李寶榮張建昌許忠偉王立濤王 勃曾維國(.中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏 銀川 750000 .中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 00000）

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碳纖維修復(fù)管道的水壓試驗以及模擬驗證

李寶榮1張建昌1許忠偉1王立濤1王 勃1曾維國2
(1.中國石油長慶油田分公司第三輸油處，寧夏 銀川 750000 2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100000）

摘 要：針對碳纖維復(fù)合材料對含缺陷管道的修復(fù)能力，專門設(shè)計了水壓爆破試驗；在水壓試驗中管道加壓破裂的位置并未出現(xiàn)在修復(fù)區(qū)內(nèi)，且修復(fù)區(qū)內(nèi)管道變形量較小。接著，對加壓過程進(jìn)行了有限元模擬，經(jīng)過模擬驗證發(fā)現(xiàn)，兩者承受的極限壓力基本一致，并且在極限狀態(tài)下，修復(fù)區(qū)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力值未超過其拉伸破壞強度。最終通過對比得出：碳纖維復(fù)合材料能有效地修復(fù)管道缺陷，恢復(fù)缺陷處的承壓能力。

關(guān)鍵詞：管道 碳纖維復(fù)合材料 修復(fù) 水壓試驗 模擬驗證

李寶榮（1965-），陜西人，本科，高級工程師，長期從事科技管理、基層建設(shè)與管理工作。

0 前言

近些年，我國油氣管道里程不斷增加，初步形成了“橫貫東西，縱貫?zāi)媳薄钡墓艿肋\輸網(wǎng)。然而，隨著油氣管道在役時間的增加，再加上敷設(shè)地區(qū)周圍環(huán)境復(fù)雜多變[1]，許多管道由于機械損傷或金屬腐蝕等原因，形成了各種各樣的管體缺陷，這些缺陷的存在會嚴(yán)重影響油氣管道的運行安全[2]，導(dǎo)致泄漏、爆裂事件的發(fā)生。因此采取合適有效地的措施對管體缺陷進(jìn)行修復(fù)，以預(yù)防事故發(fā)生尤為重要。針對管體缺陷主要的修復(fù)措施包括：焊瘤補疤、套管、夾具、玻璃鋼補強、碳纖維補強等[3]，其中碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)因其具有不停輸、不動火、不需焊接、耐腐蝕、施工方便等一系列特點[4]，逐漸成為國內(nèi)外廣泛使用的一種新型補強技術(shù)。下面，將利用水壓試驗和有限元模擬驗證相結(jié)合的方法[5]，測試含缺陷管道采用碳纖維復(fù)合材料補強后的承壓能力[6]，分析其補強效果，為碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 水壓試驗

由于目前所有補強技術(shù)修復(fù)的缺陷只能為非擴展型缺陷，對于疲勞損傷等引起的擴展型缺陷，不建議修復(fù)，而是直接換管，所以選用容易加工的機械缺陷來進(jìn)行水壓試驗。

試驗選取管材為Q235的鋼管，其基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)：屈服強度為235MPa，抗拉強度為428MPa，彈性模量取203GPa，泊松比為0.3。管道長度6m，規(guī)格為426×8mm。在該試驗管段加工一環(huán)向機械切割缺陷，缺陷的環(huán)向長度為58.2mm，寬度為1mm，深度為4.6mm，距離管道一端0.7m，缺陷形狀尺寸如圖1所示。

圖1 水壓試驗管道的機械缺陷

對于加工好的機械缺陷，首先需要進(jìn)行打磨，在打磨完成以后，再次核準(zhǔn)缺陷的深度和長度，并清潔缺陷表面，保證光潔；接著采用膩子對缺陷處填平，涂抹粘膠劑；最后，使用碳纖維復(fù)合材料對水壓試驗管道的缺陷進(jìn)行纏繞修復(fù)，修復(fù)方案選取基于管道的許用應(yīng)力設(shè)計復(fù)合材料修復(fù)厚度的方法[7]。試驗中選用PerpeWrap?ST85雙向碳纖維復(fù)合材料修復(fù)系統(tǒng)，其軸向設(shè)計應(yīng)力為382MPa，環(huán)向設(shè)計應(yīng)力為740MPa。

通過計算得到的缺陷管段環(huán)向修復(fù)層數(shù)為5層，軸向修復(fù)層數(shù)為1層，修復(fù)長度300mm。在進(jìn)行試驗前，對試驗管道兩端采用焊接封堵。在距離修復(fù)位置較遠(yuǎn)端的封頭設(shè)計注水管進(jìn)行加壓，如圖2所示。并在管道加壓泵出口處安裝壓力表，用于監(jiān)控加壓過程中管道內(nèi)壓變化情況。

