clockspring管道補強

1、管道復合補強修復技術但無論何種材質的管道，一旦建成后，都會連續(xù)不斷地受到各種機制的侵襲和破壞。因此，對于管輸公司而言，管道大修維護一直是一項非常重要的課題。尤其是隨著管道檢測技術的發(fā)展，管道的維護管理已經逐步從事后搶險修復向事前預防修復發(fā)展。為了降低管道運行的風險，延長管道的使用壽命，管道公司必須對檢測發(fā)現(xiàn)的管道缺陷進行修復。但是，采用什么樣的修復技術方案才能夠永久性地恢復管體的強度，保證管道的安全運行，同時又對生產的影響最小，一直以來都是管輸公司所關注的焦點。1980年，美國已有了長達400000英里(643737.6km)的高壓天然氣集輸管道。為了保證如此長的天然氣管道的管體完整性，管輸公

2、司投入了大量的維修費用。為了幫助管輸公司降低管道大修成本，美國天然氣研究協(xié)會組成了一個研發(fā)團隊，成員包括美國西北大學、Battelle氣體研究所、應力工程服務公司等等多家研究機構。研發(fā)團隊經過8年的工作，開發(fā)出了一種全新的電化級單向纖維強化的塑性復合材料，這就是今天被廣泛應用的復合修復技術。在復合修復技術出現(xiàn)以前，管道公司主要采用傳統(tǒng)的更換缺陷部位管道，或者打金屬卡箍等方法來修復存在缺陷的管道。但這些方法都存在著較多不足：更換缺陷部位管道需要停產，需要動用大型設備，需要焊接作業(yè)，同時也會給管輸公司造成巨大的放空損失；因此，管道復合補強修復技術的出現(xiàn)，滿足了管輸公司的需求，使管輸公司有了一種更加

3、安全、經濟、可靠的新的選擇。一、技術原理1管道承壓分析管道的承壓能力受多種因素的影響，一般情況下，可以使用以下方程來表示管道的承壓能力：p=(2xSxt/D)xFxExT式中：p表示設計壓力；S表示鋼管的最小屈服強度；t表示管壁厚度；D表示管徑；F表示設計系數(shù)；E表示焊接系數(shù)；T表示溫度系數(shù)。管道在運營過程中，因受內壓而存在圓周應力，如果管壁表面某個部位受損或變薄，那么受損部位將會承受比正常部位更大的壓力，甚至有可能超出安全極限發(fā)生爆管事故。2復合修復技術的原理復合修復技術就是將復合修復材料纏繞在存在缺陷的管道外表面，與強力膠和填料一起構成復合修復層。修復完成后，缺陷部位管道承擔的部分應力就會

4、傳遞到復合修復層，從而使缺陷部位管道承擔的應力始終處于安全極限之下，保證管道的安全運行(見彩色圖版x)。那么復合修復層承擔的應力與缺陷部位管道承擔的應力存在什么樣的關系呢？如何才能保證缺陷部位承擔的應力處于安全極限之下，對復合修復材料又有什么樣的技術要求呢？美國天然氣研究協(xié)會的研究證實：任何一種復合修復材料，能否達到修復效果，主要取決于復合材料的抗拉伸強度和彈性模量。一旦抗拉伸強度和彈性模量確定，就可以精確預測復合材料的修復效果。（1）拉伸強度對于中高壓管道，要想保證管道修復層在惡劣的環(huán)境下安全運行50年以上，復合修復層的拉伸強度是一個非常關鍵的因素。在土壤環(huán)境中，復合修復材料的抗拉伸強度會隨

5、著時間而逐步下降，所以就要求復合修復材料在設計上必須確保有足夠的機械強度，從而使其在使用50年后依然能夠保持修復效果。復合修復材料抗拉伸強度下降的速率與所處的環(huán)境如潮濕度、溫度、土壤特性等有關。ClockSpring產品的抗拉伸強度老化公式：式中：t表示時間，h。請注意，這是目前惟一進行了10年長期老化現(xiàn)場和實驗室測試的復合修復材料。美國天然氣研究協(xié)會測試證實：要想確保復合修復材料在使用50年后抗拉伸強度依然在安全值之上（138MPa），新產品的最小拉伸強度必須超過310MPa。（2）彈性模量復合修復層承擔的應力與缺陷部位管壁承擔的應力，其間存在什么樣的比值關系呢？美國天然氣研究協(xié)會的研究結果

