玻璃纖維復(fù)合材料補強修復(fù)技術(shù)研究評價

孫芳萍 黃 志 孫銀娟 高 耘

（長慶工程設(shè)計有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

復(fù)合材料管體缺陷補強修復(fù)技術(shù)，是上個世紀(jì)九十年代開始，在北美應(yīng)用的一種管體缺陷免焊接補強維修技術(shù)，主要用于深度≤80%管道體積型缺陷補強修復(fù)[1]。由于其具有比強度、比模量高，可不停輸、避免焊接不動火施工，既可適用于各種管徑的直管段，也可用于彎頭、三通等異型件缺陷的修復(fù)等優(yōu)點，在油氣田管道修復(fù)中得到應(yīng)用[2,3]。其根據(jù)使用的纖維材料和工藝方法不同，主要分為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維三大類。但無論是哪一種復(fù)合材料補強修復(fù)技術(shù)，其基本修復(fù)結(jié)構(gòu)通常由纖維布+補強粘膠+高強填料三層結(jié)構(gòu)組成。在施工現(xiàn)場，使用粘膠充分浸潤補強纖維布，然后將浸潤了粘膠的纖維布，纏繞在管道修復(fù)部位，在一定溫度和時間下，粘膠固化后即形成補強復(fù)合材料[4,5]。

目前市場上可用于管道修復(fù)的纖維復(fù)合材料繁多，性能也多有差別，但國內(nèi)尚沒有一個修復(fù)工藝的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和參照。各家修復(fù)公司針對自己的產(chǎn)品特點，采用各自的修復(fù)手冊進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)施工。導(dǎo)致復(fù)合材料的修復(fù)效果也層次不齊。國內(nèi)目前尚無統(tǒng)一的復(fù)合材料修復(fù)效果評價標(biāo)準(zhǔn)體系。因此本文通過靜水壓測試試驗，對玻璃纖維修復(fù)后的承壓能力進(jìn)行了評價。

1 靜水壓測試有效性驗證[6-10]

1.1 測試方案

選取一根X60鋼管件，長度3.5m，管徑為φ508，壁厚9mm，在管件上制造缺陷，缺陷深度為70%壁厚，缺陷尺寸為110×70mm。先在缺陷處布置應(yīng)力測試片，并初步升壓至1.5MPa，獲取缺陷原始數(shù)據(jù)。在缺陷處安裝高強玻璃纖維復(fù)合材料（8層），然后在復(fù)合材料表面布置應(yīng)力測試片，升壓至1.5MPa，穩(wěn)壓10min，然后升壓3MPa，穩(wěn)壓10min，然后每次升壓2MPa，穩(wěn)壓10min，直至升至20MPa，穩(wěn)壓1h。

1.2 測點通道布置

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，在復(fù)材補強管體上布置相應(yīng)測點，測點位置如圖1所示。測點1（通道1、2、3）為花片，位于玻纖補強區(qū)域壁厚減薄70%缺陷內(nèi)中部，測點2（通道4、5、6）為花片，位于玻纖補強區(qū)域缺陷外部棱角位置，測點3（通道7、8）為“L”形片，位于玻纖纏繞層邊緣，被覆蓋在纏繞層內(nèi)，貼在管件上，測點4（通道9、10）為“L”形片，位于遠(yuǎn)離補強區(qū)域，為參考點，測點5（通道11、12）為“L”形片，位于玻璃纖維補強層上，測試在打壓過程中玻璃纖維補強層的應(yīng)力；測點6（通道13、14、15）為花片，位于玻璃纖維補強層邊緣，在補強層外，貼在管件上，與測點3形成對比。

圖1 測點通道布置圖

1.3 補強前靜水壓測試結(jié)果分析

由補強前靜水壓力測試結(jié)果得出，在靜水壓力為1.5MPa時，各測點周向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)力。比較各測點的周向應(yīng)力和綜合應(yīng)力，位于待補缺陷內(nèi)測點1的周向應(yīng)力和綜合應(yīng)力，遠(yuǎn)大于其余測點的周向應(yīng)力和綜合應(yīng)力，說明壁厚減薄導(dǎo)致測試應(yīng)力增大，剩余強度降低。位于缺陷外部棱角位置測點2的周向應(yīng)力為42.1MPa，大于參考位置測點4的周向應(yīng)力，說明缺陷外部棱角位置在缺陷的影響范圍內(nèi)。位于補強纏繞層邊緣處的管體應(yīng)力測點3的周向應(yīng)力為37.2MPa，與遠(yuǎn)離缺陷位置的參考測點4的周向應(yīng)力35MPa基本接近，說明預(yù)補強區(qū)域范圍選擇滿足補強范圍要求。

