復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)管道缺陷技術(shù)進(jìn)展

1、復(fù)合材料管道缺陷修復(fù)技術(shù)進(jìn)展李榮光 065000，河北省廊坊市金光道51號；電話 吳長訪 高強(qiáng) 王春明（中國石油管道研究中心）（中國石油管道公司）（中國石油管道公司大慶輸油氣分公司）摘要：管道缺陷復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)是一種新的管體修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)具有高模量、修復(fù)層質(zhì)量輕、施工方法簡單、成本低等優(yōu)點。本文介紹了國內(nèi)外復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種碳纖維修復(fù)管道缺陷新技術(shù)（預(yù)浸料技術(shù)），以解決現(xiàn)有修復(fù)技術(shù)采用的施工方法存在施工質(zhì)量難以控制的技術(shù)缺陷。關(guān)鍵詞：碳纖維、復(fù)合材料、環(huán)氧預(yù)浸料、管道1 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)概述目前，全世界輸油氣管道總長度超過了1.7106km，其中相

2、當(dāng)一部分管道已服役逾30年，出現(xiàn)大量的外腐蝕等缺陷，導(dǎo)致每年用于管道修復(fù)費用在60億到80億美元之間1。一般，較為嚴(yán)重的外腐蝕直接采用換管或者套筒修復(fù)，修復(fù)費用昂貴。近年來，復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的出現(xiàn)作為管體缺陷的一種新型修復(fù)技術(shù)具有很多優(yōu)點。復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)是利用涂敷在缺陷部位的高強(qiáng)度填料，以及管體上和纖維材料層間的強(qiáng)力膠，將作用在管道缺陷部位的應(yīng)力均勻地傳遞到復(fù)合材料修復(fù)層上，復(fù)合材料與缺陷管道緊密結(jié)合、協(xié)同變形，合理分布缺陷管道應(yīng)力，從而起到補(bǔ)強(qiáng)目的。與傳統(tǒng)的金屬材料修復(fù)方法相比，復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)具有明顯的優(yōu)點：1）復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高；2）復(fù)合材料可設(shè)計性強(qiáng)；3）復(fù)合材料有多種

3、成型工藝，便于進(jìn)行大面積或者結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的補(bǔ)強(qiáng)；4）修復(fù)過程無需停輸、修復(fù)時間短、成本低、現(xiàn)場修復(fù)所需設(shè)備簡單。復(fù)合材料的這些優(yōu)點基本滿足了長輸油氣管道對管體修復(fù)材料的技術(shù)要求，已成為管體缺陷修復(fù)技術(shù)的一個發(fā)展趨勢。管體缺陷修復(fù)常用的復(fù)合材料有玻璃纖維復(fù)合材料（grp）或碳纖維復(fù)合材料（cfrp）等，常用的樹脂包括聚酯、乙烯酯以及環(huán)氧類樹脂。在復(fù)合修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，美國的clockspring公司的復(fù)合修復(fù)套筒最具代表性，在北美、歐洲等國家的陸上及海上油氣管道上應(yīng)用非常廣泛，近年亞洲一些國家也陸續(xù)開始應(yīng)用。2 技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題目前，復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)主要有兩種修復(fù)方法，一種是預(yù)成型法，一種

4、是濕纏繞法。預(yù)成型法（full cure）是美國的clock spring公司最先開發(fā)并工程化的，在管道外腐蝕缺陷修復(fù)作業(yè)中已成功應(yīng)用了逾20年。預(yù)成型法采用不飽和聚酯和玻璃纖維在工廠中預(yù)先根據(jù)含缺陷管道的管徑制備復(fù)合套筒，然后在修補(bǔ)現(xiàn)場通過強(qiáng)力膠將復(fù)合套筒粘結(jié)于管道表面，從而起到恢復(fù)管道強(qiáng)度的目的。圖1為clock spring修復(fù)管道現(xiàn)場照片。 圖1 clock spring修復(fù)管道缺陷這種技術(shù)的優(yōu)點有：1、 修復(fù)過程無需降壓、無需動火、修復(fù)時間短；2、 復(fù)合材料工廠預(yù)制成型，無需現(xiàn)場配膠，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，修復(fù)效果好；主要技術(shù)缺點有：1、復(fù)合套筒自身剛度較大，不易變形,只能修復(fù)直管，不能用于

