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文檔簡(jiǎn)介

1、管道復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)但無論何種材質(zhì)的管道,一旦建成后,都會(huì)連續(xù)不斷地受到各種機(jī)制的侵襲和破壞。因此,對(duì)于管輸公司而言,管道大修維護(hù)一直是一項(xiàng)非常重要的課題。尤其是隨著管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,管道的維護(hù)管理已經(jīng)逐步從事后搶險(xiǎn)修復(fù)向事前預(yù)防修復(fù)發(fā)展。為了降低管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn),延長(zhǎng)管道的使用壽命,管道公司必須對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的管道缺陷進(jìn)行修復(fù)。但是,采用什么樣的修復(fù)技術(shù)方案才能夠永久性地恢復(fù)管體的強(qiáng)度,保證管道的安全運(yùn)行,同時(shí)又對(duì)生產(chǎn)的影響最小,一直以來都是管輸公司所關(guān)注的焦點(diǎn)。1980年,美國(guó)已有了長(zhǎng)達(dá)400000英里(643737.6km)的高壓天然氣集輸管道。為了保證如此長(zhǎng)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(fèi)用。為了幫助管輸公司降低管道大修成本,美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)組成了一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì),成員包括美國(guó)西北大學(xué)、Battelle氣體研究所、應(yīng)力工程服務(wù)公司等等多家研究機(jī)構(gòu)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過8年的工作,開發(fā)出了一種全新的電化級(jí)單向纖維強(qiáng)化的塑性復(fù)合材料,這就是今天被廣泛應(yīng)用的復(fù)合修復(fù)技術(shù)。在復(fù)合修復(fù)技術(shù)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(fù)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(chǎn),需要?jiǎng)佑么笮驮O(shè)備,需要焊接作業(yè),同時(shí)也會(huì)給管輸公司造成巨大的放空損失;因此,管道復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)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(jīng)濟(jì)、可靠的新的選擇。一、技術(shù)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(shè)計(jì)壓力;S表示鋼管的最小屈服強(qiáng)度;t表示管壁厚度;D表示管徑;F表示設(shè)計(jì)系數(shù);E表示焊接系數(shù);T表示溫度系數(shù)。管道在運(yùn)營(yíng)過程中,因受內(nèi)壓而存在圓周應(yīng)力,如果管壁表面某個(gè)部位受損或變薄,那么受損部位將會(huì)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(fù)合修復(fù)技術(shù)的原理復(fù)合修復(fù)技術(shù)就是將復(fù)合修復(fù)材料纏繞在存在缺陷的管道外表面,與強(qiáng)力膠和填料一起構(gòu)成復(fù)合修復(fù)層。修復(fù)完成后,缺陷部位管道承擔(dān)的部分應(yīng)力就會(huì)

4、傳遞到復(fù)合修復(fù)層,從而使缺陷部位管道承擔(dān)的應(yīng)力始終處于安全極限之下,保證管道的安全運(yùn)行(見彩色圖版x)。那么復(fù)合修復(fù)層承擔(dān)的應(yīng)力與缺陷部位管道承擔(dān)的應(yīng)力存在什么樣的關(guān)系呢?如何才能保證缺陷部位承擔(dān)的應(yīng)力處于安全極限之下,對(duì)復(fù)合修復(fù)材料又有什么樣的技術(shù)要求呢?美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)的研究證實(shí):任何一種復(fù)合修復(fù)材料,能否達(dá)到修復(fù)效果,主要取決于復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量。一旦抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量確定,就可以精確預(yù)測(cè)復(fù)合材料的修復(fù)效果。(1)拉伸強(qiáng)度對(duì)于中高壓管道,要想保證管道修復(fù)層在惡劣的環(huán)境下安全運(yùn)行50年以上,復(fù)合修復(fù)層的拉伸強(qiáng)度是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。在土壤環(huán)境中,復(fù)合修復(fù)材料的抗拉伸強(qiáng)度會(huì)隨

