復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)油氣管道的研究進(jìn)展

何 毅 ，趙廣慧 ?

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.石油天然氣裝備技術(shù)四川省科技資源共享服務(wù)平臺(tái)，成都 610500）

0 前言

管道輸送具有成本低、效率高、建設(shè)周期短、占地少、安全、無污染、可穿越各種地域和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸送等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于供水、輸氣、輸油等領(lǐng)域。在油氣運(yùn)輸中，由于各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、第三方破壞以及所輸送介質(zhì)的影響，部分管道需要進(jìn)行預(yù)增強(qiáng)來提升管道性能；部分管道則由于產(chǎn)生裂紋、腐蝕、凹痕、變形等缺陷需要現(xiàn)場施工進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)［1?2］。針對不同的管道缺陷形式和所受載荷，有不同的修復(fù)方式［3?4］，如：補(bǔ)焊、補(bǔ)板、復(fù)合材料、內(nèi)襯、換管等［5］，其中焊接、換管等技術(shù)往往需要大型設(shè)備并且在停輸下進(jìn)行。運(yùn)用復(fù)合材料增強(qiáng)和修復(fù)油氣管道具有不動(dòng)火、不停輸、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越多的應(yīng)用和研究。

利用復(fù)合材料增強(qiáng)或修復(fù)油氣管道技術(shù)，是將增強(qiáng)纖維和樹脂基體形成的復(fù)合材料增強(qiáng)層通過粘接層貼敷于管道外壁，起到共同承擔(dān)管道載荷、限制管道缺陷擴(kuò)展的作用，以提高或恢復(fù)管道的承載能力。管道修復(fù)中常用的復(fù)合材料有玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）［6?7］、碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）［8?9］、芳族聚酞胺纖維增強(qiáng)聚合物（AFRP）以及其他材料合成的纖維增強(qiáng)聚合物［10?12］，目前使用較多的是 CFRP和GFRP。本文聚焦于近10年來關(guān)于復(fù)合材料增強(qiáng)或修復(fù)油氣管道的最新研究進(jìn)展，從增強(qiáng)未受損管道、修復(fù)含裂紋缺陷和體積缺陷管道方面進(jìn)行綜述。

1 復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)管道方法和機(jī)理

1.1 增強(qiáng)修復(fù)方法

近年來，國內(nèi)外發(fā)行更新了許多關(guān)于復(fù)合材料修復(fù)受損管道的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)［13?20］。在國內(nèi)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)［13］，復(fù)合材料可以修復(fù)深度小于管徑80%的外腐蝕缺陷、溝槽或其他金屬損失、直焊縫、電弧燒傷、裂紋缺陷和管體上的普通平滑凹陷等；不能修復(fù)深度大于管徑80%的外腐蝕、硬點(diǎn)、環(huán)焊縫、屈曲、鼓泡和泄露等缺陷；國際上 ASME PCC?2?2011［19］和 ISO/TS 24817［20］是較為通用的管道復(fù)合修復(fù)準(zhǔn)則。復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)管道的施工流程大致如下：（1）對增強(qiáng)或修復(fù)的管道表面進(jìn)行修整清理，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)［21］的Sa2.5級；（2）使用專用的修補(bǔ)劑對受損管道進(jìn)行缺陷填充，使管道外壁平整；（3）涂刷底漆，將復(fù)合材料與管道外壁隔開，防止產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；（4）粘貼復(fù)合材料修復(fù)層。

復(fù)合材料增強(qiáng)修復(fù)管道的方法主要分為預(yù)成型法和濕纏繞法，如表1所示。

預(yù)成型法也稱為套筒法，根據(jù)所用套筒材料的不同分為復(fù)合材料套筒和復(fù)合材料/灌漿套筒。復(fù)合材料套筒是美國的Clock Spring公司最先開發(fā)并工程化的，它是根據(jù)待修復(fù)對象的尺寸，在工廠預(yù)先制成復(fù)合材料修復(fù)套筒，再運(yùn)往現(xiàn)場，運(yùn)用粘接劑將套筒粘結(jié)到管體表面上［22?24］。由于復(fù)合材料套筒的剛度較低，限制載荷由管道向套筒傳遞的有效性，為進(jìn)一步提高管道修復(fù)后的強(qiáng)度和剛度，發(fā)展了復(fù)合材料/灌漿套筒。復(fù)合材料/灌漿套筒由復(fù)合材料層和灌漿層組成［25?27］，制作過程中需要在復(fù)合材料套筒上預(yù)制注漿孔，施工時(shí)通過注漿孔注入漿液，然后進(jìn)行封堵，制作工藝和施工流程較為復(fù)雜。目前最常用的灌漿是環(huán)氧漿液和粗骨料或者細(xì)骨料按比例調(diào)配制成，灌漿的成分以及不同成分間的配比對于灌漿的力學(xué)性能有較大的影響，進(jìn)而影響管道修復(fù)的效果。研究表明，灌漿層的強(qiáng)度和剛度越大，修復(fù)后管道承受內(nèi)壓和拉伸載荷的能力也越大，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度灌漿能使載荷更有效地傳遞到復(fù)合材料套筒上。

預(yù)成型法無需現(xiàn)場配膠，效果穩(wěn)定。但已成型的復(fù)合材料套筒硬度較大不易變形，只能修復(fù)直管；且預(yù)成型的套筒與管道之間通過粘接劑相連，容易出現(xiàn)套筒與管道之間的結(jié)合力不足而影響增強(qiáng)或修復(fù)的效果。