5、修復(fù)異型件（彎頭、三通等）；2、一般選用纖維模量和強(qiáng)度較低的玻璃纖維，對管體強(qiáng)度的恢復(fù)效率有限；3、復(fù)合套筒在加工中經(jīng)過擠壓、烘干、熱處理及固化等一系列生產(chǎn)過程，其成本較高。濕纏繞法（wet wrap）是將不含樹脂的柔性纖維布纏繞在管道上，同時將樹脂涂刷在纖維布上，在一定溫度和時間下樹脂固化并與纖維形成復(fù)合材料，復(fù)合材料緊貼與管道之上，分擔(dān)了大部分載荷，從而起到修復(fù)管道的目的。濕纏繞法用于管道缺陷修復(fù)中一般以環(huán)氧樹脂為復(fù)合材料的基體、以碳纖維片材為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。以美國furmanite公司和英國的wtr公司為代表，該技術(shù)已成功應(yīng)用在管道多種類型缺陷的修復(fù)作業(yè)中，使用溫度范圍達(dá)-25-16

6、0。這種技術(shù)的優(yōu)點主要有：1、作業(yè)簡便、快速，現(xiàn)場修復(fù)設(shè)備簡單； 2、碳纖維布柔韌性好，可修復(fù)高焊縫余高、嚴(yán)重錯邊、嚴(yán)重變形等管體缺陷，也可用于彎頭、三通等異型件的缺陷修復(fù)；3、碳纖維的比強(qiáng)度高、比模量高，修補(bǔ)厚度薄，僅為鋼材厚度的1/5就能達(dá)到相同補(bǔ)強(qiáng)效果；4、可采用不同的粘結(jié)樹脂和施工工藝，適用溫度范圍廣。圖2為碳纖維復(fù)合材料修復(fù)三通缺陷后修復(fù)區(qū)域外觀。圖2碳纖維復(fù)合材料修復(fù)三通缺陷這種修復(fù)技術(shù)存在一些缺陷，濕纏繞法需在施工現(xiàn)場配制膠液并進(jìn)行纏繞，膠液中各組分的比例、樹脂與纖維的比例、樹脂對纖維的浸潤程度、纖維布的平整度等參數(shù)受到施工人員熟練程度、修補(bǔ)量、施工環(huán)境、原材料初始狀態(tài)等因素的影

7、響，因此修復(fù)層的有效性和持久性具有一定的不確定性。另外，該技術(shù)在實施過程中的勞動環(huán)境較差、勞動效率低，樹脂中的揮發(fā)性組分和纖維布上脫落的纖維毛容易引起皮膚過敏，對人體的健康有一定危害，對環(huán)境也有一定的污染。3新型復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)（預(yù)浸料技術(shù)）目前，這兩種修復(fù)方法在國內(nèi)管體復(fù)合材料修復(fù)作業(yè)中均取得了應(yīng)用，因自身適用范圍和施工方法的限制，預(yù)成型法主要在輸氣管道中應(yīng)用，濕纏繞法則主要應(yīng)用于輸油管道的管體缺陷修復(fù)。如何兼顧兩種方法的優(yōu)點，實現(xiàn)修補(bǔ)質(zhì)量、適用范圍和效率三者的統(tǒng)一，成為復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)的一個難題。預(yù)浸料法是解決上述問題的最佳的替代方法之一。預(yù)浸料是航空航天承力復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的常用材

8、料，它是以連續(xù)纖維增強(qiáng)體和樹脂體系為原料，采用排布機(jī)或預(yù)浸機(jī)使樹脂體系處于溶液狀態(tài)或熔融狀態(tài)，在一定速度下對纖維進(jìn)行浸潤，得到表面由樹脂包裹的纖維增強(qiáng)體，并通過收卷得到的一種片材。制備完成后的材料低溫儲存（儲存溫度約為-18），儲存過程中（儲存期不低于6個月）樹脂幾乎不固化或固化度極低。在實際使用中，它與手糊工藝用的樹脂/纖維體系的最大不同點是，預(yù)浸料中樹脂與纖維已復(fù)合成一體，將原料制備與修補(bǔ)過程分離，其優(yōu)點是：1、預(yù)浸料在工廠中可連續(xù)大批量生產(chǎn)，可在貯存期內(nèi)隨時用于修補(bǔ)作業(yè)，提高了修補(bǔ)的靈活性和施工效率；2、預(yù)浸料的制備采用自動化生產(chǎn)設(shè)備，其過程可嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求執(zhí)行，這種規(guī)范化的