5、著時(shí)間而逐步下降,所以就要求復(fù)合修復(fù)材料在設(shè)計(jì)上必須確保有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,從而使其在使用50年后依然能夠保持修復(fù)效果。復(fù)合修復(fù)材料抗拉伸強(qiáng)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(guān)。ClockSpring產(chǎn)品的抗拉伸強(qiáng)度老化公式:式中:t表示時(shí)間,h。請(qǐng)注意,這是目前惟一進(jìn)行了10年長(zhǎng)期老化現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的復(fù)合修復(fù)材料。美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)測(cè)試證實(shí):要想確保復(fù)合修復(fù)材料在使用50年后抗拉伸強(qiáng)度依然在安全值之上(138MPa),新產(chǎn)品的最小拉伸強(qiáng)度必須超過310MPa。(2)彈性模量復(fù)合修復(fù)層承擔(dān)的應(yīng)力與缺陷部位管壁承擔(dān)的應(yīng)力,其間存在什么樣的比值關(guān)系呢?美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)的研究結(jié)果

6、證明:其比值等于兩種材質(zhì)彈性模量的復(fù)數(shù)之比。通常鋼材的彈性模量近似為207x103MPa,如果復(fù)合修復(fù)層的彈性模量為34x103MPa,則缺陷部位管壁承壓發(fā)生形變達(dá)到1%時(shí),圓周應(yīng)力將會(huì)完全傳遞到復(fù)合修復(fù)層,從而將缺陷部位管壁的形變控制在了安全形變范圍內(nèi),保證了管道的安全運(yùn)行。如果復(fù)合修復(fù)層的彈性模量小于這個(gè)數(shù)值,意味著缺陷部位管壁就必須承擔(dān)更大的應(yīng)力,結(jié)果將會(huì)造成缺陷部位管壁發(fā)生更大的形變,形變?nèi)绻霭踩珮O限,將會(huì)造成安全事故。即使在安全極限之內(nèi),也必將影響管道的完整性,從而無法真正達(dá)到永久修復(fù)的要求。二、技術(shù)路線選擇復(fù)合修復(fù)技術(shù)在發(fā)展過程中主要形成了兩大系列:濕纏繞法復(fù)合修復(fù)技術(shù)和預(yù)成型

7、法復(fù)合修復(fù)技術(shù),這兩種復(fù)合技術(shù)在復(fù)合材料和安裝工藝上的區(qū)別如下。復(fù)合材料濕纏繞法復(fù)合修復(fù)技術(shù)采用高密度玻纖布作為補(bǔ)強(qiáng)材料,在施工現(xiàn)場(chǎng)與環(huán)氧樹脂復(fù)合,構(gòu)成復(fù)合修復(fù)層。而預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)技術(shù)所使用的復(fù)合材料是電化級(jí)纖維強(qiáng)化的塑性復(fù)合材料(FRP),兩種材料有著本質(zhì)的區(qū)別:濕纏繞復(fù)合修復(fù)技術(shù)所使用的玻纖布,使用玻璃纖維絲編織而成,價(jià)格便宜,只有50%的纖維在管道圓周應(yīng)力方向上,隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng),管道壓力波動(dòng)將會(huì)使經(jīng)向玻璃纖維絲和緯向玻璃纖維絲互相影響,從而使復(fù)合修復(fù)層的強(qiáng)度迅速下降;預(yù)成型法復(fù)合材料采用電化級(jí)單向玻璃纖維絲在工廠嚴(yán)格按照比例與間苯二甲酸聚脂樹脂等多種樹脂成分復(fù)合而成,是一種全新的纖