濕纏繞法是將浸漬或涂刷了樹脂的纖維布或纖維按照一定方向纏繞在管道上，樹脂固化后與纖維形成修復(fù)層。修復(fù)層緊貼于管道外壁，分擔(dān)管道的載荷，起到修復(fù)增強(qiáng)管道的作用。與預(yù)成型法相比，濕纏繞法可以修復(fù)三通、彎頭等形狀復(fù)雜的管件和管段部位，適用范圍更廣。但由于需要現(xiàn)場配置膠液，且多為手糊操作，受到人為因素和環(huán)境因素影響較大，增強(qiáng)效果不如預(yù)成型法穩(wěn)定。

根據(jù)具體施工的方式不同，濕纏繞法可分為纖維布周向纏繞［28?36］、纖維布貼片［37?38］和纖維纏繞［39］。纖維布周向纏繞是在周向360°對管道的增強(qiáng)或修復(fù)部位進(jìn)行纏繞，而纖維布貼片僅對待增強(qiáng)修復(fù)的區(qū)域進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，纖維布貼片使用的復(fù)合材料較少且施工簡便，但增強(qiáng)和修復(fù)效果往往比周向纏繞低；纖維纏繞是直接將涂刷樹脂的纖維絲通過纖維纏繞機(jī)纏在管道上，所用的纖維纏繞機(jī)有臥式螺旋纏繞機(jī)、立式平面纏繞機(jī)和球形容器纏繞機(jī)等，如表1中的5軸臥式纏繞機(jī)，由于纖維纏繞只能機(jī)械纏繞，纖維纏繞的緊密度好、黏結(jié)牢靠，但機(jī)械纏繞需要大型設(shè)備，無法進(jìn)行現(xiàn)場施工。

1.2 增強(qiáng)機(jī)理

復(fù)合材料的增強(qiáng)效果一方面取決于載荷由管道向復(fù)合材料層傳遞的有效性，另一方面也取決于復(fù)合材料的承載能力。

在復(fù)合材料增強(qiáng)或修復(fù)的管道中，復(fù)合材料和管道是靠粘接劑連接在一起，在復(fù)合材料層與粘接劑、以及粘接劑與管道外壁的接觸區(qū)域，還會(huì)形成界面層，如圖1所示，由于兩種材料間的物理和化學(xué)作用，使得界面層成為不同于相接觸材料的第三相。載荷沿著管道?界面層?粘接層?界面層?復(fù)合材料層的路徑傳遞，載荷傳遞的有效性與各層的強(qiáng)度和剛度密切相關(guān)。界面層因兩接觸表面間的粗糙不平發(fā)生機(jī)械自鎖［圖2（a）］、帶有異種電荷發(fā)生靜電作用［圖2（b）］、產(chǎn)生化學(xué)作用形成的化學(xué)鍵［圖2（c）］以及反應(yīng)結(jié)合和擴(kuò)散結(jié)合［圖2（d）］形成界面結(jié)合力來傳遞載荷。

圖1 載荷傳遞示意圖Fig.1 Load transfer diagram

圖2 界面結(jié)合力Fig.2 Interfacial bonding strength

目前針對管道和復(fù)合材料層之間傳力性能的研究較少，通常不考慮粘接劑，將管道與復(fù)合材料層之間簡化為理想結(jié)合，或以粘接劑的性能近似表達(dá)粘接層與界面層的共同作用。管道和復(fù)合材料層之間的宏觀粘接性能可以通過剝離實(shí)驗(yàn)［40］、雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)［41］、單搭接實(shí)驗(yàn)［42?43］、雙搭接實(shí)驗(yàn)［44?45］等獲得載荷與變形位移之間的關(guān)系。剝離實(shí)驗(yàn)［圖3（a）］和雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)［圖3（b）］用來評價(jià)剝離強(qiáng)度，單搭接實(shí)驗(yàn)［圖3（c）］和雙搭接實(shí)驗(yàn)［圖3（d）］可以評價(jià)剪切強(qiáng)度。目前尚缺乏關(guān)于界面層的形成機(jī)理及其微觀性能方面的研究。

圖3 實(shí)驗(yàn)示意圖（綠色表示復(fù)合材料層，白色表示金屬）Fig.3 Experimental sketch map（Green indicates composite layers，white indicates metals）

復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維具有高強(qiáng)度和高彈性模量，起著分擔(dān)管道載荷的作用；基體與增強(qiáng)纖維之間具有良好的相容性，起著向纖維傳遞載荷的作用。纖維強(qiáng)度和纖維/基體間傳遞載荷的能力決定了復(fù)合材料的承載能力。纖維強(qiáng)度與纖維的材質(zhì)和工藝路線有關(guān)；在載荷傳遞方面，纖維和基體之間也會(huì)形成界面產(chǎn)生界面結(jié)合力，界面結(jié)合力越強(qiáng)，載荷傳遞越有效，復(fù)合材料越難發(fā)生脫黏、纖維拔出和纖維應(yīng)力松弛等現(xiàn)象，但界面結(jié)合過強(qiáng)又會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料過脆，降低整體性能。

隨著多條在役管道的老齡化，管道修復(fù)和增強(qiáng)的需求量越來越高，根據(jù)施工要求選擇正確的施工方法和復(fù)合材料至關(guān)重要，下面將對復(fù)合材料增強(qiáng)和修復(fù)后的管道進(jìn)行定性和定量的綜述。