6、證明：其比值等于兩種材質彈性模量的復數(shù)之比。通常鋼材的彈性模量近似為207x103MPa,如果復合修復層的彈性模量為34x103MPa,則缺陷部位管壁承壓發(fā)生形變達到1%時，圓周應力將會完全傳遞到復合修復層，從而將缺陷部位管壁的形變控制在了安全形變范圍內，保證了管道的安全運行。如果復合修復層的彈性模量小于這個數(shù)值，意味著缺陷部位管壁就必須承擔更大的應力，結果將會造成缺陷部位管壁發(fā)生更大的形變，形變如果超出安全極限，將會造成安全事故。即使在安全極限之內，也必將影響管道的完整性，從而無法真正達到永久修復的要求。二、技術路線選擇復合修復技術在發(fā)展過程中主要形成了兩大系列：濕纏繞法復合修復技術和預成型

7、法復合修復技術，這兩種復合技術在復合材料和安裝工藝上的區(qū)別如下。復合材料濕纏繞法復合修復技術采用高密度玻纖布作為補強材料，在施工現(xiàn)場與環(huán)氧樹脂復合，構成復合修復層。而預成型法復合修復技術所使用的復合材料是電化級纖維強化的塑性復合材料（FRP），兩種材料有著本質的區(qū)別：濕纏繞復合修復技術所使用的玻纖布,使用玻璃纖維絲編織而成，價格便宜，只有50%的纖維在管道圓周應力方向上，隨著使用時間的增長，管道壓力波動將會使經向玻璃纖維絲和緯向玻璃纖維絲互相影響，從而使復合修復層的強度迅速下降；預成型法復合材料采用電化級單向玻璃纖維絲在工廠嚴格按照比例與間苯二甲酸聚脂樹脂等多種樹脂成分復合而成，是一種全新的纖

8、維強化復合材料，其所使用的電化級單向玻璃纖維絲，在1200C高溫下拉制而成，每支纖維的直徑為1025拉伸強度高達3400MPa,每4000支纖維絲構成1個纖維束，每個復合套筒包含150束纖維，經過加工成型后已經形成了一種新的復合材料。1.安裝工藝濕纏繞法復合修復技術由操作工人把玻璃纖維布裁剪后現(xiàn)場與環(huán)氧樹脂復合。復合過程受到作業(yè)環(huán)境、工人的技術熟練程度、工人的責任心等多種因素的影響。事實上，即使是同一個優(yōu)秀的操作工人，第一次安裝和第二次安裝也不會完全相同。因為涉及的變量包括：玻纖與樹脂的比例、樹脂的飽和度、玻纖受力方向的調整、修復層的強度一致性、施工環(huán)境的差異等等。這些變量的不穩(wěn)定性直接影響修

9、復效果表現(xiàn)為：抗拉伸強度和彈性模量不穩(wěn)定；安裝過程中，因潮氣侵襲影響的修復層使用壽命；安裝過程中，玻纖與樹脂比例變化影響的復合修復層機械屬性；無記憶效應；用戶現(xiàn)場加工復合，修復過程受到現(xiàn)場很多因素的影響。而預成型法復合修復技術由生產企業(yè)在工廠使用電化級單向玻璃纖維絲和乙烯基樹脂等多種成分復合而成，所有的一切變量都在生產工廠得到了嚴格控制?，F(xiàn)場安裝非常簡單，任何一個用戶，經過簡單培訓，都能完成現(xiàn)場安裝?？估鞆姸群蛷椥阅Ａ糠€(wěn)定，安裝過程也不受環(huán)境影響。2.吸水性吸水性也是一個非常關鍵的指標，它決定了復合材料抗拉伸強度下降的速度。美國天然氣研究協(xié)會對復合修復材料所做的持久性測試考慮了最為惡劣的環(huán)境

10、：溫度60C、pH值49、充分濕潤的土壤環(huán)境。玻纖布制成的復合材料，經緯向編織結構將有利于水分的吸收，從而對材料的持久性帶來負面影響。復合結構不能存在任何雜質，否則也會有利于水分的吸收，對持久性會產生負面危害。在第一次測試中，樣本置于室溫23C條件下40h,測試的結果為：預成型法復合修復材料層與層之間的抗剪切強度為69MPa,濕纏繞法復合修復材料層與層之間的抗剪切強度為47MPa（表1）。在第二次測試中，將樣本放置于沸騰的蒸餾水中2h，再次測試，結果預成型法復合材料層與層之間的抗剪切強度降到63MPa，變化很小。而玻纖布復合材料層與層之間的抗剪切強度下降了50%還多，降到了21MPa。這個結果