8、維強(qiáng)化復(fù)合材料,其所使用的電化級(jí)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(qiáng)度高達(dá)3400MPa,每4000支纖維絲構(gòu)成1個(gè)纖維束,每個(gè)復(fù)合套筒包含150束纖維,經(jīng)過加工成型后已經(jīng)形成了一種新的復(fù)合材料。1.安裝工藝濕纏繞法復(fù)合修復(fù)技術(shù)由操作工人把玻璃纖維布裁剪后現(xiàn)場(chǎng)與環(huán)氧樹脂復(fù)合。復(fù)合過程受到作業(yè)環(huán)境、工人的技術(shù)熟練程度、工人的責(zé)任心等多種因素的影響。事實(shí)上,即使是同一個(gè)優(yōu)秀的操作工人,第一次安裝和第二次安裝也不會(huì)完全相同。因?yàn)樯婕暗淖兞堪ǎ翰@w與樹脂的比例、樹脂的飽和度、玻纖受力方向的調(diào)整、修復(fù)層的強(qiáng)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(fù)效果表現(xiàn)為:抗拉伸強(qiáng)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(fù)層使用壽命;安裝過程中,玻纖與樹脂比例變化影響的復(fù)合修復(fù)層機(jī)械屬性;無記憶效應(yīng);用戶現(xiàn)場(chǎng)加工復(fù)合,修復(fù)過程受到現(xiàn)場(chǎng)很多因素的影響。而預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)技術(shù)由生產(chǎn)企業(yè)在工廠使用電化級(jí)單向玻璃纖維絲和乙烯基樹脂等多種成分復(fù)合而成,所有的一切變量都在生產(chǎn)工廠得到了嚴(yán)格控制?,F(xiàn)場(chǎng)安裝非常簡(jiǎn)單,任何一個(gè)用戶,經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn),都能完成現(xiàn)場(chǎng)安裝。抗拉伸強(qiáng)度和彈性模量穩(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(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo),它決定了復(fù)合材料抗拉伸強(qiáng)度下降的速度。美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)對(duì)復(fù)合修復(fù)材料所做的持久性測(cè)試考慮了最為惡劣的環(huán)境

10、:溫度60C、pH值49、充分濕潤(rùn)的土壤環(huán)境。玻纖布制成的復(fù)合材料,經(jīng)緯向編織結(jié)構(gòu)將有利于水分的吸收,從而對(duì)材料的持久性帶來負(fù)面影響。復(fù)合結(jié)構(gòu)不能存在任何雜質(zhì),否則也會(huì)有利于水分的吸收,對(duì)持久性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面危害。在第一次測(cè)試中,樣本置于室溫23C條件下40h,測(cè)試的結(jié)果為:預(yù)成型法復(fù)合修復(fù)材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度為69MPa,濕纏繞法復(fù)合修復(fù)材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度為47MPa(表1)。在第二次測(cè)試中,將樣本放置于沸騰的蒸餾水中2h,再次測(cè)試,結(jié)果預(yù)成型法復(fù)合材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度降到63MPa,變化很小。而玻纖布復(fù)合材料層與層之間的抗剪切強(qiáng)度下降了50%還多,降到了21MPa。這個(gè)結(jié)果

11、證明:玻纖布復(fù)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(fù)技術(shù)(表2)。表1正常情況下套筒層與層之間抗剪切強(qiáng)度MPa樣本編號(hào)ClockSpring玻纖布復(fù)合修復(fù)技術(shù)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(qiáng)度MPa樣本編號(hào)ClockSpring玻纖布復(fù)合修復(fù)技術(shù)63.919.264226520.964.721.462.323.5平均值6321.4誤差2.81.6事實(shí)上,在實(shí)際應(yīng)用中,管道的周期性應(yīng)力變化也會(huì)使玻璃纖維布的強(qiáng)度下降,影響到復(fù)合材料的持久性。因此,玻

12、纖布復(fù)合修復(fù)材料不能用于高壓管道的永久性修復(fù),一般用于壓力低于3.4MPa的管道修復(fù)。三、技術(shù)要求(1)復(fù)合材料全新狀態(tài)下的抗拉伸強(qiáng)度必須大于310MPa。(2)復(fù)合材料楊氏彈性模量不得小于3.4104MPa。(3)復(fù)合材料必須經(jīng)過權(quán)威部門長(zhǎng)期可靠的工程測(cè)試和分析(實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試)證明復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)材料能夠永久(使用壽命超過50年)恢復(fù)缺陷部位管道的強(qiáng)度。(4)復(fù)合材料安裝過程無可變因素,安裝質(zhì)量一致性好。(5)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)無影響。(6)材料固化時(shí)間:小于等于3h(常溫下)。(7)生產(chǎn)企業(yè)必須嚴(yán)格按照培訓(xùn)程序?qū)Π惭b人員和培訓(xùn)人員進(jìn)行培訓(xùn),并每年對(duì)安裝人員和培訓(xùn)人員進(jìn)行資格年審。四、實(shí)際應(yīng)用C