表1 補強前靜水壓測試結(jié)果表

通過對管件補強前的靜水壓測試結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：在靜水壓力下，管件主要受周向力作用，壁厚減薄導(dǎo)致缺陷部位應(yīng)力增大，剩余強度降低。缺陷內(nèi)部測點的軸向應(yīng)力比其余測點的軸向應(yīng)力大，但仍以周向應(yīng)力為主。缺陷外部棱角部位受力受到缺陷影響，比遠(yuǎn)離缺陷位置的參考點應(yīng)力偏大。

1.4 復(fù)合材料補強后靜水壓測試結(jié)果分析

根據(jù)測試結(jié)果，本文從以下三個方面進(jìn)行玻璃纖維補強效果的分析。

（1）位于補強層邊緣，分別在補強層內(nèi)、外且貼在管件上的測點3和6

由于兩個測點很接近，如果沒有補強層的影響，這兩個測點的應(yīng)力應(yīng)該比較接近。因此，通過比較兩個測點的應(yīng)力曲線，可以有效的說明補強的效果。由這兩個測點的Von Mises應(yīng)力隨靜水壓力變化曲線（圖2）可知，位于補強層外側(cè)的測點6，其應(yīng)力大于位于補強層內(nèi)測點3的應(yīng)力，且隨著靜水壓力的增加，兩個測點的應(yīng)力差增大。當(dāng)靜水壓力為10MPa、15MPa和20MPa時，兩個測點的應(yīng)力差分別為20.7MPa、50.9MPa、256.9MPa。這是由于補強層分擔(dān)了測點3的部分載荷，起到補強效果而導(dǎo)致的。

圖2 Von Mises應(yīng)力曲線

由兩個測點應(yīng)力差隨靜水壓力變化曲線圖（圖3）可知，當(dāng)靜水壓力大于18MPa時，應(yīng)力差急劇增加。因此可知，管體整體屈服時的靜水壓力為18MPa，也說明當(dāng)補強區(qū)域發(fā)生塑性變形時，玻璃纖維補強層的補強效用會得到很大的提升；

圖3 應(yīng)力差與靜水壓力變化曲線

（2）靜水壓力為1.5MPa時，補強前后缺陷部位測點應(yīng)力變化比較

由于補強前后兩次靜水壓力加載，條件有所差異，為保證前后兩次載荷測得的數(shù)據(jù)，在同一載荷等級下比較，可通過測點4，在補強前測得的應(yīng)力與補強后測得的應(yīng)力之比，確定修正系數(shù)，進(jìn)行測試應(yīng)力修正，補強后測試應(yīng)力乘以修正系數(shù)，得到補強后的修正應(yīng)力值。

由表2可知，減薄70%缺陷內(nèi)部測點1，補強后的應(yīng)力是補強前的39%左右，頂角位置測點2，補強后的應(yīng)力是補強前的55%左右，可以得出，在1.5MPa壓力下，玻璃纖維的補強效果較好；

表2 缺陷相關(guān)測點補強前后應(yīng)力測試結(jié)果比較

（3）位于缺陷頂角位置的測點2與參考測點4的比較分析

由于測點2位于缺陷的邊緣，受缺陷的影響，在靜水壓力為1.5MPa時，其測試應(yīng)力在補強前比參考測點4的應(yīng)力大。補強后，在靜水壓力為1.5MPa時，測點2的Von Mises應(yīng)力為31MPa，小于參考測點4的應(yīng)力值33.1MPa，由此得出玻璃纖維復(fù)合材料具有較好的補強效果。為了進(jìn)一步評價玻纖復(fù)材的補強效果，進(jìn)行了壓力大于1.5MPa時，不同靜水壓力下，測點2和測點4的應(yīng)力分析比較。

由Von Mises應(yīng)力隨靜水壓力的變化曲線圖可知，當(dāng)靜水壓力小于12MPa時，測點2在補強層的作用下，其應(yīng)力曲線基本和參考測點4重合。說明當(dāng)靜水壓力小于12MPa時，在補強層的修復(fù)作用，使受缺陷影響的測點2的應(yīng)力，與缺陷未影響的測點4的應(yīng)力基本相同，可見補強效果很好。

