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油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用

2013焦 第2期 管 技 术 Pipeline Technique 5 设 备 and Equipment 2013 No.2 油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用 李枢一 ,张建兴 ,赵丽恒 ,张宇坤 ,辛成庆 (1.中石化天然气榆济管道分公司,山东济南250101;2.浙江浙能石油新能源有限公司,浙江杭州310016) 摘要:随着管道完整性管理的应用和发展,开展管道修复受到了极大的关注。针对碳纤维复合材 料修复技术的现状,国内外公司都致力发展相应的碳纤维复合材料修复技术。通过实例介绍了碳纤维 复合材料修复技术应用于带有焊接补丁缺陷的天然气管道,取得较好的修复效果,使管道安全运行得 到了保证。 关键词:油气管道;碳纤维;补强;修复 中图分类号:TE88 文献标识码:B 文章编号:1004—9614(2013)02—0038—03 Application of the Carbon Fiber Composite Repair Technique to Oil and Gas Pipeline LI Shu—yi ,ZHANG Jian.xing ,ZHAO Li.heng ,ZHANG Yu-kun ,XIN Cheng—qing。 (1.Yulin・to-Jinan Gas Pipeline Company,Sinopec,Jinan 250101,China; 2.Zhejiang Oil and New Energy Company Limited,Hangzhou 310016,China) Abstract:With the application and development of Pipeline Integrity Management(PIM),people pay more and more atten— tion to how to repair defective pipeline economically and effectively.With regard to the situation of composite repair defeat pipe— line,the domestic and international researches on composite repair techniques are summarized.The defective gas pipeline with weld patches was successfully repaired by using the carbon fiber composite repair technique,which ensures the safety operation of gas pipelines. Key words:oil and gas pipeline;carbort fiber;strength rehabilitation;repair 0引言 随着对油气资源需求的不断增加,国内油气管道 事业快速发展。然而随着管道总长度的增加,由于外 力损伤、腐蚀、管材缺陷等原因 J,油气管道失效事故 频繁发生。许多早期建设的油气管道运行年限已接 近或超过其设计寿命,进入事故多发期。相关资料表 明 :国内早期投用的油气管道的爆裂事故高达7 —10 7欠/(km・a),每年用于更新和维修旧管道的费 用约占新建管道总投资的10%一20%,每年因外腐蚀 造成的管道更换率达到2.5%。因此,为了避免因管 道事故而造成的巨大损失,需要开展管道修复工作。 随着检测技术、检测设备和修复技术等的发展, 管道完整性管理也得到了发展。碳纤维复合材料修 复技术主要是利用碳纤维复合材料的高强度特性,采 用粘结树脂在缺陷管道上缠绕一定厚度的纤维层,树 脂固化后与管道结成一体,从而恢复缺陷管道的强 度。由于碳纤维复合材料修复具有不需动火焊接、工 收稿日期;2012—01—12 收修改稿日期:2012—10—21 艺简单、施工迅速、操作安全、可实现不停输修复,并 且成本相对较低等优势,已被管道行业普遍接受。 1997年,国外成功地将碳纤维复合材料修复技术应用 在埋地钢质管道上_4j。 1碳纤维复合材料修复技术 1.1碳纤维复合材料修复技术进展情况 随着复合材料的广泛应用,各国管道行业都致力于 发展这项新技术,主要有国外的Armor Plate、T.D.Wil— liamson、Neptune Research、3X Engineering、Furmanite等公 司和国内的北京安科管道工程科技有限公司等,相应开 发出Clock Spring、Armor Hate Pipe Wrap、Syntho-Glass 、 Black—Diamo玎dTM和AnkoWrap 等一系列复合材料修复 技术,这些修复技术在工程上都得到了很好的应用。这 些复合材料修复技术主要分为两大类型:分层法(Layered Systems)和湿缠绕法(Wet lay—up Systems)L5-61。 美国、英国和加拿大等编制了复合材料修复的相 关标准,在ASME B31.4和ASME B31.8以及美国运 输部(DOT)的管道安全规范中都有提及 