2 預(yù)增強(qiáng)未受損管道

使用復(fù)合材料對未受損管道進(jìn)行預(yù)增強(qiáng)，可以有效提高管道抵抗內(nèi)壓、剪切、屈曲和彎曲的能力。對于穿越易發(fā)生滑坡和塌陷等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域以及易發(fā)生腐蝕、損傷和應(yīng)力集中的管段，需要提前預(yù)估管道在異常載荷條件下的受損概率和壽命［48］，并在管道破壞前進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，以預(yù)防管道失效引發(fā)事故。

內(nèi)壓是油氣管道的主要工作載荷，內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)是測試管道承載能力最直接和最常用的實(shí)驗(yàn)方式。孫傳青［28］通過內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)定量評價(jià)了纏繞GFRP對于提高L245鋼管承載能力的作用。實(shí)驗(yàn)用的鋼管長度為1 m、管徑為219 mm、壁厚為6 mm，在管道軸向選取3處不同的位置沿環(huán)向粘貼應(yīng)變片，其中增強(qiáng)1處的修復(fù)層厚度由ASME PCC?2確定，增強(qiáng)2處的修復(fù)層厚度為增強(qiáng)1處的1/2，第3處為未增強(qiáng)對照組。結(jié)果表明，內(nèi)壓從0增加到24 MPa過程中，這3處的環(huán)向應(yīng)變均呈線性同步增加，內(nèi)壓進(jìn)一步增大后，3處的應(yīng)變值有了明顯區(qū)分。當(dāng)內(nèi)壓增至27 MPa時(shí)，增強(qiáng)2處和增強(qiáng)1處的環(huán)向應(yīng)變分別是第3處的57.93%和23.35%，說明運(yùn)用復(fù)合材料增強(qiáng)后，管道破壞呈現(xiàn)兩個(gè)階段：第一階段主要是管道受力；當(dāng)內(nèi)壓超過24 MPa后進(jìn)入第二階段，此時(shí)復(fù)合材料和管道共同承擔(dān)壓力，達(dá)到增強(qiáng)的效果。賈彬等［29?31］通過靜水壓實(shí)驗(yàn)研究 了 CFRP 對Q235B鋼管承載能力的影響，鋼管的長度、直徑和壁厚分別為1 500、273、1.92 mm，復(fù)合材料選用東麗UT70?20型碳纖維布，極限強(qiáng)度和彈性模量分別為3 430 MPa和210 GPa，測得修復(fù)層厚度分別為0、0.168、0.336 mm時(shí)管壁達(dá)到屈服的極限內(nèi)壓分別為3.4、3.7、4.0 MPa，定量說明了CFRP能有效提高鋼管承受內(nèi)壓的能力，且隨著修復(fù)層厚度增加，承載能力也相應(yīng)提高。

Mazurkiewicz等［22］通過內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)測試了20#碳鋼管道增強(qiáng)前后的爆破壓力。管道的直徑和壁厚分別219 mm和6 mm；復(fù)合材料為環(huán)氧樹脂/玻璃纖維，厚度為6.2 mm。測得管道在經(jīng)復(fù)合材料增強(qiáng)后爆破壓力從27.6 MPa提高到了39.7 MPa，爆破后的未增強(qiáng)管道和復(fù)合材料增強(qiáng)管道分別如圖4（a）和（b）所示，可以看出增強(qiáng)管道的破壞部分纖維發(fā)生明顯破斷，基體和纖維相脫離，表明內(nèi)壓由管道傳遞至復(fù)合材料、并由管道和復(fù)合材料增強(qiáng)層共同承擔(dān)。

圖4 管道爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖［22］Fig.4 Diagram of pipeline blasting test results［22］

在利用復(fù)合材料提高管道承受其他載荷的能力方面，Draidi等［47］對增強(qiáng)和未增強(qiáng)的金屬圓柱殼進(jìn)行了軸向壓縮測試，發(fā)現(xiàn)徑厚比為17的金屬圓柱殼纏繞1.29 mm厚的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料后，抵抗壓縮載荷的能力可以提高40%，說明復(fù)合材料可以增強(qiáng)管道抵抗軸壓屈曲的能力。Mokhtari等［31］運(yùn)用ABAQUS研究了環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料對X65埋地管道的增強(qiáng)效果，評價(jià)了復(fù)合材料提高埋地管道抵抗地層載荷的能力。管道外徑為914.4 mm，將管道發(fā)生破壞時(shí)對應(yīng)的斷層位移定義為臨界斷層位移。研究發(fā)現(xiàn)，徑厚比為57.6的無內(nèi)壓管道上包覆9 mm厚的復(fù)合材料層，可使臨界斷層位移增加560%；對于相同徑厚比的管道，臨界斷層位移隨修復(fù)層厚度增加而增大，在徑厚比為144的管道上，分別包覆2 mm和13 mm厚的增強(qiáng)層，臨界斷層位移分別增加了185%和2 423%，有效提高了管道抵抗地層運(yùn)動(dòng)的能力。在復(fù)合材料增強(qiáng)管道抵抗爆炸載荷的能力方面，Mokhtari等［32］利用上述復(fù)合材料和管道模型進(jìn)行了研究，管道的徑厚比分別為144、96、72和57.6，增強(qiáng)層厚度為0～10 mm，在距管道1.5 m的10 kg炸藥爆炸下，管道變形量隨增強(qiáng)層厚度的增加而減小、隨管道徑厚比的減小而減??；對于徑厚比為144的管道，即使包覆10 mm厚的增強(qiáng)層，管道變形也依舊存在；當(dāng)使用4 mm厚、不同徑厚比的增強(qiáng)層時(shí)，管道的最大等效應(yīng)力降低30%～64%，表明增強(qiáng)層能有效抵抗管道外部的爆炸載荷，并且增強(qiáng)層厚度越大、管道壁厚越大，抵抗效果越好。

