性，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中修復(fù)層抗外力破壞的能力，借此保證LD EpoWrap?修復(fù)試件的實(shí)用性，采取以下兩種方式進(jìn)行破壞性拆除。

方法一：采用物理切割修復(fù)層后，使用刨刀等專(zhuān)用工具對(duì)修復(fù)層進(jìn)行緩慢拆除直至最后1-2mm（使用涂層測(cè)厚儀進(jìn)行剩余厚度確認(rèn)），再使用“角磨機(jī)+千葉片”對(duì)剩余修復(fù)層和底涂材料進(jìn)行打磨處理;

方法二：充分考慮修復(fù)層的玻化溫度，采用“氣罐+噴槍”的形式對(duì)修復(fù)層進(jìn)行加熱至70℃以上，再使用刨刀等工具對(duì)加熱區(qū)域的修復(fù)層進(jìn)行快速鏟除，最后使用“角磨機(jī)+千葉片”對(duì)剩余修復(fù)層和底涂層進(jìn)行打磨處理即可。

通過(guò)本次實(shí)操試驗(yàn)可以得出：采用加熱、物理等手段對(duì)LD EpoWrap?玻璃纖維復(fù)合完全固化且質(zhì)量良好的修復(fù)層進(jìn)行破壞性拆除完全可行，且整個(gè)作業(yè)過(guò)程不會(huì)對(duì)管道本體造成損傷。

2 使用現(xiàn)狀

該技術(shù)在2017年10月首次應(yīng)用于冀寧線L469，凹陷型缺陷修補(bǔ)中，缺陷尺寸：1177mm×322mm×3.23%OD，修復(fù)長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)1.6m。并于2018年10月進(jìn)行開(kāi)完驗(yàn)證，依據(jù)《天然氣輸送管道管體缺陷復(fù)合修復(fù)材料驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、《油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范》和《埋地鋼制管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行驗(yàn)證開(kāi)挖，結(jié)果表明：防腐涂層的外觀無(wú)明顯破損無(wú)漏點(diǎn)、厚度及剝離強(qiáng)度抽查均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;修復(fù)層剝離600mm×600mm窗口，修復(fù)表面與修復(fù)層間粘結(jié)情況良好，無(wú)剝離現(xiàn)象;玻璃修復(fù)端的邵氏硬度及修復(fù)層厚度同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

隨即在中國(guó)石油天然氣股份有限公司公司西南油氣田分公司、西南管道公司開(kāi)展應(yīng)用推廣，效果良好，取得良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

3 技術(shù)展望

針對(duì)于國(guó)內(nèi)外管道復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的現(xiàn)狀，著手于管道修復(fù)技術(shù)研究的同時(shí)，完善及優(yōu)化管道修復(fù)技術(shù)流程及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)配套工作，完善和規(guī)范管道修復(fù)技術(shù)流程，為國(guó)內(nèi)石油行業(yè)的管道補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展提供參考和保障。

①現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一、成熟的玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)管道缺陷復(fù)合材料的維修補(bǔ)強(qiáng)，建議試驗(yàn)和施行前搭配有限元數(shù)值模擬方法輔助復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì);

②加強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)研究，并在新材料基礎(chǔ)上完整不同維修補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件;

③開(kāi)展復(fù)合材料修復(fù)質(zhì)量在線跟蹤監(jiān)測(cè)與診斷分析，解決管理者對(duì)已修復(fù)缺陷管道的健康狀況監(jiān)測(cè)難題;

4 結(jié)論

①結(jié)構(gòu)性完整測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：檢查結(jié)果：修復(fù)層無(wú)明顯缺陷;修復(fù)層厚度≥6.41mm;硬度>80D;采用切割方式打開(kāi)修復(fù)層，檢查發(fā)現(xiàn)修復(fù)層之間、修復(fù)層與管體之間粘結(jié)良好;

②經(jīng)過(guò)LD EpoWrap?復(fù)合材料包覆之（下轉(zhuǎn)第71頁(yè)）

（上接第68頁(yè)）后，補(bǔ)強(qiáng)之后，在10MPa、20MPa、30MPa、

40MPa四個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)處水壓爆破數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無(wú)滲漏及明顯變形，補(bǔ)強(qiáng)后的管體強(qiáng)調(diào)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;

③采用加熱、物理等手段對(duì)LD EpoWrap?玻璃纖維復(fù)合完全固化且質(zhì)量良好的修復(fù)層進(jìn)行破壞性拆除完全可行，且整個(gè)作業(yè)過(guò)程不會(huì)對(duì)管道本體造成損傷。

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作者簡(jiǎn)介：

石磊（1976- ），男，漢族，工程師，2000年畢業(yè)于河北廊坊石油管道職工學(xué)院管道儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)，研究方向：現(xiàn)主要從事油氣管道管理專(zhuān)業(yè)方向的研究工作。