11、證明：玻纖布復合材料的持久性是值得懷疑的，很顯然，它不是一種永久性的修復技術（表2）。表1正常情況下套筒層與層之間抗剪切強度MPa樣本編號ClockSpring玻纖布復合修復技術68.242.369.649.867.847.770.349.569.646.5平均值6947.2誤差1.083.04表2沸騰水中浸泡2h后套筒層與層之間抗剪切強度MPa樣本編號ClockSpring玻纖布復合修復技術63.919.264226520.964.721.462.323.5平均值6321.4誤差2.81.6事實上，在實際應用中，管道的周期性應力變化也會使玻璃纖維布的強度下降，影響到復合材料的持久性。因此，玻

12、纖布復合修復材料不能用于高壓管道的永久性修復，一般用于壓力低于3.4MPa的管道修復。三、技術要求（1）復合材料全新狀態(tài)下的抗拉伸強度必須大于310MPa。（2）復合材料楊氏彈性模量不得小于3.4104MPa。（3）復合材料必須經過權威部門長期可靠的工程測試和分析（實驗室測試和現(xiàn)場測試）證明復合補強材料能夠永久（使用壽命超過50年）恢復缺陷部位管道的強度。（4）復合材料安裝過程無可變因素，安裝質量一致性好。（5）對陰極保護系統(tǒng)無影響。（6）材料固化時間：小于等于3h（常溫下）。（7）生產企業(yè)必須嚴格按照培訓程序對安裝人員和培訓人員進行培訓，并每年對安裝人員和培訓人員進行資格年審。四、實際應用C

13、lockSpring中高壓管道復合修復技術自商業(yè)化以來，在世界上65個國家和地區(qū)已經成功地安裝了10萬套以上的產品。用戶包括殼牌、?？松⒂烊粴夤?、TRANSCANADA、TRANSMOUNTAIN、法國天然氣公司等許多世界知名的管道公司。應用范圍包括：腐蝕或損傷程度小于等于80%的管道補強；（可用于運行壓力高達25MPa的管道）堵漏（管道壓力最高可達7MPa,泄漏孔直徑最大可達25mm）；環(huán)逢焊接部位加固；抑制正在孕育的管道裂紋；淺?；蚝Ｑ笃脚_管道修復（可用于垂直樹立的管道修復）；管道支撐或懸掛部位加固；彎曲部位的損傷或腐蝕修復。在此簡要介紹ClockSpring在法國天然氣公司的應用

14、。1.基本情況法國天然氣公司成立于1946年，其管理的高壓天然氣管網長度約30000km管徑從80mm到1100mm。其中最早的管道建設于二戰(zhàn)以后，管道埋深約1m?？蛇x擇的大修方案在發(fā)現(xiàn)管道缺陷后，法國天然氣公司決定：對存在缺陷的管道進行大修?？晒┻x擇的大修方案主要有：不停產帶壓修復；堆焊/補焊；復合補強修復技術。法國天然氣公司認為，第一種和第二種方法在現(xiàn)場實施技術難度很大，經過技術比較，法國天然氣公司認為ClockSpring復合修復技術是一種非常理想的修復方案。技術分析為了保證修復方案100%的安全可靠，法國天然氣公司的技術研究部門對ClockSpring的技術方案進行了全面的技術分析和研

15、究。技術研究部門開發(fā)了全面的實驗室和理論模擬程序，以達到以下目的：通過系統(tǒng)全面的有效性檢測，確定ClockSpring復合修復技術的應用范圍；評估ClockSpring修復技術是否能用于管道表面凹陷或表面損傷的修復；評估ClockSpring修復技術能否用于螺旋焊縫缺陷、內部腐蝕缺陷、環(huán)焊縫缺陷的修復。技術測試測試工作分以下9部分：研究測試范圍確定；全方位的測試；測試條件下的數(shù)學模型設計；數(shù)學模型的有效性；在實際條件下的數(shù)學模型；實驗方案設計；數(shù)學模擬；結果的解釋；評估軟件應用。測試結果在對數(shù)學模擬的結果解釋的基礎上，技術研究部門開發(fā)了一個評估軟件，根據(jù)所有的相關參數(shù)計算疲勞強度和爆破壓力。使用這個軟件，法國天然氣公司對每一個缺陷進行了技術評估，確定是否能夠使用ClockSpring復合補強修復技術對管體進行補強修復。ClokSpring應用最后，法國天然氣公司選擇使用了ClockSpring復合修復技術對存在的管道缺陷進行了修復。其中包括外腐蝕缺陷、表面機械