陳慶

【摘 要】對(duì)于長(zhǎng)輸石油化工壓力管道，管線的建設(shè)實(shí)質(zhì)上是一項(xiàng)大規(guī)模的焊接成型和長(zhǎng)距離焊接安裝的過(guò)程。由于埋地石油化工壓力管道具有輸送距離比較長(zhǎng)，管徑比較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，管線在施焊時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生一些焊接缺陷。論文主要對(duì)石油化工壓力管道的缺陷做了原因分析，并針對(duì)粘貼纖維復(fù)合材料修復(fù)方法做了重點(diǎn)的探討和闡述。

【關(guān)鍵詞】石油化工；壓力管道；缺陷

0 引言

石油化工壓力管道是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的特種設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于石油化工、能源、冶金、電力、環(huán)保、航空、醫(yī)藥食品等領(lǐng)域，承擔(dān)著輸送石油天然氣、高溫高壓、易燃易爆及劇毒、有腐蝕性或放射性物料介質(zhì)的任務(wù)，已成為與鐵路、公路、水路、航空運(yùn)輸并列的運(yùn)輸方式之一。由于埋地石油化工壓力管道具有輸送距離比較長(zhǎng)，管徑比較大等特點(diǎn)，管線在施焊時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生一些焊接缺陷。其中錯(cuò)邊和不同心缺陷是長(zhǎng)輸石油化工壓力管道在現(xiàn)場(chǎng)組焊過(guò)程中不可避免出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象。它們的存在破壞了管道的連續(xù)性，造成了應(yīng)力集中，這些易產(chǎn)生缺陷的焊縫接頭處的性能對(duì)整條管線的使用壽命和安全可靠性起著至關(guān)重要的作用。

1 石油化工壓力管道的缺陷及原因分析

1.1 缺陷的分類

（1）石油化工壓力管道缺陷按照其形成的原因分類

石油化工壓力管道缺陷按照其形成的原因分類，可分為焊接缺陷和腐蝕缺陷。

焊接缺陷可分為七大類：裂紋、氣孔、固體夾雜、未熔合、未焊透、形狀缺陷、其他缺陷。細(xì)化一下焊接缺陷的種類有：未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、焊瘤、燒穿、偏析、未填滿、焊縫裂紋等等。

腐蝕缺陷是指管道長(zhǎng)期使用中不可避免出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象。常見的腐蝕形態(tài)有點(diǎn)腐蝕、局部腐蝕、均勻腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫損傷等。腐蝕缺陷對(duì)管道的強(qiáng)度及承載能力都有影響，而且腐蝕的產(chǎn)生增大了腐蝕檢修率，降低設(shè)備的更換周期，甚至?xí)蓴_整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）缺陷按照在焊縫中存在的位置分類

缺陷按照在焊縫中的位置分類，可分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷。

外部缺陷是指缺陷位于焊縫的外表面，用肉眼或放大鏡即能看到。內(nèi)部缺陷是指缺陷位于焊縫內(nèi)部，用探傷技術(shù)或破壞性試驗(yàn)進(jìn)行檢修查看。

外部缺陷有：咬邊、焊瘤、表面氣孔和裂縫、弧坑，焊縫尺寸不符合要求；內(nèi)部缺陷有：未焊透、塌陷、氣孔、裂縫，夾渣。

（3）缺陷按照其幾何形狀分類

缺陷按照幾何形狀分類，可分為體缺陷和面缺陷。

1.2 形成缺陷的原因分析

形成焊接缺陷的原因可總結(jié)歸納為五大因素：人為因素、設(shè)備因素、材料因素、焊接方法因素、環(huán)境因素。

人：人是最主要的因素，由于電焊工技術(shù)素質(zhì)情況、焊接技術(shù)存在的陋習(xí)或責(zé)任心不強(qiáng)等原因造成了焊接缺陷：

機(jī)：有些電焊機(jī)沒有安裝相應(yīng)的儀表，有些儀表的數(shù)值也存在不準(zhǔn)確不能作為參考，因而這種情況下要嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求是難的；

材料：鋼板和焊條沒有進(jìn)行相應(yīng)的除油、除銹工序；

方法：工藝評(píng)定覆蓋面不大，出現(xiàn)自焊、互焊，材料代用的情況，應(yīng)根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；

環(huán)境：環(huán)境因素會(huì)影響焊接質(zhì)量，如焊接風(fēng)速、濕度、雨雪天氣等，這些因素往往是不能忽視的，有些規(guī)定明確標(biāo)出環(huán)境影響級(jí)別。

2 粘貼纖維復(fù)合材料修復(fù)石油化工壓力管道缺陷的方法探討

纖維復(fù)合材料修復(fù)鋼質(zhì)輸送管道技術(shù)主要思路是通過(guò)粘接樹脂將復(fù)合材料包裹在管道外側(cè)，利用復(fù)合材料的高強(qiáng)度性能特點(diǎn)，來(lái)恢復(fù)缺陷管道的服役強(qiáng)度。由于不需要焊接，避免發(fā)生冷脆、氫脆及焊穿的風(fēng)險(xiǎn)，該方法已得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 玻璃纖維材料修復(fù)