除了增強(qiáng)管道的管體，復(fù)合材料還用于增強(qiáng)管道的應(yīng)力集中部位。Abtah等［39］運(yùn)用5軸纖維纏繞機(jī)以環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料對含兩條焊縫管道的焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)進(jìn)行了纏繞修復(fù)，修復(fù)層厚度為3.5 mm，由14層組成。通過3點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)對管道抗彎能力進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)后管道的最大彎曲載荷比未增強(qiáng)管道高16.74 kN。圖5（a）和（b）分別為待增強(qiáng)管道試樣和增強(qiáng)管道試樣的破壞圖，圖5（c）為試樣上部破壞處的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，顯示了復(fù)合材料發(fā)生了基體開裂、纖維和基體脫黏以及纖維斷裂，說明復(fù)合材料纏繞層有效地承擔(dān)了彎矩，提高了管道的抗彎能力。Hosseini等［48］通過ABAQUS研究了復(fù)合材料增強(qiáng)層對于降低T形管接頭應(yīng)力集中的作用。使用1 mm厚的環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料呈0/90°鋪設(shè)增強(qiáng)T形管接頭，分別施加面外彎曲載荷和面內(nèi)彎曲載荷可使接頭處的應(yīng)力集中系數(shù)下降了14.6%和11.2%，有效增強(qiáng)了管道較弱部位的承載能力。結(jié)果表明，加載方向與纖維取向平行時(shí)，纖維的承載能力最高；復(fù)合材料層的硬度和厚度越大，管接頭的承載能力就越高。

圖5 管道實(shí)驗(yàn)［39］Fig.5 Pipeline test［39］

針對鋪設(shè)于較高危險(xiǎn)等級區(qū)域的油氣管道，使用復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)增強(qiáng)能有效提高管道的承載能力，提高整體管道運(yùn)行的安全性。

3 修復(fù)受損管道

對于已經(jīng)產(chǎn)生缺陷的管道，需對缺陷定位后［49］進(jìn)行修復(fù)，使管道恢復(fù)正常承壓能力。油氣管道的缺陷類型有裂紋、焊縫、體積缺陷和變形等，對于不同的缺陷，所運(yùn)用的修復(fù)手段也不一樣［50］。目前，運(yùn)用復(fù)合材料修復(fù)裂紋缺陷和體積缺陷是研究熱點(diǎn)。

3.1 裂紋缺陷

裂紋缺陷是由于材料分離導(dǎo)致的具有較為尖銳前緣的缺陷，圖6、圖7分別為管體出現(xiàn)的軸向裂紋和管道環(huán)焊縫的裂紋。研究的重點(diǎn)在于評價(jià)修復(fù)層對裂紋擴(kuò)展的抑制作用，主要通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算進(jìn)行研究。

圖6 管體軸向裂紋Fig.6 Axial crack of pipe body

在實(shí)驗(yàn)方面，張保龍等［33］通過內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)研究了利用復(fù)合材料修復(fù)含環(huán)向裂紋的L245N管道后的承載能力。實(shí)驗(yàn)管道的長度、直徑和壁厚分別為6 000、219、6 mm，管段的外表面機(jī)加工了一條環(huán)向120°、深厚比為50%、寬度為0.2 mm的裂紋類缺陷，用玻璃纖維布浸潤環(huán)氧樹脂膠后沿0°和90°交錯(cuò)纏繞修復(fù)，復(fù)合材料的彈性模量為40.1 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 287 MPa，修復(fù)層補(bǔ)強(qiáng)段的長度為350 mm，單層厚度為0.7 mm，兩個(gè)方向各纏繞10層。在管道無缺陷管材部分取一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過對參考點(diǎn)和補(bǔ)強(qiáng)管道裂紋處的應(yīng)變檢測，發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)壓增加，參考點(diǎn)軸向應(yīng)變的上升趨勢大于補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，如圖8所示，在內(nèi)壓大于1.2 MPa后，參考點(diǎn)的軸向應(yīng)變超過補(bǔ)強(qiáng)處，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到13 MPa時(shí)，參考點(diǎn)和補(bǔ)強(qiáng)處的軸向應(yīng)變值分別為257 με和83 με，補(bǔ)強(qiáng)處軸向應(yīng)變僅為管材參考點(diǎn)的32%，表明復(fù)合材料修復(fù)層發(fā)揮了很好的補(bǔ)強(qiáng)作用。與之類似，王凱一［34］通過靜水壓實(shí)驗(yàn)研究了GFRP對于含環(huán)向表面裂紋的API X42油氣管道的修復(fù)作用，GFRP修復(fù)層可以阻止過大的軸向應(yīng)力向裂紋附近管材的傳遞，對比于未修復(fù)管道，修復(fù)層對于最大軸向應(yīng)變的抑制作用高達(dá)44.5%。

圖8 補(bǔ)強(qiáng)管道和未補(bǔ)強(qiáng)參考點(diǎn)的軸向應(yīng)變與內(nèi)壓的關(guān)系［33］Fig.8 Relationship between axial strain and internal pressure of reinforced pipes and unreinforced reference points［33］

