碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在石化管道修復(fù)中的應(yīng)用

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在石化管道修復(fù)中的應(yīng)用莫建偉摘要：簡述了碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的基本原理、適用范圍及其施工工藝要點(diǎn)。通過實(shí)例介紹了某石化裝置管道損傷缺陷后采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)，取得較好的修復(fù)效果。關(guān)鍵詞：石化管道；碳纖維；補(bǔ)強(qiáng)；修復(fù)石化管道承擔(dān)著石化企業(yè)生產(chǎn)裝置各類原料、產(chǎn)品和半成品的輸送，使管道保持完好，充分發(fā)揮其效能，是裝置長周期運(yùn)行的根本和基礎(chǔ)。如何應(yīng)用現(xiàn)代新技術(shù)，科學(xué)有效地延長裝置的運(yùn)行周期，是石油化工企業(yè)急需解決的問題。1管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)在役管道由于制造缺陷、機(jī)械損傷、內(nèi)外腐蝕等因素，不可避免的存在著減薄、變形、破裂、泄漏等影響安全運(yùn)行的隱患。為確保缺陷管道不發(fā)生因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致破裂泄漏，可以采用補(bǔ)強(qiáng)的方式對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，從而滿足管道安全運(yùn)行壓力，延長管道的使用壽命，有效減少非計(jì)劃停車。因此，無論從安全性還是經(jīng)濟(jì)性考慮，尋求更快捷、更適用的修復(fù)技術(shù)顯得尤為重要。目前，管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的技術(shù)很多，主要分為焊接修復(fù)、夾具補(bǔ)強(qiáng)和纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)三大類，其中纖維復(fù)合材料主要是指玻璃纖維和碳纖維。管道各種修復(fù)方法優(yōu)缺點(diǎn)比較指標(biāo)方法、、特點(diǎn)及安全性要求修復(fù)效果使用壽命施工工藝使用范圍修復(fù)費(fèi)用金屬焊接修復(fù)具有焊穿、冷脆、和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，需要降壓取決于母材與焊接材料的匹配性和施工人員技術(shù)水平取決于防腐要求需預(yù)先研究確定，焊接材料性能與工藝要求嚴(yán)格適用缺陷深度為25%壁厚以下的缺陷，不適用與裂紋缺陷。不適用于易燃易爆介質(zhì)管道。費(fèi)用較低夾具補(bǔ)強(qiáng)沒有焊穿、冷脆、和氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，無需降壓取決于管道與夾具的密封程度取決于密封膠的性能和壽命施工工藝相對(duì)較復(fù)雜應(yīng)于臨時(shí)搶修的情況，不適用裂紋和大面積腐蝕缺陷費(fèi)用較高纖維復(fù)玻璃纖維修復(fù)無需降壓，但缺點(diǎn)是高脆性，耐磨性較差彈性模量較低，機(jī)械強(qiáng)度低取決于衰減速率施工工藝比較簡單對(duì)裂紋缺陷不適用，當(dāng)焊縫余高和錯(cuò)邊大時(shí)，施工不便費(fèi)用適中合材料補(bǔ)強(qiáng)碳纖維補(bǔ)強(qiáng)無需降壓，耐腐蝕性能高，耐磨性能高彈性模量與母材基本相同，機(jī)械強(qiáng)度高，最高承壓100MPa不隨時(shí)間衰減，使用壽命50年以上施工工藝簡單各種腐蝕缺陷的補(bǔ)強(qiáng)，適用于裂紋缺陷，對(duì)錯(cuò)邊和焊縫余高要求不嚴(yán)費(fèi)用適中碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可在不卸料、不泄壓、不動(dòng)火情況下對(duì)管道實(shí)施修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，可以避免由于焊接施工所帶來焊穿、氫脆、冷脆等風(fēng)險(xiǎn)，施工成本比卡具補(bǔ)強(qiáng)低。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相比玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)可承受的壓力及機(jī)械強(qiáng)度更高，耐磨性能及耐腐蝕性能更優(yōu)越，同時(shí)也克服了玻璃纖維不適用于裂紋，管道補(bǔ)強(qiáng)及壽命隨時(shí)間衰減等問題。