,同时又 第2期 李枢一等:油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用 39 制定了ASME PCC 2—2006((Repair of Pressure Equip— ment and Piping))和ISO/TS 248 17《Composite Repairs for Pipework}管道维修标准,来确保复合材料修复技 术能够安全且合理地修复受损管道。 国内外学者采用有限元数值模拟、爆破试验、理 论研究等方法对复合材料修复进行了大量了研究,取 得了一定的成果¨ ” 。 1.2复合材料修复的结构尺寸计算 管道在内压的作用下,其缺陷区域相对容易发生 局部鼓胀,当鼓胀达到一定程度时,就会导致缺陷管 道的失效。采用复合材料修复缺陷管道目的就是有 效地限制缺陷区域的鼓胀,降低管材的环向应力以及 缺陷区域的应变,恢复缺陷管道的强度。一般来说, 修复既要确保管材的应力或应变最小,低于可接受的 临界值,同时又要做到复合材料的使用量最少。 ASME PCC 2—2006和ISO/TS 24817中给出了复合材 料修复管道的具体指导方针,包括复合材料缠绕层最 小厚度和最小长度的计算方法 。 然而,对于含小缺陷的管道,采用解析法计算得到 的修复长度和修复厚度,可能造成复合材料用量偏多, 提高修复成本;而对于含缺陷较大的管道,则达不到安 全修复的要求,对于这一问题,目前已有学者采用有限 元模拟分析方法来阐明复合材料修复结构的承载机理, 使复合材料修复技术得到充分的发挥和应用 -171。 2应用案例 2.1管道缺陷类型 某条管道在投产清管期间,为了将卡在管道中的 清管器取出,在管道开了1个500 mm×700 mm的天 窗,之后采用补焊的方式将切割下来的材料作为补丁 补焊在天窗上,如图1所示。 

图1焊接补丁缺陷管道 2.2缺陷管道修复方案 为保证管道安全运行,减少安全隐患,经过安全 评估,决定采用碳纤维复合材料修复技术对其进行补 强修复。修复方案为环向缠绕,碳纤维缠绕层为8层, 补强宽度为1 m. 2.3施工步骤 (1)施工作业时,首先挖出缺陷管道,达到施工作 业所需要的空间。 (2)用砂布、钢丝刷等工具清除防腐层,直至清除 到钢管裸露部位,必要时用专用试剂进行清除。 (3)剥离防腐层后,利用无损检测进行探伤,并照 相存档。 (4)在确保钢管表面原有防腐涂层及氧化物清除 后,用丙酮等试剂清洗钢管表面,并使其充分干燥。 (5)将填平树脂涂刷于钢管表面缺陷部位及焊缝 根部两边,使缺陷部位表面平整,将粘浸胶涂刷到需 要补强的管道区段,在底层粘贴绝缘纤维片,然后在 绝缘纤维片上继续粘贴裁剪好的碳纤维片,应除去纤 维片和树脂之间的气泡,确保没有空鼓现象。完成碳 纤维片缠绕后,在外层纤维上再涂刷一层粘浸胶,继 续重复缠绕碳纤维片,最终缠绕8层。 (6)在碳纤维片粘贴完成后,采用粘弹体防腐带 对该区域进行重新防腐,最后在外层缠绕冷缠带。 (7)修复施工完成后,作业区域的树脂需要固化, 一般固化时间为1—3天,固化后就可以进行管沟回 填,恢复地貌。 2.4施工验收 由于油气管道的特殊性,在验收中,应尽量采用 非破坏性方法进行验收,即在施工过程中以及施工结 束后,对基体钢管、复合材料补强层与基体钢管的粘 接性能及复合材料补强层3个方面进行检查,经过验 收为合格。如果没有达到验收要求,可以考虑把整个 补强层剥离,重新安装新的补强层,也可以对补强层 进行局部切除,再进行局部修复。 3结束语 综上所述,碳纤维复合材料修复因其具有带压不 停输修复、使用寿命长、工艺简单、操作安全、无须大 型设备等优点,是目前发展较快的管道修复技术。在 20世纪90年代初,国内就开始进行复合材料防腐技 术和产品的开发,并在临濮线上开展了一系列试验。 近年来,碳纤维复合材料修复技术在陕京输气管道、 西气东输管道、秦京输油管道等油气管道上得到了广 泛的应用。 参考文献: [1]冯耀荣,王新虎,

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