在數(shù)值計(jì)算方面，通常采用斷裂力學(xué)的研究方法。柳軍等［35］利用耦合的有限元?無網(wǎng)格Galerkin算法，計(jì)算了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纏繞修復(fù)含裂紋壓力管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF），分析了修復(fù)層軸向長度對含橫向貫穿裂紋［如圖9（a）所示，2θ=10 °］管道和含橫向半橢圓裂紋［如圖9（b）所示，a=8 mm，b=15 mm］管道斷裂性能的影響。管道的外徑為323.9 mm，壁厚為12.7 mm，修復(fù)層厚度為7 mm，內(nèi)壓為4 MPa。在軸向長度分別為60、80、100 mm的修復(fù)層修復(fù)后，橫向貫穿裂紋前沿的SIF分別為未修復(fù)的58%、55%和50%，橫向表面裂紋前沿的SIF分別為未修復(fù)的76%、74%和71%，說明兩種裂紋管道均得到了明顯增強(qiáng)；修復(fù)層的軸向長度越大，修復(fù)效果越好；相比于橫向表面裂紋管道，修復(fù)長度對橫向貫穿裂紋管道的修復(fù)效果更好。趙寧［36］通過ANSYS計(jì)算了碳纖維復(fù)合材料修復(fù)含軸向裂紋管道的J積分和止裂系數(shù)，研究了纖維鋪設(shè)角度和修復(fù)層厚度對裂紋穩(wěn)定性的影響。管道的直徑、厚度和設(shè)計(jì)壓力分別為1 219、18.4 mm和12 MPa，裂紋長度為60 mm。修復(fù)層的厚度18.4 mm、軸向長度60 mm，分別用鋪設(shè)角度為［30 °/-30 °］、［45 °/-45 °］、［60 °/-60 °］和［90°/-90°］的修復(fù)層修復(fù)后，管道裂尖處的J積分分別 為 268.33、235.22、218.75、213.49 kN/m，表 明［90°/-90°］鋪設(shè)時(shí)裂紋最穩(wěn)定，考慮到工程上［90°/-90°］鋪設(shè)復(fù)合材料時(shí)各層間的穩(wěn)定性較差，推薦采用［60°/-60°］的鋪設(shè)方法；對于鋪設(shè)角度為［60°/-60°］、厚度為7.36～29.44 mm時(shí)，得到止裂系數(shù)為1.155～1.262，隨著修復(fù)層厚度的增加，止裂系數(shù)增長率呈先增大后減小的趨勢，說明增大修復(fù)層厚度會(huì)提高修復(fù)效果，但敏感度隨厚度增大會(huì)逐漸降低。

圖9 裂紋示意圖［35］Fig.9 Crack diagram［35］

Meriem等［37］評價(jià)了使用貼片修復(fù)含裂紋X65管線的效果，管道長度、內(nèi)徑和壁厚分別為1 000、147、17.5 mm，軸向裂紋長度為5～65 mm，管道內(nèi)壓為70 MPa，貼片材料為環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料，單貼片的環(huán)向長度和厚度分別為300 mm和12 mm，管道和貼片間的粘接層厚度為3 mm；雙貼片中每個(gè)貼片厚度為6 mm，管道與貼片之間和貼片與貼片之間的粘接層厚度均為1.5 mm。通過ABAQUS計(jì)算發(fā)現(xiàn)，裂紋長度為5～10 mm時(shí)，雙貼片修復(fù)效果更好；裂紋長度為10～20 mm時(shí)，單貼片修復(fù)效果更好；對于長度大于20 mm的裂紋，單貼片和雙貼片修復(fù)效果基本一致。對比未修復(fù)的裂紋管道，使用貼片修復(fù)后裂紋處應(yīng)力強(qiáng)度因子可減少20%左右。Valadi等［52］運(yùn)用COA斷裂準(zhǔn)則評價(jià)了含軸向裂紋的X65管道的修復(fù)效果，管道長度、外徑和厚度分別為4 570、355、6.35 mm，裂紋長度為600 mm，修復(fù)層為環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料，當(dāng)修復(fù)層厚度從1 mm增加到5 mm、5 mm增加到10 mm、10 mm增加到15 mm時(shí)，裂紋前緣的COA值分別降低了70%、45%和30%，隨著修復(fù)層厚度的增加，修復(fù)效果有所下降。

Elhady等［53?54］采用擴(kuò)展有限元法模擬了環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料修復(fù)后含傾斜穿透裂紋的鋼管在內(nèi)壓作用下的裂紋擴(kuò)展過程，在0°/90°的纖維鋪設(shè)角度下裂紋擴(kuò)展路徑如圖10所示，無論裂紋傾斜角度為多少，裂紋擴(kuò)展路徑都會(huì)呈軸向開裂，但裂紋的起裂壓力與裂紋傾角和纖維鋪設(shè)角度有關(guān)。Wang等［55］運(yùn)用ANSYS分析了復(fù)合套筒對于含半橢圓表面裂紋的X100輸氣管道的修復(fù)作用，套筒為單向環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料，研究了套筒的厚度和長度、纖維鋪層角度、管道徑厚比、裂紋尺寸對止裂效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維鋪設(shè)的最佳角度與裂紋方向有關(guān)，軸向和徑向裂紋的最佳纖維鋪設(shè)角度為60°；當(dāng)增大套筒厚度和長度時(shí)，止裂效果更好，并且厚度對止裂效果影響更大，但當(dāng)厚度和長度增大到一定值時(shí)，止裂效果變化甚微；管道徑厚比越大、裂紋深度和裂紋長度越大時(shí)止裂效果越明顯，說明管道越薄、裂紋尺寸越大，應(yīng)力的傳遞效果就越好，套筒所承擔(dān)的應(yīng)力相應(yīng)增加。