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)能更好的保障管道運(yùn)行的連續(xù)性，有效的消除承壓管道帶病運(yùn)行的安全隱患，同時(shí)也避免了非計(jì)劃停車修復(fù)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。該技術(shù)是20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的一種高效快捷的新型補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，因其綜合性能最優(yōu)，近年來在國內(nèi)外管道修補(bǔ)方面的應(yīng)用越來越多。2碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)2.1基本原理碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是利用碳纖維材料在纖維方向的高強(qiáng)度特性，依靠熱固性樹脂基體增強(qiáng)，采用濕鋪工藝在服役管道外包覆一個(gè)復(fù)合材料修復(fù)層，與管道形成一體，分擔(dān)管道承受的內(nèi)壓，降低含缺陷處管道的應(yīng)力水平，從而達(dá)到對(duì)管道補(bǔ)強(qiáng)的目的，以恢復(fù)管道的正常承載能力。2.2適用范圍根據(jù)ASMEPCC-2-2011規(guī)定，碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可以對(duì)如下類型的缺陷進(jìn)行修復(fù)：（1）外部腐蝕嚴(yán)重，危及到結(jié)構(gòu)的完整性。（2）外部機(jī)械損傷，如凹坑、鑿傷、支撐處的磨蝕或磨損。（3）內(nèi)腐蝕或兼有外腐蝕。（4）制造或者加工缺陷。（5）局部泄漏。2.3技術(shù)特點(diǎn)（1）可在不卸料、不泄壓、不動(dòng)火情況下實(shí)施碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，可以避免由于焊接施工所帶來各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，保障管道運(yùn)行的連續(xù)性，并有效消除承壓管道帶病運(yùn)行的安全隱患，同時(shí)也避免非計(jì)劃停車修復(fù)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。（2）碳纖維彈性模量高，與鋼的彈性模量較接近，有利于復(fù)合材料盡可能多地承載管道壓力，降低含缺陷處管道的應(yīng)力水平，補(bǔ)強(qiáng)層與管道具有非常好的變形協(xié)同性。美國天然氣研究協(xié)會(huì)（GasResearchInstitute）的研究表明，纖維復(fù)合材料對(duì)壓力管道的修復(fù)效果取決于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。碳纖維的抗拉強(qiáng)度和延伸率高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性。（3）碳纖維復(fù)合材料和修補(bǔ)劑均具有較高的層間剪切強(qiáng)度，耐腐蝕性能、耐溫性能、抗老化性能優(yōu)異。碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異，其強(qiáng)度隨著服役時(shí)間的增加基本保持不變。適用于各種管道系統(tǒng)、管道形狀和缺陷類型，例如長輸管道、公用管道等；彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件；高的焊縫余高和嚴(yán)重錯(cuò)邊等缺陷。施工簡便快捷，快速搶修，約2?31小時(shí)即可完成施工。圖1碳纖維補(bǔ)強(qiáng)示意2.4施工流程清除防腐層。查找缺陷部位。對(duì)缺陷部位進(jìn)行照相、標(biāo)記存檔。管道表面清洗。在確保鋼管表面原有防腐涂層及氧化物清除后，清洗鋼管表面，并使其充分干燥。將金屬修補(bǔ)劑填補(bǔ)管道表面缺陷部位。見圖1。將絕緣底漆涂刷到需要補(bǔ)強(qiáng)的管道區(qū)段。將碳纖維材料纏繞到需要修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的缺陷部位上，并將沾浸膠均勻涂刷在碳纖維材料上。待膠體完全固化后，按要求對(duì)管線進(jìn)行防腐涂漆處理，恢復(fù)保溫層。2.5施工驗(yàn)收由于石化管道的特殊性，在驗(yàn)收中，應(yīng)盡量采用非破壞性方法進(jìn)行驗(yàn)收，即在施工過程中以及施工結(jié)束后，參照標(biāo)準(zhǔn)Q/SYXN0341—2011《天然氣輸送管道管體缺陷復(fù)合修復(fù)材料的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)補(bǔ)強(qiáng)后的區(qū)域進(jìn)行外觀和尺寸、空鼓檢查和硬度測(cè)試，結(jié)果需達(dá)到檢查、測(cè)試要求。3工程應(yīng)用應(yīng)用一：長嶺分公司煉油一部航煤加氫裝置空冷設(shè)備出入口管線(圖2)材質(zhì)為20#鋼，管徑為DN50，X作壓力0.4MPa，介質(zhì)溫度為110°C。