一種碳纖布管道補(bǔ)強(qiáng)法在天然氣裝置中的應(yīng)用探討

陳代雙，蔣學(xué)奎，魏昊天，王歡，王禮梅，卿松

（重慶長發(fā)石油天然氣安裝工程有限責(zé)任公司，重慶 401220）

1 前言

由于天然氣管線內(nèi)含有硫化氫等酸性氣體的作用，管道時常會腐蝕減薄，影響天然氣凈化裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，因此天然氣管道需要補(bǔ)強(qiáng)來延長壽命。在修補(bǔ)天然氣管道時，由于傳統(tǒng)的動火焊接修復(fù)需要停產(chǎn)作業(yè)，從而產(chǎn)生巨大的修復(fù)成本。當(dāng)焊接的瞬時電流高到一定值時，管道內(nèi)焊接部位的壁厚會隨之減小，就會造成管道被焊穿的情況，最后補(bǔ)救也相當(dāng)困難，將會造成加固失效甚至影響裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，具有一定的危險。另外焊接補(bǔ)強(qiáng)的工藝要求比較嚴(yán)格，焊接部位會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，造成管道或設(shè)備的腐蝕加劇。同時管道與補(bǔ)強(qiáng)材料間的受力均勻和性能匹配等問題，易造成氫脆和冷脆的現(xiàn)象，使動火作業(yè)補(bǔ)強(qiáng)的壽命難以維持持久。所以我們急需一種適用于天然氣管道加固的方式來延長管線的壽命。通過橫向比較以及調(diào)研重慶長發(fā)石油天然氣安裝工程有限責(zé)任公司實(shí)際使用情況，發(fā)現(xiàn)采用碳纖維布管道加強(qiáng)的方法能有效加固管道。

為了有效驗(yàn)證碳纖維布的適用性，我們制作了試件來驗(yàn)證碳纖維布對鋼管的壓力的補(bǔ)強(qiáng)效果。（1）根據(jù)已腐蝕減薄、機(jī)械損傷的工藝管道情況，制作同等壁厚或缺陷試件；（2）利用碳纖維布聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)試件，通過對模擬試件進(jìn)行外送力學(xué)試驗(yàn)，得出各種材質(zhì)下補(bǔ)強(qiáng)試件與對比試件耐壓強(qiáng)度等指標(biāo)；（3）通過對減薄管道補(bǔ)強(qiáng)試件試驗(yàn)，總結(jié)出凈化裝置利用碳纖維布聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)壓力管道的最佳施工方法；（4）通過對各部分的數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)情況的對比，保證在用補(bǔ)強(qiáng)管道有效安全持續(xù)運(yùn)行至下一個檢修周期，避免裝置因非計劃性停車帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

2 水壓試驗(yàn)（表1）

表1 水壓試驗(yàn)的測試方式及結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)論

在碳纖維布的水壓試驗(yàn)過程中，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，能承受的最大壓力也在隨之增加，大致出現(xiàn)線性關(guān)系，承受的最大壓力與層數(shù)的關(guān)系見如圖1。

圖1 纏碳纖維布鋼管水壓試驗(yàn)壓力記錄

纏一層的碳纖維布的鋼管能承受7MPa 的壓力，纏二層的碳纖維布的鋼管能承受14MPa 的壓力，纏三層的碳纖維布的鋼管能承受24MPa 的壓力，纏四層的碳纖維布的鋼管能承受29MPa 的壓力。根據(jù)此實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，纏碳纖維布對鋼管承受的極限壓力有提高，如果應(yīng)用在天然氣管道上，則碳纖維布對鋼管的補(bǔ)強(qiáng)效果顯著。

在穿孔的鋼管纏繞碳纖維布的水壓試驗(yàn)中，試驗(yàn)參照GB/T 23258-2020 鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試件都采用統(tǒng)一尺寸、不同層數(shù)的碳纖維布來制作。為了模擬管道腐蝕的條件，我們參照SY/T 0611 高含硫化氫氣田集輸系統(tǒng)內(nèi)腐蝕控制規(guī)范，在高含硫化氫天然氣的管道和容器碳鋼和低碳鋼集氣管道的腐蝕余量應(yīng)為2～4mm，壓力與層數(shù)的關(guān)系曲線見如圖2。

圖2 無硫酸腐蝕與腐蝕后纏碳纖維布的鋼管水壓試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)據(jù)可知，纏三層的碳纖維布已穿孔的鋼管能承受1.2MPa 的壓力，纏五層的碳纖維布已穿孔的鋼管能承受1.6MPa 的壓力，經(jīng)過腐蝕后纏三層的碳纖維布的鋼管能承受1.0MPa 的壓力，纏五層的碳纖維布的鋼管能承受1.6MPa 的壓力。

試驗(yàn)結(jié)果證明，鋼管腐蝕對于碳纖維布的補(bǔ)強(qiáng)效果無影響，且層數(shù)越多能承受的壓力越大，但對于穿孔的管道，纏碳纖維布補(bǔ)漏的方法所能承受的壓力過小，在生產(chǎn)實(shí)際中不建議使用碳纖維對已經(jīng)穿孔的管道進(jìn)行補(bǔ)漏。

4 結(jié)語

通過以上四項(xiàng)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：（1）在碳纖維布的水壓試驗(yàn)過程中，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，能承受的最大壓力也在隨之增加，大致出現(xiàn)線性上升關(guān)系。（2）使用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)對鋼管承受的極限壓力有提高，如應(yīng)用在天然氣管道上，則碳纖維布對天然氣管道補(bǔ)強(qiáng)效果顯著。（3）在穿孔的鋼管纏繞碳纖維布的水壓試驗(yàn)中，證明隨著碳纖維布層數(shù)的增多，鋼管能承受的最大壓力也隨之增多。（4）鋼管腐蝕對于碳纖維布的補(bǔ)強(qiáng)效果無影響，且層數(shù)越多能承受的壓力越大，但對于穿孔的管道，纏碳纖維布補(bǔ)漏的方法所能承受的壓力過小，在生產(chǎn)實(shí)際中不建議使用碳纖維對已穿孔的鋼管進(jìn)行補(bǔ)漏。

綜上所述，碳纖維布確實(shí)能有效補(bǔ)強(qiáng)管道，提高管道壽命，實(shí)現(xiàn)天然氣裝置不停產(chǎn)的管道補(bǔ)強(qiáng)。