申夢嶺

(核工業(yè)工程研究設計有限公司,北京，101300）

據統(tǒng)計，2017年8月以前的中國陸上石油和天然氣管道總長度達到120000 km，原油管道23000 km，成品油管道21000 km，天然氣管道7.6 km。 西氣東輸，北洋南油氣，海陸交通基本形成。在鋪設和使用石油和天然氣管道的過程中，由于現場條件惡劣，各種類型的缺陷是不可避免的。近幾十年來，由于國內外管道斷裂的發(fā)生，管道缺陷造成的缺陷更加嚴重，典型的是2013年青島輸油管道爆炸事故。事故原因是由管道的稀釋腐蝕和管道破裂導致原油滲漏至市政排水涵管。在狹窄的空間里，內涵隧道內的油氣爆炸造成火花爆炸。

1 油氣管道裂紋的修復技術效果比較

1.1 傳統(tǒng)修復技術

傳統(tǒng)修復技術管替代方法是成本非常高的，而且要停運施工前的管道輸送的介質，不僅會影響管道的正常運行也造成了很大的環(huán)境污染和資源浪費，因為大部分的介質是易燃或可燃，在焊接法施工安全風險高。對于套筒式夾具的修理，由于自身重量的原因，往往需要大型吊裝設備來進行施工過程的修復。管道所在的地理環(huán)境，造成施工通常比較困難。

1.2 復合材料修復技術

復合材料修復技術的優(yōu)點就是 “不動火不停輸”，它已被越來越多地應用于管道缺陷修復。復合材料修復技術采用增強纖維和基體樹脂在管道外部形成復合材料增強層，共同承擔管道下的負荷，限制管道缺陷內部壓力引起的徑向膨脹和拉力，從而實現加強缺陷修復，恢復管道的正常承載能力。復合材料補強技術修復管道包括：長輸管道、工藝管道、集輸管道、城市管網、金屬、非金屬和復合材料管道、埋里或架空管道、直管及彎管、大小頭、三通等異型管件。用復合加固技術修復缺陷如下：①腐蝕，裂紋，氫損傷，焊接缺陷，幾何缺陷和材料缺陷;②機械損傷（凹痕，凹槽，磨損等）;③內部腐蝕管的暫時增強;④加固加強無壓力管道;⑤整個管段的單點腐蝕加固或大面積腐蝕加固。

復合加固技術的優(yōu)點如下：①無焊接，不起火，在壓力下運行時可修復。②施工簡單快捷，不需要吊裝設備，施工空間低，施工時間短，施工可在2～3 h內完成。③玻璃纖維的彈性模量非常接近鋼的彈性模量。對復合材料盡可能加載管道壓力是有利的，以減少有缺陷的管道的應力水平并限制管道的膨脹和變形。④玻璃纖維拉伸強度高，管道修復安全性高。⑤玻璃纖維的斷裂伸長率為1.7%。即使增強管發(fā)生塑性變形，復合材料也處于安全范圍內。⑥玻璃纖維復合材料增強層厚度小，便于后續(xù)防腐處理，同時也減小了土壤移動引起的軸向滑動力。⑦濕纏繞，敷設方式靈活，可增強周向和螺旋焊縫的缺陷，包括焊縫殘余高度高，錯邊嚴重，還可加強對不規(guī)則管道的修補。⑧施工溫度范圍：-15～180℃，可在各種環(huán)境條件下（濕，多雨，風沙）施工。⑨玻璃纖維復合材料的抗蠕變性能優(yōu)良，其強度隨著使用時間的增加而不變。⑩在水介質中，玻璃纖維復合材料的性能穩(wěn)定。

因此，纖維增強復合材料修補方法已成為管道缺陷修復技術的新方向。然而，作為一種新的油氣管道修復技術的類型，此修復方法也存在許多問題，如彈性模量、熱膨脹系數和強度之間的各種復合材料和管道用鋼纖維增強復合材料管道修復技術參數的差異對修復效果的具體影響有待研究。

2 纖維增強復合材料修復方案概述

2.1 纖維增強復合材料修復方案的選材

目前，纖維增強復合材料修復技術常用的原材料主要是增強纖維和基體樹脂。 另外，只有一種修補劑（填充體積缺陷，焊接高度）和環(huán)氧底漆（用于碳纖維布修補和管道絕緣）時，僅用于某些場合的修補。

（1）常用的基體樹脂

由于管道的施工和維修條件往往比較嚴格，對纖維增強復合樹脂基體提出了更高的要求。在正常情況下，樹脂基體應具有良好的低溫/高溫性能，耐腐蝕性能，與金屬/非金屬有良好的結合性能，固化性能好，無毒無揮發(fā)性，且要具有良好的拉伸強度，彎曲強度，剪切強度，抗沖擊性能好等。當滿足上述條件時，還應考慮價格因素。