因該管線輸送介質(zhì)含硫，使用年限較長，內(nèi)腐蝕缺陷嚴(yán)重，經(jīng)專業(yè)測(cè)厚發(fā)現(xiàn)最小壁厚僅為2mm，如不及時(shí)處理將隨時(shí)發(fā)生穿孔引發(fā)重大安全事故。但由于該管道在整個(gè)上下游的生產(chǎn)中處于關(guān)鍵部位，停車消缺勢(shì)必會(huì)給裝置運(yùn)行帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。圖2管線補(bǔ)強(qiáng)前圖2管線補(bǔ)強(qiáng)前圖3管線補(bǔ)強(qiáng)后根據(jù)該柴油管道實(shí)際情況，決定采取碳纖維補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行在線修復(fù)。我們?cè)谶x擇性能最優(yōu)的碳纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)上，參照ASMEPCC-2-2011《壓力設(shè)備和管道的修理》中明確給出的設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則，為使修復(fù)后的管道承壓能力不低于無缺陷管道，計(jì)算出該缺陷處修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)為5層。施工過程中對(duì)表面預(yù)處理、修補(bǔ)劑填平、涂刷底漆和纏繞碳纖維等幾個(gè)關(guān)鍵步驟進(jìn)行嚴(yán)格控制，每一步都嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行施工，確保了施工達(dá)到設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求（見圖3）?，F(xiàn)場(chǎng)施工完成后采用非破壞性的方法進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)補(bǔ)強(qiáng)后的區(qū)域進(jìn)行了外觀及尺寸、空鼓、脫粘、分層檢查和硬度檢測(cè)，均滿足要求。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的成功應(yīng)用，達(dá)到了方案設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期效果，一直安全運(yùn)行至今。案例二：武漢石化碼頭一處DN200mm的原油管線，材質(zhì)為20#鋼材，管線設(shè)計(jì)厚度為10mm。其中一段長3米的管道出現(xiàn)嚴(yán)重管外腐蝕缺陷，表面坑洼不平，經(jīng)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管線最小壁厚為3.1mm（見圖4）。因該管線輸送的是原油，生產(chǎn)期間無法停工吹掃進(jìn)行更換，只能采用在線修復(fù)的方式對(duì)該管段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該管線缺陷部位進(jìn)行檢驗(yàn)和檢測(cè)，包括缺陷長度、缺陷深度和缺陷分布范圍等，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行的工況條件，綜合考慮安全可靠性、維修壽命、修復(fù)的綜合成本以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)高低等因素，經(jīng)過理論計(jì)算，該缺陷修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)為5層。施工作業(yè)時(shí)，盡力將油漆、浮銹等雜質(zhì)去除，控制好管線表面的清潔處理、缺陷部位的修復(fù)補(bǔ)平、精確計(jì)算粘浸膠與固化劑的配比等關(guān)鍵工序，做到每一道工序都嚴(yán)格按照施工方案執(zhí)行，每一個(gè)施工步驟都符合技術(shù)規(guī)范的質(zhì)量要求。驗(yàn)收結(jié)論的安全隱圖4管線腐蝕情況驗(yàn)收結(jié)論的安全隱該項(xiàng)目從施工準(zhǔn)備、除銹、清洗到修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)束，僅高效的完成了該管段的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)工作。最后經(jīng)外觀檢查和硬度檢測(cè)合格，各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求（見圖5）。t碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的施工，成功的修復(fù)了管道的缺陷，消保證了該管線的正常運(yùn)行，獲得了用戶的好評(píng)。4結(jié)束語長周期運(yùn)行是石化企業(yè)降低生產(chǎn)