13、lockSpring中高壓管道復(fù)合修復(fù)技術(shù)自商業(yè)化以來,在世界上65個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)成功地安裝了10萬套以上的產(chǎn)品。用戶包括殼牌、??松⒂?guó)天然氣公司、TRANSCANADA、TRANSMOUNTAIN、法國(guó)天然氣公司等許多世界知名的管道公司。應(yīng)用范圍包括:腐蝕或損傷程度小于等于80%的管道補(bǔ)強(qiáng);(可用于運(yùn)行壓力高達(dá)25MPa的管道)堵漏(管道壓力最高可達(dá)7MPa,泄漏孔直徑最大可達(dá)25mm);環(huán)逢焊接部位加固;抑制正在孕育的管道裂紋;淺海或海洋平臺(tái)管道修復(fù)(可用于垂直樹立的管道修復(fù));管道支撐或懸掛部位加固;彎曲部位的損傷或腐蝕修復(fù)。在此簡(jiǎn)要介紹ClockSpring在法國(guó)天然氣公司的應(yīng)用

14、。1.基本情況法國(guó)天然氣公司成立于1946年,其管理的高壓天然氣管網(wǎng)長(zhǎng)度約30000km管徑從80mm到1100mm。其中最早的管道建設(shè)于二戰(zhàn)以后,管道埋深約1m。可選擇的大修方案在發(fā)現(xiàn)管道缺陷后,法國(guó)天然氣公司決定:對(duì)存在缺陷的管道進(jìn)行大修。可供選擇的大修方案主要有:不停產(chǎn)帶壓修復(fù);堆焊/補(bǔ)焊;復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)。法國(guó)天然氣公司認(rèn)為,第一種和第二種方法在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施技術(shù)難度很大,經(jīng)過技術(shù)比較,法國(guó)天然氣公司認(rèn)為ClockSpring復(fù)合修復(fù)技術(shù)是一種非常理想的修復(fù)方案。技術(shù)分析為了保證修復(fù)方案100%的安全可靠,法國(guó)天然氣公司的技術(shù)研究部門對(duì)ClockSpring的技術(shù)方案進(jìn)行了全面的技術(shù)分析和研

15、究。技術(shù)研究部門開發(fā)了全面的實(shí)驗(yàn)室和理論模擬程序,以達(dá)到以下目的:通過系統(tǒng)全面的有效性檢測(cè),確定ClockSpring復(fù)合修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用范圍;評(píng)估ClockSpring修復(fù)技術(shù)是否能用于管道表面凹陷或表面損傷的修復(fù);評(píng)估ClockSpring修復(fù)技術(shù)能否用于螺旋焊縫缺陷、內(nèi)部腐蝕缺陷、環(huán)焊縫缺陷的修復(fù)。技術(shù)測(cè)試測(cè)試工作分以下9部分:研究測(cè)試范圍確定;全方位的測(cè)試;測(cè)試條件下的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì);數(shù)學(xué)模型的有效性;在實(shí)際條件下的數(shù)學(xué)模型;實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì);數(shù)學(xué)模擬;結(jié)果的解釋;評(píng)估軟件應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果在對(duì)數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果解釋的基礎(chǔ)上,技術(shù)研究部門開發(fā)了一個(gè)評(píng)估軟件,根據(jù)所有的相關(guān)參數(shù)計(jì)算疲勞強(qiáng)度和爆破壓力。使用這個(gè)軟件,法國(guó)天然氣公司對(duì)每一個(gè)缺陷進(jìn)行了技術(shù)評(píng)估,確定是否能夠使用ClockSpring復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)對(duì)管體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。ClokSpring應(yīng)用最后,法國(guó)天然氣公司選擇使用了ClockSpring復(fù)合修復(fù)技術(shù)對(duì)存在的管道缺陷進(jìn)行了修復(fù)。其中包括外腐蝕缺陷、表面機(jī)械

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