在現有的常應用到的樹脂基體包括環(huán)氧樹脂、改性環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂等幾類樹脂。這幾種基體中，環(huán)氧樹脂的應用是最為廣泛的一種，這主要是因為其工藝性好、與金屬管粘接性好、力學性能優(yōu)良。

（2）常用的增強纖維

作為纖維增強復合材料的增強材料，最常用的纖維織物大致能夠分為三類：碳纖維織物，玻璃纖維織物和芳族聚酰胺纖維織物。盡管研究結果表明碳纖維復合材料對管道有良好的修正作用，但修正金屬管道時，碳纖維織物具有導電性，易與管道發(fā)生電化學腐蝕，碳纖維復合材料的修理費用約為玻璃纖維復合材料的4倍;而高功能碳纖維布在一定程度上依然依靠進口。相反，玻璃纖維布是一種絕緣材料，在油氣管道修理時沒有電化學腐蝕問題。作為玻璃纖維布的第四大出產商，玻璃纖維布在中國有著悠長的生產歷史，工藝成熟，出產便利，性能穩(wěn)定，操作簡單，成本低廉。

2.2 纖維增強復合材料修復方案施工流程

纖維增強復合材料改性工藝通常包括：①挖掘；②管道處理（除掉舊保護層，從表面除掉油脂，水漬和氧化皮）；③除銹（一般分為化學除銹和機械除銹，去除 氧化層位于管道外側，使管道呈金屬光澤）；④外觀處理（填充物填充平面缺陷，并選用機械辦法改善管道粗糙度校對截面，提高界面粘接功能）；⑤底漆；⑥蘸有橡膠圍布的纖維布/復合卷材膠涂層盤繞防護層；⑦測驗和其他工藝。

2.3 纖維增強復合材料修復效果評析

從修補層寬度對纖維增強復合材料增強作用的影響來看，修正層越寬，修正作用越好。纖維增強復合修正層的寬度具有最佳值。如果修正的寬度大于或小于此值，修正作用將會降低。但是，纖維增強復合材料的寬度對最佳值兩邊的一定范圍內的修正作用幾乎沒有影響。為了消除材料性能、外表粗糙度和手工結構上的差異，纖維增強復合材料的寬度可在范圍內調整和修正，以保證修正作用，同時保持滿足的安全裕度。但是，隨著纖維增強復合材料修正層數量的添加，單層增量對修補和增強效應的影響逐漸減小，終究穩(wěn)定在一個很小的值。因此，當纖維增強復合材料用于修正具有圓周外表裂紋的油氣管道時，有必要歸納考慮修正作用與修正成本之間的關系，以完成最佳修正效率。在粘合層模量對纖維增強復合材料的增強作用的影響中，粘合層的增強作用隨著粘合層的模量的添加而增加。但是，材料修正和加固的影響很小。根據模擬結果，粘合層的厚度十分小，并且當粘合層模量從1.49 GPa添加到7.45 GPa時，修正作用的變化小于1%。因此，不需要追求過高模量的膠粘劑。

3 管道裂紋修復案例及有限元分析

3.1 案例概況

在西部管道組織的例行查看中，發(fā)現機械損壞發(fā)生在烏蘭管道的某處。管道的外徑為559 mm，管道的正常壁厚為10 mm。管道外表頂部有一個機械損傷洼陷。洼陷深度為15 mm，洼陷外緣直徑約為200 mm。在缺點處丈量管壁厚度標明管洼陷的管壁變薄并且厚度減少約2 mm。

有關部門決定選用碳纖維復合加固技術對該管道進行修正。修正計劃是首先用流平樹脂填充和修正洼陷，然后再將高強度碳纖維復合材料纏繞。

在加強方案確定后，使用有限元剖析軟件進行驗證。

首先，計算無缺點管受到內壓時管壁的應力散布。當管道完好，內部壓力為3 MPa時，管道內的圓周應力為83.85 MPa。建立一個有限元模型來剖析程序。在有限元模型中，模擬了下垂。為了便于建立模型，只有八分之一的管線用于建立模型。在有限元模型中，鋼的彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，屈從強度為450 MPa。管道中的操作壓力設置為3 MPa。碳纖維復合材料增強層數為6層?；谏鲜鰲l件，計算出未加強管的環(huán)向應力和加固后管道中的環(huán)向應力散布。

