输油管道用加固材料
我国众多在役油气输送管道在服役过程中由于腐蚀、机械损伤和外部荷载等原因产生很多缺陷,这些缺陷降低了管道的强度。

在管壁减薄部位(如腐蚀处)会产生应力集中现象,当此处的应力大于材料的抗拉强度极限时,该部位将发生破裂失效和泄漏。

用复合材料修复管道极大的降低了管道更换费用,并且节约了时间,是当前行业内比较认可的一种修复方法。

选用何种复合材料进行修补会更加经济，能更好地达到修复效果是本文研究的主要问题。

目前，复合材料管体缺陷修复技术主要有三种修复方法，一种是预成型法，一种是湿缠绕法，还有一种正在研究中的预浸料法。

1.采用预浸料工艺时对材料的选用
从制备和使用角度，预浸料最大的特点是树脂/纤维的复合与修补的进行是各自独立进行的。

在一定温度或溶剂的作用下，先将含有固化剂的树脂浸渍纤维形成预浸料布，而后储存备用，待进行管道修补时将预浸料布缠绕在缺陷处，通过工装设备进行固化。

预浸料的首要的技术研究重点是树脂体系的开发，根据预浸料制备和使用特点，要求预浸料用树脂体系必需具备以下性能和
工艺特点，而这些因素在手糊用树脂体系中无需考虑。

1）为了保证预浸料能够长期保存、随时使用，树脂的固化反应活性需适中，在室温下固化反应活性低，在一定的时间内不发生明显的变化，而在一定的温度下能够较快固化，降低对加热设备的要求，并保证修补施工的效率，这一点主要由固化剂的性质决定。

2）特殊的工艺性要求：为了预浸料布储存收卷和使用的方便，要求树脂的粘性适中，若粘性太高则收卷时预浸料布会紧密的粘结在一起，而难以展开，若粘性太低则预浸料铺贴时不易与管道表面贴合，影响复合材料的增强效果，这一点主要由树脂本身的性质决定。

3）制备的要求。

为了实现树脂对纤维的良好浸渍，可以采用将树脂加热和添加溶剂的方法降低树脂粘度，对于加热的方法要求树脂的粘度足够低且在加热温度下长时间不与固化剂发生反应，对于添加溶剂的方法要求溶剂对树脂和固化剂有很高的溶解性，鉴于溶剂的使用量较大，必需选择低毒或无毒且通用的溶剂，提高预浸料制备的安全性并降低制备成本。

通过上述分析可知，树脂、固化剂以及溶剂的选择是配方设计的重点，为此应首先提出对三者的选配方案。

1.1 树脂
对于承力用复合材料而言，常用的树脂包括环氧树脂、不饱和聚酯以及乙烯基树脂等，其中环氧树脂是指含有两个或两个以
上环氧基，以脂肪族、脂环族或芳香族等有机化合物为骨架并能通过环氧基团反应形成有用的热固性产物的高分子低聚物，它与高性能增强纤维，尤其是碳纤维复合后容易实现复合材料的高性能化，而且环氧树脂与金属，如钢材、铝合金等，有很好的粘结性，且固化收缩率很低（小于2%），故可以高效地将钢材上承担的载荷传递到增强纤维上，同时也有利于将管道与环境中的腐蚀性介质隔离。

在价格上环氧树脂略高于不饱和聚酯和乙烯基脂，但是因为在整个复合材料成本构成当中树脂仅占很小一部分，因此确定使用环氧树脂。

环氧树脂有很多类型，不同的树脂具备不同的工艺特性和性能特点。

环氧E42 树脂属于双酚A 型环氧树脂，综合性能优异，是手糊工艺中的主要树脂类型，但常温下树脂为液态，若单独使用制备预浸料，则粘性过高，影响预浸料布的收卷，此外固化后其脆性较大。

第二代修补用树脂体系的一个显著特点是在兼顾模量和强度的同时，还要求固化物具备一定的韧性，这不但有利于提高复合材料的承载能力，而且对提高使用过程中的防损伤能力和低温性能有很大促进作用。

前期选用了液态环氧E42 树脂与固态环氧F46 树脂为主的双组分树脂体系，以赋予预浸料更好的粘性和性能。

由于环氧F46 成本较高，且与环氧F46 混合需要专用的加热搅拌设备，因此成本偏高。

为此考虑了液态环氧E42 树脂与高粘度液体环氧E44 树脂复配的方案，一方面两种树脂混合固化后，由于分子结构的不同，可以形成不同于单
独树脂固化所形成的交联网络，这种结构能赋予复合材料好的韧性；另一方面，环氧E44 粘度明显高于E42 树脂，两者混合可以调节树脂的粘度，使预浸料在不同的使用工况下均有很好的粘性，便于铺贴预浸料；此外环氧E44 的分子链较大，相同情况下与固化剂反应速率低，这样可以调节树脂体系在室温的固化速度，起到延长预浸料储存期的目的，由此为了兼顾成本、工艺性和性能的要求采用E42 与E44 复配的方案。

环氧树脂E44 含量大时，预浸料的粘性高，考虑到成本和性能，环氧E42 与E44 的比例确定在3:2。

1.2 固化剂
考虑到储存性和施工的要求，必需选择潜伏型固化剂，此种固化剂在室温下与树脂不反应或反应很慢，但在加热的条件下可迅速使树脂固化。

通过对目前环氧树脂常用的潜伏型固化剂进行细致调研，将双氰胺和硼化物两种潜伏型固化剂列入选择范围。

双氰胺具有良好的室温储存性，在100～130℃范围内可与环氧树脂迅速反应，但溶解性稍差，硼化物具有更为稳定的室温储存性，溶解性好，在150～180℃范围内可与环氧树脂迅速反应，其固化温度偏高，对施工加热设备有更高的要求。

为了调节潜伏型固化剂的固化特性，可以添加少量的促进剂，本文主要选择咪唑为双氰胺的促进剂。

随着双氰胺和咪唑用量
的增大，可以提高固化反应活性，但会降低潜伏性。

1.3 溶剂
由于热熔法预浸料对设备和树脂固化特性的要求较高，因此预浸料的制备主要选择溶剂法。

溶剂选择的依据主要是溶解性、毒性以及挥发性。

根据前面选择的树脂和固化剂类型，以常用的丙酮和乙醇为主。

这两种溶剂均属于无毒的类型，其中丙酮的溶解性较好并且有很高的挥发性，对提高预浸料的生产效率和复合材料固化质量的控制十分有利，乙醇极性高于丙酮，因此溶解性更为优异，具备较好的挥发性，但成本与丙酮相比略高。

根据对树脂和固化剂溶解的效果，可以将两种溶剂配合使用。

1.4 纤维布：采用日本东丽原产T700 单向布，纤维面密度为200g/m2和300g/m2两种。

2.湿缠绕法对材料的选用
2.1 采用UT70-30碳纤维布，粘结胶采用CZ-510碳纤维胶时的补强效果
在试验中的碳纤维布与环氧树脂粘贴胶必须有供应商配套提供，采用UT70-30碳纤维布，粘结胶采用CZ-510碳纤维胶，碳纤维布与粘结胶的主要技术参数见表1，表2。

得到以下结论：
(1)在同一内压的情况下，采用CFRP 补强技术后，管道缺陷处的环向应力有了明显的降低，可见，CFRP 加固效果明显。

(2)加固两层CFRP 比加固一层CFRP 效果明显。

表1. 碳纤维布的主要技术参数
表2. 粘结胶的主要技术参数。