圖10 纖維鋪設(shè)角度為0°/90°時(shí)不同傾斜角裂紋的擴(kuò)展路徑［54］Fig.10 Propagation paths of cracks with different inclination angles when the fiber laying angle is 0 °/90 °［54］

無論是內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值計(jì)算，都說明了復(fù)合材料對于含裂紋缺陷的管道有較好的增強(qiáng)作用，修復(fù)效果受裂紋尺寸、裂紋角度、纖維鋪設(shè)角度和修復(fù)層尺寸等因素的影響，增加修復(fù)層的厚度和軸向長度可以改善管道的修復(fù)效果。

3.2 體積缺陷

體積缺陷是最常見的管道缺陷類型，如腐蝕和金屬脫落等。圖11、圖12分別為管道表面均勻腐蝕的宏觀照片和H2S腐蝕管道表面的腐蝕坑微觀照片。針對復(fù)合材料修復(fù)管道體積缺陷的研究，也主要是通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算進(jìn)行的，不同修復(fù)方法及其修復(fù)效果的研究如表2所示。

表2 復(fù)合材料修復(fù)管道體積缺陷的研究Tab.2 Study on repairing volume defect of pipeline by composite material

圖11 均勻腐蝕宏觀照片［56］Fig.11 Macro picture of uniform corrosion［56］

圖12 腐蝕坑微觀照片［57］Fig.12 Microscopic diagram of corrosion pit［57］

在實(shí)驗(yàn)研究復(fù)合材料修復(fù)層提高管道承受內(nèi)壓的能力方面，劉培啟等［59］針對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料纏繞修復(fù)含環(huán)狀缺陷儲(chǔ)氣井套管，系統(tǒng)地研究了缺陷尺寸和修復(fù)層尺寸對修復(fù)效果的影響。首先利用全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元模型的正確性，然后數(shù)值計(jì)算了在25 MPa工作壓力下含缺陷管道在修復(fù)前和修復(fù)后的爆破壓力。套管材質(zhì)為N80Q鋼，尺寸為?177.8 mm×10.36 mm，模擬結(jié)果如圖13所示。圖13（a）給出了修復(fù)前后缺陷深度對管道爆破壓力的影響，其中修復(fù)層的厚度是根據(jù) ASME PCC?2?2011［19］由各自的缺陷深度確定。發(fā)現(xiàn)修復(fù)前的爆破壓力隨缺陷深度增加呈線性下降；修復(fù)后，缺陷深度小于5 mm管道的強(qiáng)度都能完全恢復(fù)，缺陷深度為6 mm和7 mm的管道的爆破壓力相對于完整管道下降了9.9%和20.6%；圖13（b）為缺陷深度和修復(fù)層厚度對管道爆破壓力的影響，爆破壓力?修復(fù)層厚度曲線的斜率隨缺陷深度增加而降低，說明缺陷越淺、修復(fù)效果越好，隨著修復(fù)層厚度增加，管道爆破壓力也會(huì)增大，但修復(fù)層厚度過大時(shí)，再增加修復(fù)層厚度并不能提高管道爆破壓力。與之類似，王俊強(qiáng)等［58］通過改變?nèi)毕莸妮S向長度和深度來觀測管道修復(fù)效果的變化，發(fā)現(xiàn)缺陷深度是影響修復(fù)效果的主要原因；楊寄誠等［60］和孟祥進(jìn)等［61］分別通過爆破實(shí)驗(yàn)研究了修復(fù)層厚度對失效內(nèi)壓的定量影響，結(jié)果表明修復(fù)層厚度越大，修復(fù)效果越好，但隨著修復(fù)層厚度增加，修復(fù)效果增加的幅度會(huì)降低。王言聿等［62］計(jì)算了直徑和壁厚分別為219 mm和11.8 mm的L245N管材，運(yùn)用4 mm厚的環(huán)氧樹脂/玻璃纖維修復(fù)長、寬、深分別為91、4、8.5 mm的缺陷，失效壓力為43.5 MPa，高出完整管道設(shè)計(jì)壓力84%，修復(fù)效果顯著。

圖13 爆破壓力的影響因素分析［59］Fig.13 Analysis of influencing factors of blasting pressure［59］

為了評價(jià)復(fù)合材料修復(fù)對管道抗拉能力的影響，Zhang等［63］對環(huán)氧樹脂/碳纖維復(fù)合材料修復(fù)后的X60管道實(shí)施了拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖14（a）所示，管道缺陷的長寬深分別為152.4、152.4、3.56 mm，初始載荷為10 kN，遞增量為10 kN，直至管道斷裂。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到屈服極限60 kN前，管道中的最大應(yīng)力增長速度大于復(fù)合材料層；載荷由60 kN增至80 kN過程中，復(fù)合材料層中的最大應(yīng)力迅速增加，管道中最大應(yīng)力增長速度變低；當(dāng)載荷達(dá)到80 kN時(shí)，管道與復(fù)合材料修復(fù)層之間發(fā)生脫膠；繼續(xù)加載，管道最大應(yīng)力增長速度迅速增大并超過屈服前的增長速度，復(fù)合材料層中的最大應(yīng)力增長緩慢；當(dāng)載荷達(dá)到90 kN時(shí)，管道被拉斷成兩段。結(jié)合圖14（b）所示脫落后的修復(fù)層，可以看出，纖維層未完全破壞，表明復(fù)合材料因?yàn)槊撜澄催_(dá)到理想的修復(fù)效果，復(fù)合材料修復(fù)對于管道抵抗拉伸載荷的增強(qiáng)效果一般。