9、、標(biāo)準(zhǔn)化的工藝可充分保證修補(bǔ)材料的質(zhì)量穩(wěn)定性，充分發(fā)揮材料性能； 3、預(yù)浸料中樹脂將纖維完全包裹，保證了樹脂對纖維的良好浸潤，從而保證了修補(bǔ)質(zhì)量；其次,樹脂對纖維起到了保護(hù)作用，在貯存、運輸以及使用過程中，纖維不易發(fā)生掉毛和損傷，從而極大地提高了纖維力學(xué)性能的保留率；4、預(yù)浸料使用過程中只需將其直接纏繞在缺陷處，省去了刷涂樹脂的工序，人為因素影響小，保證了修補(bǔ)的質(zhì)量。綜上所述，預(yù)浸料法在實現(xiàn)油氣管道低成本、高質(zhì)量修復(fù)，尤其是針對大批量、重要部位的修補(bǔ)或損傷嚴(yán)重的管道缺陷修復(fù)，具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢。預(yù)浸料修補(bǔ)工藝與濕纏繞和預(yù)成型兩種工藝在樹脂特性、固化工藝方法、工裝設(shè)備以及修補(bǔ)施工工藝等方面均

10、有明顯差別，兼?zhèn)淞水a(chǎn)品性能穩(wěn)定性和施工靈活性。目前，該修復(fù)方法尚沒有大規(guī)范的推廣應(yīng)用，但因其技術(shù)優(yōu)勢明顯、適用范圍廣泛，應(yīng)用前景十分廣闊。4修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著我國多條在役管道步入老齡化階段，管道缺陷修復(fù)需求量逐步增加，各管道運營單位都在積極尋求更加安全、經(jīng)濟(jì)、便捷的修復(fù)技術(shù)，對于復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)越來越受到重視。除了預(yù)浸料修復(fù)技術(shù)，復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)的發(fā)展會有以下趨勢。1、修復(fù)溫度范圍廣，同一種復(fù)合材料修復(fù)方法可修復(fù)的溫度范圍寬，要求開發(fā)出性能優(yōu)異的樹脂體系，以滿足較寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的長期性能。2、拓寬復(fù)合材料中使用纖維類型，研究適用于不同條件下管體缺陷修復(fù)復(fù)合材料

11、。纖維種類、質(zhì)量日新月異，在管道缺陷修復(fù)中大量性能優(yōu)異的纖維尚無系統(tǒng)研究。研究不同類型纖維和樹脂復(fù)合后的材料特點，開發(fā)出適用于多種條件下管體缺陷修復(fù)的復(fù)合材料體系。3、借助有限元分析方法或者電腦模擬，對復(fù)合材料修復(fù)效果、內(nèi)應(yīng)力狀況作出準(zhǔn)確的預(yù)測和分析。對修復(fù)后的管道實施有效評價，提高現(xiàn)場檢測水平，積累相關(guān)數(shù)據(jù)，為制定復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范奠定基礎(chǔ)。5 結(jié)束語復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)在中國乃至世界都有著十分廣闊的應(yīng)用前景，而相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、相應(yīng)施工工藝研究，配套施工設(shè)備研究，對應(yīng)分析方法和模擬技術(shù)還處在發(fā)展階段。希望隨著管體缺陷修復(fù)工程需求量的日益增長，復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)能進(jìn)一步得到發(fā)展，豐

12、富管體修復(fù)技術(shù)種類，提高管體修復(fù)技術(shù)水平。參考文獻(xiàn)1 mohitpour m, golshan h, murray a. pipeline design and construction: a practical approach. 2nd ed. new york, ny: asme press; 2003. 499518.2 cuthill j. advances in materials, methods, help gain new users. pipeline & gas journal nov 2002 ; 229(11) : 643徐玉瓊：管道修復(fù)用復(fù)合材料的研究進(jìn)展，材料導(dǎo)報，2005，70，34