油氣管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用

油氣管道碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用李樞一;張建興;趙麗恒;張宇坤;辛成慶【摘要】隨著管道完整性管理的應(yīng)用和發(fā)展，開(kāi)展管道修復(fù)受到了極大的關(guān)注.針對(duì)碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外公司都致力發(fā)展相應(yīng)的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù).通過(guò)實(shí)例介紹了碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于帶有焊接補(bǔ)丁缺陷的天然氣管道,取得較好的修復(fù)效果，使管道安全運(yùn)行得到了保證.【期刊名稱】《管道技術(shù)與設(shè)備》【年(卷)，期】2013(000)002【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P38-40)【關(guān)鍵詞】油氣管道;碳纖維;補(bǔ)強(qiáng);修復(fù)【作者】李樞一漲建興;趙麗恒漲宇坤;辛成慶【作者單位】中石化天然氣榆濟(jì)管道分公司,山東濟(jì)南250101【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TE88隨著對(duì)油氣資源需求的不斷增加，國(guó)內(nèi)油氣管道事業(yè)快速發(fā)展。然而隨著管道總長(zhǎng)度的增加，由于外力損傷、腐蝕、管材缺陷等原因［1］，油氣管道失效事故頻繁發(fā)生。許多早期建設(shè)的油氣管道運(yùn)行年限已接近或超過(guò)其設(shè)計(jì)壽命，進(jìn)入事故多發(fā)期。相關(guān)資料表明［2-3］:國(guó)內(nèi)早期投用的油氣管道的爆裂事故高達(dá)7-10次/(km-a),每年用于更新和維修舊管道的費(fèi)用約占新建管道總投資的10%-20%，每年因外腐蝕造成的管道更換率達(dá)到2.5%。因此，為了避免因管道事故而造成的巨大損失，需要開(kāi)展管道修復(fù)工作。隨著檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)設(shè)備和修復(fù)技術(shù)等的發(fā)展，管道完整性管理也得到了發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)主要是利用碳纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度特性，采用粘結(jié)樹(shù)脂在缺陷管道上纏繞一定厚度的纖維層，樹(shù)脂固化后與管道結(jié)成一體，從而恢復(fù)缺陷管道的強(qiáng)度。由于碳纖維復(fù)合材料修復(fù)具有不需動(dòng)火焊接、工藝簡(jiǎn)單、施工迅速、操作安全、可實(shí)現(xiàn)不停輸修復(fù)，并且成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，已被管道行業(yè)普遍接受。1997年，國(guó)外成功地將碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用在埋地鋼質(zhì)管道上［4］。1.1碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)進(jìn)展情況隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，各國(guó)管道行業(yè)都致力于發(fā)展這項(xiàng)新技術(shù)，主要有國(guó)外的ArmorPlate、T.D.Williamson、NeptuneResearch、3XEngineering.Furmanite等公司和國(guó)內(nèi)的北京安科管道工程科技有限公司等，相應(yīng)開(kāi)發(fā)出ClockSpring、ArmorPlatePipeWrap、Syntho-Glass?、Black-DiamondTM和AnkoWrapTM等一系列復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)，這些修復(fù)技術(shù)在工程上都得到了很好的應(yīng)用。這些復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)主要分為兩大類型：分層法(LayeredSystems)和濕纏繞法(Wetlay-upSystems)［5-6］。美國(guó)、英國(guó)和加拿大等編制了復(fù)合材料修復(fù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在ASMEB31.4和ASMEB31.8以及美國(guó)運(yùn)輸部(DOT)的管道安全規(guī)范中都有提及［7-9］，同時(shí)又制定了ASMEPCC2-2006《RepairofPressureEquipmentandPiping》和ISO/TS24817《CompositeRepairsforPipework》管道維修標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)確保復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)能夠安全且合理地修復(fù)受損管道。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用有限元數(shù)值模擬、爆破試驗(yàn)、理論研究等方法對(duì)復(fù)合材料修復(fù)進(jìn)行了大量了研究，取得了一定的成果［10-13］。1.2復(fù)合材料修復(fù)的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算管道在內(nèi)壓的作用下，其缺陷區(qū)域相對(duì)容易發(fā)生局部鼓脹，當(dāng)鼓脹達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致缺陷管道的失效。采用復(fù)合材料修復(fù)缺陷管道目的就是有效地限制缺陷區(qū)域的鼓脹，降低管材的環(huán)向應(yīng)力以及缺陷區(qū)域的應(yīng)變，恢復(fù)缺陷管道的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，修復(fù)既要確保管材的應(yīng)力或應(yīng)變最小，低于可接受的臨界值，同時(shí)又要做到復(fù)合材料的使用量最少。