圖14 實(shí)驗(yàn)圖［63］Fig.14 Test figure［63］

在數(shù)值研究修復(fù)后管道承載能力方面，帥健等［64］數(shù)值計(jì)算了修復(fù)層軸向長度對含球面缺陷的X60管道修復(fù)效果的影響，缺陷的深度和直徑分別為3.55 mm和20 mm。當(dāng)修復(fù)層厚度為3 mm時(shí)，修復(fù)層軸向長度為110 mm的修復(fù)效果最好，其失效內(nèi)壓達(dá)到11.75 MPa；增加或減小軸向長度都會(huì)使失效壓力減??；當(dāng)修復(fù)層厚度為5 mm時(shí)，修復(fù)層軸向長度大于50 mm的失效壓力均可達(dá)到12 MPa，且穩(wěn)定不變。上述失效區(qū)域均發(fā)生在修復(fù)層內(nèi)層，說明當(dāng)修復(fù)層厚度未滿足要求時(shí)，增大修復(fù)長度不能完全恢復(fù)管道的失效壓力；而修復(fù)長度達(dá)到要求時(shí)，再增加修復(fù)長度并不能提高失效壓力。陳如木等［67］模擬了內(nèi)壓狀態(tài)下缺陷尺寸和修復(fù)層厚度對修復(fù)效果的影響，發(fā)現(xiàn)缺陷長度對修復(fù)效果影響極小，缺陷深度和修復(fù)層厚度的影響較大。

Chen等［31］計(jì)算了含缺陷管道分別進(jìn)行纖維布整周纏繞和局部貼片修復(fù)后的應(yīng)力分布，管道外徑和壁厚分別為168.3 mm和7.11 mm，內(nèi)壓為18.25 MPa，缺陷長寬深分別為152.4、152.4、3.56 mm。當(dāng)整周纏繞修復(fù)層厚度分別為0、3.1、6.2 mm時(shí)，管道的最大應(yīng)力分別為370.8、302.5、278 MPa，修復(fù)層的最大應(yīng)力分別為0、73、58.5 MPa，說明內(nèi)壓可以通過粘接層傳遞到復(fù)合材料；計(jì)算了經(jīng)厚度為6.2 mm、不同環(huán)向長度貼片修復(fù)后的應(yīng)力分布，修復(fù)后管道的最大應(yīng)力隨纖維貼片環(huán)向長度的增大而減小，當(dāng)纖維貼片環(huán)向長度為161 mm時(shí)，管道最大應(yīng)力為295 MPa，當(dāng)環(huán)向長度增加到220 mm時(shí)，管道最大應(yīng)力減小到280 MPa，達(dá)到了整周纏繞修復(fù)后管道的狀態(tài)，說明貼片法在一定情況下可以代替整周纏繞。

Mazurkiewicz等［23?24］對比研究了無缺陷管道、有缺陷無修復(fù)管道和套筒修復(fù)后有缺陷管道抵抗挖掘機(jī)斗齒侵入的能力，管道直徑和壁厚為219 mm和6 mm，缺陷的長寬深分別為133、102、3.6 mm。通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，有缺陷無修復(fù)管道對斗齒侵入的抵抗能力比無缺陷管道低約62%；使用9 mm厚的修復(fù)套筒修復(fù)后，管道抵抗斗齒侵入的能力可恢復(fù)到無缺陷時(shí)管道的抵抗能力，并且抵抗能力會(huì)隨套筒厚度的增加而提高。套筒厚度為18 mm時(shí)含缺陷管道被斗齒侵入過程的計(jì)算結(jié)果如圖15所示，可以看出，管道變形開始于纖維層部分破壞之后，直到纖維層完全被破壞，管道變形量才急劇增加，說明復(fù)合材料套筒在抵抗外物侵入方面起到了積極的防護(hù)作用。施奇林等［65?66］通過 ABAQUS研究了環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料纏繞修復(fù)腐蝕管道的失效歷程，管道與復(fù)合材料層之間的粘接層用內(nèi)聚單元模擬。內(nèi)壓作用下，復(fù)合材料最內(nèi)層的基體首先開裂，然后向外部擴(kuò)展，直到管道發(fā)生爆破，爆破時(shí)復(fù)合材料層仍未完全失效；拉伸載荷作用下，復(fù)合材料和管道的粘接層會(huì)首先脫黏，說明修復(fù)后的管道承受拉伸載荷的能力并不能得到有效提高。

圖15 挖掘機(jī)斗齒貫入18 mm復(fù)合材料修復(fù)管道的過程［24］Fig.15 Process of the excavator bucket teeth penetrating into the 18 mm composite material to repair the pipeline［24］

除了缺陷和修復(fù)層會(huì)影響管道的修復(fù)效果，填充膩?zhàn)拥倪x擇也對修復(fù)效果有影響。Sing等［27］研究了不同配方的膩?zhàn)犹畛湮飳π迯?fù)后管道爆破壓力的影響，其中漿液A是硅填料增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、漿液B為硅鐵填充環(huán)氧樹脂，漿液A的抗壓強(qiáng)度更高、剛度更大。用漿液A修復(fù)后管道的爆破壓力比用漿液B修復(fù)可提高約48%；Shamsuddoha等［28］數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)灌漿膩?zhàn)拥睦扉_裂是影響修復(fù)效果的重要因素，高模數(shù)灌漿膩?zhàn)幽苁馆d荷更有效地傳遞到復(fù)合套筒上，采用更高抗拉強(qiáng)度的灌漿膩?zhàn)舆M(jìn)行復(fù)合材料修復(fù)可使金屬損失更大的缺陷鋼管恢復(fù)承載能力。