從計算結果能夠看出，未加筋的管道垂度邊緣存在嚴重的應力集中。當壓力為3 MPa時，環(huán)向應力的最大值達到322 MPa，遠遠超過管材的環(huán)向應力。而且這個應力值現已接近鋼的屈服強度。當管道內部壓力波動時，在疲勞載荷的作用下，容易在應力會集區(qū)域形成疲勞損傷。沒有加強處理，洼陷中的壁厚可能會繼續(xù)減小，使得管道處的應力會集更加嚴峻。

選用碳纖維復合材料加固技術，管道中的環(huán)向應力顯著減小，最嚴峻區(qū)域的環(huán)向應力為164 MPa。該應力值低于鋼的屈從強度，而管變形仍處于彈性變形范圍內。管道加固后，管壁應力會集將大大緩解，管道將處于安全應力范圍內。

補強方案確定后的施工流程為：

①對管道外表面進行預處理，清除防腐層；

②使用電動除銹工具打磨管道表面，達到St3級的除銹要求；

③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；

④在凹陷處涂抹填平樹脂，修補至缺陷部位表面平整；

⑤填平樹脂初步固化后，纏繞高強度碳纖維復合材料，確保復合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數為6層；

⑥對補強區(qū)域進行防腐處理，然后回填。

上述含缺陷管道修復補強后，恢復了管道的正常運行壓力，效果良好。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元模型

管道單元選用SOLID95,3D20節(jié)點結構的六面體實體單元，具有塑性，蠕變，膨脹，應力加強，變形量大，應變大的特點;由于協(xié)調位移函數，SOLID95單元能夠很好地習慣曲線鴻溝?；谠搯栴}的根本假設和對稱性，建立了一個帶圓周裂紋缺點的14管有限元模型，如圖1所示。

圖1 含裂紋缺陷管道有限元模型Fig.1 A finite element model of a pipe with cracks on surface

表1 管道缺陷參數與失效壓力Tab.1 Pipe defect parameters and failure pressures

3.2.2 結果分析

（1）表觀CTOD韌度的影響

CTOD的尺寸反映了抗裂資料的能力。CTOD值越大，裂紋頂級資料的抗裂性越好，即耐性越好。相反，耐性更差。圖2顯示了CTOD延性損壞壓力的影響。可以看出，管材的極限拉伸應變與CTOD耐性的增加大致呈線性關系，證實材料具有杰出的耐性和杰出的抗裂性；管道的損壞壓力逐漸增加。 CTOD耐性也不同，表明在拉伸載荷作用下，材料耐性好，抗變形能力更強。與脆性材料比較，塑料柜在損壞前會有較長的塑性變形階段。因而，管道的設計和施工對焊接材料和管道的強度和耐性有重要影響，與管道的承載能力相匹配。

圖2 表觀CTOD韌度對失效壓力的影響曲線Fig.2 Effect of apparent CTOD toughness on failure pressure

圖3 管徑對失效壓力的影響曲線Fig.3 Effect of pipe diameter on failure pressure

（2）管徑的影響

從圖3中能夠看出，當管徑逐步增大時，直徑與厚度的比值也逐步增大，管道破壞壓力逐步下降。

（3）壁厚的影響

拉伸應變極限與缺陷的縱橫比和深度比有關，拉伸應變極限隨壁厚而改變，而其他參數不變。圖4顯現了壁厚對失效壓力的影響。從圖中可以看出，當壁厚增加時，環(huán)中缺陷的長度和深度按份額增加，管道的失效壓力也近似線性增加。

圖4 壁厚對失效壓力的影響曲線Fig.4 Effect of pipe thickness on failure pressures

（4）缺陷長度的影響

圖5 缺陷長度對失效壓力的影響曲線Fig.5 Effect of crack length on failure pressures

圖5 顯示缺陷長度對破壞壓力的影響。從圖中能夠看出，隨著缺陷長度的增加，拉伸應變極限和管道損壞壓力逐步降低。應變降低極限逐步減小。管道失效曲線有一個重要的轉折點。當縱橫比小于4時，失效壓力變化較小。當縱橫比大于4時，失效壓力下降變得越來越快。能夠看出，經過一定長度的周向裂紋缺陷后，管道承載能力的衰減明顯。 因此，應嚴格控制焊接施工的質量，避免發(fā)生裂縫，特別是長裂縫的發(fā)生。

4 結語

當前我國復合管缺陷的修復具有非常寬廣的使用前景。相關技術標準，相應的施工技能研究，配套施工設備研究，相應的剖析辦法和模仿技能仍處于發(fā)展階段。 期望隨著對管狀缺陷修復的需求不斷增加，我們可以進一步開發(fā)復合修復技術，豐富管道修正技術的種類，進步管道修復技術水平。