ASMEPCC2-2006和ISO/TS24817中給出了復(fù)合材料修復(fù)管道的具體指導(dǎo)方針，包括復(fù)合材料纏繞層最小厚度和最小長(zhǎng)度的計(jì)算方法［14-15］。然而，對(duì)于含小缺陷的管道，采用解析法計(jì)算得到的修復(fù)長(zhǎng)度和修復(fù)厚度，可能造成復(fù)合材料用量偏多，提高修復(fù)成本；而對(duì)于含缺陷較大的管道，則達(dá)不到安全修復(fù)的要求，對(duì)于這一問(wèn)題，目前已有學(xué)者采用有限元模擬分析方法來(lái)闡明復(fù)合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理，使復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)得到充分的發(fā)揮和應(yīng)用［16-17］。2.1管道缺陷類型某條管道在投產(chǎn)清管期間，為了將卡在管道中的清管器取出，在管道開(kāi)了1個(gè)500mmx700mm的天窗，之后采用補(bǔ)焊的方式將切割下來(lái)的材料作為補(bǔ)丁補(bǔ)焊在天窗上，如圖1所示。2.2缺陷管道修復(fù)方案為保證管道安全運(yùn)行，減少安全隱患，經(jīng)過(guò)安全評(píng)估，決定采用碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。修復(fù)方案為環(huán)向纏繞，碳纖維纏繞層為8層，補(bǔ)強(qiáng)寬度為1m.2.3施工步驟施工作業(yè)時(shí)，首先挖出缺陷管道，達(dá)到施工作業(yè)所需要的空間。用砂布、鋼絲刷等工具清除防腐層，直至清除到鋼管裸露部位，必要時(shí)用專用試劑進(jìn)行清除。剝離防腐層后，利用無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行探傷，并照相存檔。在確保鋼管表面原有防腐涂層及氧化物清除后，用丙酮等試劑清洗鋼管表面，并使其充分干燥。⑸將填平樹(shù)脂涂刷于鋼管表面缺陷部位及焊縫根部?jī)蛇?，使缺陷部位表面平整，將粘浸膠涂刷到需要補(bǔ)強(qiáng)的管道區(qū)段，在底層粘貼絕緣纖維片，然后在絕緣纖維片上繼續(xù)粘貼裁剪好的碳纖維片，應(yīng)除去纖維片和樹(shù)脂之間的氣泡，確保沒(méi)有空鼓現(xiàn)象。完成碳纖維片纏繞后，在外層纖維上再涂刷一層粘浸膠，繼續(xù)重復(fù)纏繞碳纖維片，最終纏繞8層。在碳纖維片粘貼完成后，采用粘彈體防腐帶對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重新防腐，最后在外層纏繞冷纏帶。修復(fù)施工完成后，作業(yè)區(qū)域的樹(shù)脂需要固化，一般固化時(shí)間為1~3天，固化后就可以進(jìn)行管溝回填，恢復(fù)地貌。2.4施工驗(yàn)收由于油氣管道的特殊性，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(guò)程中以及施工結(jié)束后，對(duì)基體鋼管、復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層與基體鋼管的粘接性能及復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層3個(gè)方面進(jìn)行檢查，經(jīng)過(guò)驗(yàn)收為合格。如果沒(méi)有達(dá)到驗(yàn)收要求，可以考慮把整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)層剝離，重新安裝新的補(bǔ)強(qiáng)層，也可以對(duì)補(bǔ)強(qiáng)層進(jìn)行局部切除，再進(jìn)行局部修復(fù)。綜上所述，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)因其具有帶壓不停輸修復(fù)、使用壽命長(zhǎng)、工藝簡(jiǎn)單、操作安全、無(wú)須大型設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的管道修復(fù)技術(shù)。在20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)就開(kāi)始進(jìn)行復(fù)合材料防腐技術(shù)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并在臨濮線上開(kāi)展了一系列試驗(yàn)。近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)在陜京輸氣管道、西氣東輸管道、秦京輸油管道等油氣管道上得到了廣泛的應(yīng)用。【相關(guān)文獻(xiàn)】馮耀榮，王新虎，趙冬巖.油氣輸送管失效事故的調(diào)查與分析.中國(guó)海上工程，1999,11(5):11-14.白真權(quán)，王獻(xiàn)日方，孔杰.含缺陷管道補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀分析.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004,33(1):41-43.楊紅，鄭潔.復(fù)合修復(fù)材料在輸氣管道的應(yīng)用.天然氣與石油，2006,24(5):4-6.ALEXANDERCR.GuidelinesforRepairingDamagedPipelinesUsingCompositeMaterials.NACEinternationalcorrosionconference,Nashville,2007:071441.BATISSER.ReviewofGasTransmissionPipelineRepairMethods,Safety,ReliabilityandRisksAssociatedwithWater.OilandGasPipelines,2008:335-349.BATISSER,HERTZ-CLEMENSS.AReviewofVariousRepairTechniquesforGasTransmissionPipelines:Advantages,LimitationsandDevelopments.InternationalGasResearchConference,Paris,2008:2-14.AmericanSocietyofMechanicalEngineers.PipelineTransportationSystemsforLiquidHydrocarbonsandOther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