采用復(fù)合材料修復(fù)受損管道后，管道承受內(nèi)壓、拉伸和外物侵入等載荷的能力都有所提高，其中抵抗內(nèi)壓和外物侵入的修復(fù)效果較好，而對承受拉伸載荷的增長幅度較小。影響修復(fù)效果的因素主要有缺陷、修復(fù)層和填充膩?zhàn)拥?，其中缺陷長度和修復(fù)層長度對修復(fù)效果影響較小，缺陷深度、修復(fù)層厚度和填充膩?zhàn)訉π迯?fù)效果影響較大，且修復(fù)層厚度越大，影響修復(fù)效果的敏感性越差?？紤]到修復(fù)的有效性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)選擇合適的修復(fù)層厚度、并盡量使用高強(qiáng)度的填充膩?zhàn)印?/p>

4 結(jié)語

預(yù)增強(qiáng)未受損管道和修復(fù)缺陷管道都是利用復(fù)合材料共同承擔(dān)管道載荷從而提高和恢復(fù)管道的承載能力，相關(guān)研究主要通過兩個(gè)方面進(jìn)行，一是實(shí)驗(yàn)測量管道的破壞載荷，二是對管道進(jìn)行彈塑性計(jì)算或斷裂性能計(jì)算。本文回顧了近10年來利用復(fù)合材料增強(qiáng)和修復(fù)油氣管道的最新研究進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）復(fù)合材料預(yù)增強(qiáng)未受損管道或修復(fù)缺陷管道，能有效地提高管道抵抗內(nèi)壓、地層運(yùn)動(dòng)或爆炸產(chǎn)生的外壓、軸壓以及彎曲等載荷，復(fù)合材料層的厚度是影響增強(qiáng)或修復(fù)效果的主要因素，厚度越大，增強(qiáng)效果越好。（2）對于含缺陷管道，缺陷深度和填充膩?zhàn)訉π迯?fù)效果有較大的影響。缺陷越深，需要的修復(fù)層越厚；隨著缺陷深度增加，所需修復(fù)層厚度的增長率增大；填充膩?zhàn)拥膹?qiáng)度越大，傳遞載荷的能力就越強(qiáng)，修復(fù)效果也越好。（3）當(dāng)管道承受拉伸載荷時(shí)，修復(fù)層和管道間的粘接層會(huì)首先脫落，導(dǎo)致復(fù)合材料的增強(qiáng)或修復(fù)的效果較差。

隨著油氣管道的老齡化，管道出現(xiàn)缺陷的概率越來越大，對于修復(fù)的需求也越來越多。作為一種施工快捷、操作方便、適應(yīng)范圍廣、效果顯著的增強(qiáng)和修復(fù)方式，包覆復(fù)合材料層越來越多地成為首選方案。在復(fù)合材料增強(qiáng)和修復(fù)油氣管道的技術(shù)方面，還需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究：（1）管道與復(fù)合材料修復(fù)層之間載荷傳遞的有效性是影響修復(fù)效果的重要因素，其中管道、膩?zhàn)?、粘接層和?fù)合材料等不同材料之間的接觸界面層性能直接影響載荷傳遞效果，由于相接觸的兩種材料之間的物理和化學(xué)作用，使得界面層成為不同于相接觸材料的第三相。目前針對界面層的研究很少。兩種材料之間的宏觀粘接性能可以通過剝離實(shí)驗(yàn)、單搭接實(shí)驗(yàn)等測量脫粘載荷變化歷程得到，但缺乏從細(xì)微觀角度對界面層性能的深入研究。（2）目前均以具有規(guī)則形狀缺陷的管道作為研究對象，而實(shí)際缺陷的邊緣往往是不規(guī)則曲線。應(yīng)力集中除了與缺陷的大小相關(guān)外，與缺陷局部形狀變化的劇烈程度也相關(guān)，目前尚缺乏關(guān)于缺陷形狀，比如缺陷邊緣曲率等因素對管道修復(fù)效果影響的研究。（3）現(xiàn)有的研究多是針對修復(fù)單一缺陷管道的效果評價(jià)，而腐蝕管道的局部范圍內(nèi)往往存在多個(gè)腐蝕坑，目前尚缺乏針對具有多個(gè)距離相近缺陷之間的相互作用機(jī)理、及其管道修復(fù)設(shè)計(jì)和修復(fù)效果評價(jià)方面的準(zhǔn)則。（4）大多數(shù)研究都是評價(jià)修復(fù)層和缺陷對修復(fù)效果的影響，對于填充膩?zhàn)友芯枯^少。填充膩?zhàn)又苯咏佑|管道的應(yīng)力集中部位，起著將載荷由管壁傳遞至復(fù)合材料修復(fù)層的作用，填充膩?zhàn)优c管道和修復(fù)層之間的結(jié)合力以及膩?zhàn)颖旧淼膹?qiáng)度和韌性直接影響修復(fù)效果，應(yīng)加強(qiáng)針對填充膩?zhàn)拥南嚓P(guān)研究。（5）復(fù)合材料修復(fù)工作大多是手工操作，人為因素影響較大，目前國內(nèi)外的油氣管道復(fù)合材料修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)備體積較大，且價(jià)格昂貴，開發(fā)經(jīng)濟(jì)、輕便、可自動(dòng)操控的復(fù)合材料修復(fù)裝備系統(tǒng)、減小人為因素影響，是將該技術(shù)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用的重要保障。