實驗開始后，隨著壓力的不斷上升，當(dāng)大約14MPa時，試驗管段中間位置開始出現(xiàn)鼓脹；繼續(xù)加壓，鼓脹程度加大，當(dāng)加壓達(dá)到峰值，約15.2MPa時，鼓脹最為嚴(yán)重；隨后壓力值出現(xiàn)下降趨勢，在壓力為14.9MPa時，管道在鼓脹最嚴(yán)重區(qū)開始起裂，裂紋沿軸向擴展；當(dāng)擴展穿過鼓脹區(qū)，在鼓脹與未鼓脹的邊界位置處，裂紋擴展方向發(fā)生變化，偏轉(zhuǎn)角度約45°，繼續(xù)擴展直至止裂。水壓試驗管道的鼓脹和破裂位置如圖3所示。

圖2 碳纖維纏繞修復(fù)后的含缺陷試驗管道

從圖3中可以看出：管道開裂位置并未發(fā)生在管道缺陷修復(fù)區(qū)內(nèi)，且在整個加壓過程中，缺陷修復(fù)區(qū)域的管道變形量都很小。

圖3 試驗管道的鼓脹與破裂

2 模擬驗證

為了進(jìn)一步研究管道缺陷修復(fù)處在加壓過程中的應(yīng)力響應(yīng)情況，采用有限元方法模擬試驗管道的加壓過程，由于試驗管道、缺陷和修復(fù)區(qū)都具有對稱性[8]，取所建管道、缺陷和修復(fù)區(qū)有限元模型的二分之一進(jìn)行分析，如圖4所示，單元選用C3D8R，管道和碳纖維材料的幾何尺寸、力學(xué)性能與水壓試驗完全相同。

對有限元模型進(jìn)行加載，觀察管道缺陷修復(fù)區(qū)域管體與修復(fù)材料的應(yīng)力變化情況以及極限狀態(tài)下的承壓能力。隨著內(nèi)壓的不斷增大，管道缺陷修復(fù)區(qū)的應(yīng)力明顯低于其它區(qū)域，在修復(fù)區(qū)與未修復(fù)區(qū)交接處，存在半個管徑的應(yīng)力過渡區(qū)。

當(dāng)加壓到16MPa的極限狀態(tài)，試驗管道的Mises應(yīng)力狀況如圖5所示。從圖5中可以看出：管道修復(fù)區(qū)由于受到碳纖維復(fù)合材料的約束，變形量明顯小于未修復(fù)區(qū)。同時，在極限狀態(tài)下，未修復(fù)區(qū)管道的Mises應(yīng)力值達(dá)到400MPa，遠(yuǎn)超過管材的屈服強度235MPa，接近管材的抗拉強度428MPa；而修

復(fù)區(qū)管道的Mises應(yīng)力才剛剛超過屈服強度，在240-290MPa之間，并且修復(fù)區(qū)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)力值也未超過其設(shè)計應(yīng)力。

圖4 水壓試驗的有限元模型圖

圖5 試驗管道極限狀態(tài)下的Mises應(yīng)力云圖

圖6為試驗管道在極限狀態(tài)下的環(huán)向應(yīng)力云圖，在極限內(nèi)壓下，修復(fù)區(qū)管道受到碳纖維材料的保護(hù)，其環(huán)向應(yīng)力明顯低于未修復(fù)區(qū)管道的環(huán)向應(yīng)力，平均值為300MPa左右，最大值約為380MPa，主要原因是缺陷處應(yīng)力集中所致；同時碳纖維復(fù)合材料的環(huán)向應(yīng)力在200MPa左右，遠(yuǎn)低于其設(shè)計壓力740MPa。而此時，未修復(fù)區(qū)管道的環(huán)向應(yīng)力已達(dá)到426MPa，幾乎等于管材的抗拉強度。

3 結(jié)論

通過水壓試驗與有限元模擬驗證，可以得出：碳纖維復(fù)合材料能夠有效地修復(fù)管道缺陷，修復(fù)后的管道可以基本恢復(fù)承壓能力。不過，在實際工程中，管道的缺陷類型、缺陷尺寸、缺陷位置以及現(xiàn)場修復(fù)情況等，都可能影響的到碳纖維復(fù)合材料的最終修復(fù)效果。

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圖6 試驗管道極限狀態(tài)下的環(huán)向應(yīng)力云圖

中圖分類號：TE973

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.019.02

Hydrostatic Test and Simulation Verification of Pipeline with Carbon Fiber Repair

LI Bao-rong, ZHANG Jian-chang, XU Zhong-wei, WANG Li-tao,WANG Bo,ZENG Wei-guo
(1.National Petroleum Corporation，Yinchuan 750000, China 2.The third oil-transport department of Changqing oil feild,Beijing 100000,China )

Abstract：Aimed at the repairing ability of the carbon fiber composite materials for the pipeline containing defects, the hydrostatic test is specially designed.In the process of the hydrostatic test, the rupture position does not appear in the repair area, and in the repair area the pipeline deformation is small.Next, the finite element simulation of the pressuring process has been carried on, which shows that the extreme pressure of the pipeline is basically identical in both cases, and under the limit state, the stress value of carbon fiber composite materials in the repair area is not more than the tensile failure strength.Eventually, by comparison the conclusion is obtained: The carbon fiber composite materials can effectively repair pipeline detects and restore the bearing capacity of the pipeline containing detects.

Keywords:pipeline; carbon fiber composite materials; repair; hydrostatic test; simulation verification