目前，由于玻璃纖維的強(qiáng)度低，大多數(shù)是制造成一定厚度的半成品，施工時(shí)，采用干法纏繞。若用玻璃纖維材料來(lái)修復(fù)管道，只有當(dāng)管道發(fā)生很大的塑性變形時(shí)，才能將應(yīng)力值傳遞至補(bǔ)強(qiáng)的玻璃纖維材料，效果不是很明顯。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，玻璃纖維的強(qiáng)度隨之降低。

2.2 碳纖維材料修復(fù)

由于碳纖維的抗拉強(qiáng)度非常高、柔韌性非常好，在施工現(xiàn)場(chǎng)大都采用濕法纏繞。能與鋼管協(xié)調(diào)變形，其強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)基本上保持不變。碳纖維價(jià)格降低，再加上它具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高、耐高溫、厚度薄、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)玻璃纖維修復(fù)技術(shù)。

2.2.1 CFRP 加固補(bǔ)強(qiáng)原理

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)是利用補(bǔ)強(qiáng)纖維和基體樹脂在管道外形成復(fù)合材料增強(qiáng)層，來(lái)分擔(dān)管體承受內(nèi)壓，降低管道由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力及徑向膨脹，并且限制缺陷處的應(yīng)力集中，從而達(dá)到對(duì)缺陷管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的目的，以此來(lái)恢復(fù)管道的正常運(yùn)行能力。由于碳纖維絲很難共同工作，當(dāng)承受較低的荷載時(shí)，應(yīng)力水平較高的碳纖維絲就會(huì)達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，隨之退出工作，以此類推，各碳纖維絲逐步斷裂，直到碳纖維布整體破壞。而粘接膠不但能提高碳纖維布的抗拉強(qiáng)度；而且又能確保碳纖維布與結(jié)構(gòu)共同工作，提高結(jié)構(gòu)的抗剪、抗彎承載能力，從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)、加固的目的。

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)，首先是利用特有的填平樹脂對(duì)缺陷處進(jìn)行填平處理，固化后的填平樹脂可達(dá)到抗壓強(qiáng)度為 100MPa 的優(yōu)異性能。其次，包裹碳纖維布、涂刷環(huán)氧樹脂。碳纖維布與固化后的環(huán)氧樹脂生成碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層，具有較高的抗拉強(qiáng)度，通過(guò)填平樹脂以及自身與管道的膠結(jié)力來(lái)傳遞內(nèi)壓，能夠限制管道徑向變形產(chǎn)生的環(huán)向壓力，并且分擔(dān)管道的內(nèi)壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷管道的補(bǔ)強(qiáng)、加固。

2.2.2 CFRP 的施工工藝及特點(diǎn)

基本的施工工藝為：現(xiàn)場(chǎng)開挖→剝離、清除防腐層→管道表面清理→基層處理→缺陷填平處理→涂刷粘接膠→粘貼碳纖維材料→端口及補(bǔ)強(qiáng)層防護(hù)→作業(yè)區(qū)域固化→土壤回填復(fù)原。

它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在修復(fù)管道領(lǐng)域中，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）免焊不動(dòng)火，可在帶壓狀態(tài)下進(jìn)行修復(fù)。

（2）施工操作簡(jiǎn)單，不需要大型吊裝設(shè)備，操作時(shí)間短，2 小時(shí)左右即完工。

（3）碳纖維的彈性模量與母材（鋼）的彈性模量極為接近，這樣有利于 CFRP盡可能承載多的管道壓力，降低管道缺陷處的應(yīng)力集中，限制了管道的徑向變形。

（4）該法采用濕法纏繞，其鋪設(shè)方式比較靈活。應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)螺旋焊縫、環(huán)焊縫、三通、彎管、大小頭等不規(guī)則的管件都可進(jìn)行修復(fù)。

（5）碳纖維最主要的特點(diǎn)是其抗拉強(qiáng)度高，修復(fù)管道安全性極高。

（6）碳纖維的伸長(zhǎng)率≥1.7%。即使缺陷管道發(fā)生塑性變形，碳纖維仍處于安全范圍。

（7）碳纖維布厚度薄，方便于防腐處理，降低了由于土壤運(yùn)動(dòng)形成的軸向滑脫力。

（8）可在各種環(huán)境（陰雨、風(fēng)沙、潮濕）下施工，其施工溫度范圍廣。

（9）CFRP 抗蠕變性能好，隨著時(shí)間的增加，其強(qiáng)度基本保持不變。

（10）在有水介質(zhì)中，CFRP 性能穩(wěn)定；CFRP 不僅可用于多種缺陷的修復(fù)，還可用于提壓增強(qiáng)整個(gè)管段。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油化工壓力管道的數(shù)量增長(zhǎng)很快，一些在役的石油化工壓力管道由于存在原始的和在使用過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，有的嚴(yán)重威脅了生命和財(cái)產(chǎn)的安全性。管道的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)是延長(zhǎng)管道使用壽命和保證其完整性的重要手段。雖然每種方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但從總體來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料修復(fù)方法的綜合性能最好，是應(yīng)用前景最為廣泛的修復(fù)技術(shù)。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]