圖4 Von Mises應(yīng)力隨靜水壓力的變化曲線

2 修復(fù)作用機理

管道在運行中就會有圓周應(yīng)力作用于管壁的各個方向，使得管壁處于膨脹狀態(tài)。如果管壁的某個部位存在缺陷，缺陷部位將承受更大的壓力，當(dāng)壓力超出安全范圍，管線就會發(fā)生泄漏。玻璃纖維復(fù)合材料修復(fù)原理是，將玻璃纖維復(fù)材纏在管道缺陷外表面，復(fù)材與強力膠和填料一起構(gòu)成復(fù)合修復(fù)層，缺陷管道修復(fù)后，缺陷部位承擔(dān)的部分應(yīng)力會傳遞到復(fù)合修復(fù)層，從而使管道缺陷部位承擔(dān)的應(yīng)力處于安全極限內(nèi)，保證管道安全運行[11]。

復(fù)材修復(fù)靜水壓測試應(yīng)變與內(nèi)壓的關(guān)系如圖5所示，其中修復(fù)層為8層玻璃纖維，缺陷深度72%壁厚，管道直徑508mm，壁厚9mm。由壓力測試表明，玻璃纖維復(fù)材修復(fù)的缺陷在內(nèi)壓6MPa時屈服，根據(jù)載荷分擔(dān)比例ECtmin/EStS[12,13]（E為彈性模量，t為材料厚度），屈服之前載荷分擔(dān)比例為，復(fù)材：缺陷管材≈1∶4.2。修復(fù)的缺陷屈服后，管件繼續(xù)升壓過程，載荷分擔(dān)比例為，復(fù)材：缺陷管材≈47∶1，復(fù)材開始起主要承載作用，此時缺陷強化后彈性模量急劇變化，復(fù)材起到足夠補強作用。繼續(xù)升壓，至18MPa時完好管體屈服，管體修復(fù)區(qū)域外發(fā)生明顯鼓脹變形。

圖5 應(yīng)變與內(nèi)壓的關(guān)系曲線

對施加彎矩數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，如圖6所示，由圖可知，復(fù)材可以延遲管件缺陷部位的屈服，并使屈服后的管壁幾乎不承彎。即復(fù)材作用依然是環(huán)向強度的分擔(dān)，抑制鼓脹，完好管壁達(dá)到屈服后方能起到足夠的分擔(dān)作用。

圖6 彎矩與內(nèi)壓關(guān)系曲線

因此，復(fù)合材料修復(fù)缺陷是依靠自身抗拉強度抑制缺陷鼓脹，控制缺陷鼓脹變形在安全范圍以內(nèi)。復(fù)合材料補強技術(shù)適合修復(fù)強度損失型缺陷，可以通過自身性能抑制缺陷發(fā)生鼓脹破壞，復(fù)合材料補強技術(shù)可以延遲缺陷屈服，并在屈服后分擔(dān)主要載荷起到補強修復(fù)作用，復(fù)合材料不適用于擴展型缺陷的修復(fù)。

3 結(jié)語

通過以上測試分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在靜水壓力下，管件主要受周向力作用，并且壁厚減薄，導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力增大，剩余強度降低；

（2）通過補強邊緣內(nèi)外測點、缺陷相關(guān)測點在補強前后測點應(yīng)力的變化、以及缺陷頂角測點與參考測點的測試應(yīng)力比較，說明玻璃纖維復(fù)材具有較好的補強效果；

（3）根據(jù)管道尺寸、壁厚、缺陷面積和缺陷深度，合理計算玻璃纖維最小厚度、補強層數(shù)和軸向修復(fù)長度是缺陷復(fù)材修復(fù)效果的關(guān)鍵控制因素；

（4）玻璃纖維復(fù)合材料修復(fù)管道時，復(fù)材和缺陷管材承擔(dān)壓力比例，和兩種材質(zhì)的彈性模量成正比，因此為達(dá)到修復(fù)效果，復(fù)材應(yīng)有足夠的機械強度；

（5）應(yīng)力應(yīng)變是鋼材力學(xué)性能的根本表現(xiàn)，在進(jìn)行缺陷補強修復(fù)時，首先應(yīng)考慮缺陷的剩余強度。

圖7 復(fù)材受力示意圖