明連勛，姚登樽，范玉然，郭 磊，劉 翼，蘇子建

（1.中國石油西氣東輸管道分公司科技信息中心，武漢 430073；2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊 065000；3.中國石油天然氣油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北 廊坊 065000）

0 前 言

截至2016 年，中國陸上長輸油氣管道總里程約 12.4×104km，其中原油、成品油、天然氣管道分別占總里程的24%、19%、57%。 中國已經(jīng)形成三縱四橫、連通海外、覆蓋全國的油氣管網(wǎng)，油氣管道已成為中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的能源安全生命線[1]。 隨著國內(nèi)管道總長度的增加，由于外力損傷、腐蝕、管材缺陷等原因，管道運輸安全受到威脅[1-7]。 尤其近兩年來，中石油加大了對所轄長輸管道的質(zhì)量排查，通過排查發(fā)現(xiàn)了大量的管道缺陷，為了避免管道事故造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡及生態(tài)環(huán)境破壞，急需開展管道缺陷修復(fù)工作。

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)由于其適用范圍廣、輕質(zhì)高強、抗腐蝕、施工簡便等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為缺陷管道修復(fù)技術(shù)的優(yōu)選方法[1-6]。 國外最早于20 世紀(jì)90 年代開始使用復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)有二十多年的時間。 隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，各國管道行業(yè)都致力于發(fā)展這項新技術(shù)，國外主要有Armor Plate、T.D.Williamson、Neptune Research、3X Engineering、Furmanite 等公司，開發(fā)出 Clock Spring、Armor Plate Pipe Wrap、Syntho-Glass、Black-DiamondTM等一系列管道修復(fù)用復(fù)合材料[7-8]，這些修復(fù)技術(shù)在管道工程上都得到了很好的應(yīng)用。 國內(nèi)從20 世紀(jì)90 年代初，北京科技大學(xué)最早開發(fā)和使用了該項技術(shù)，并在陜京管線得到成功使用。 目前，國內(nèi)各大管道運營公司已將復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)作為管道缺陷修復(fù)的常規(guī)手段。

然而，國內(nèi)復(fù)合材料修復(fù)普遍采用濕纏繞法施工。 該方法最早由美國研究，第一個該類型產(chǎn)品為STRONGBACK，是將高強芳綸纖維現(xiàn)場浸漬在基樹脂中，制成纏繞帶纏繞到管道缺陷上，固化后起到補強修復(fù)效果。 該方法具有成本低、施工便捷、不受結(jié)構(gòu)形狀限制的特點。 但該方法在應(yīng)用過程中，由于現(xiàn)場人工涂刷膠液，容易存在纖維浸潤不充分、含膠量不均勻、易受濕度/沙塵影響等，導(dǎo)致現(xiàn)場質(zhì)量管控困難、效率低、易受污染、環(huán)境影響大等[9-13]。 因此，為了能夠有效控制施工質(zhì)量，提高施工效率，筆者研究了一種基于光固化的纖維復(fù)合材料預(yù)浸料。 該預(yù)浸料主要由高收縮高反應(yīng)性特種光敏樹脂、特種助劑、高強度玻纖單向織物組成的預(yù)浸帶產(chǎn)品。 通過真空浸漬工藝，有效保證了高強玻纖與樹脂料的充分潤濕及無泡的界面結(jié)構(gòu)，從而保證了該預(yù)浸料固化后超高的機械強度，有效克服了濕纏繞施工方法的不足。

1 試驗方法

本研究所用光固化纖維復(fù)合材料預(yù)浸料為S-1000 高強光敏玻璃纖維預(yù)浸料 （以下簡稱S-1000光敏料），實物如圖1 所示。 該預(yù)浸料厚度0.8 mm左右，為單向織物預(yù)浸料，所用纖維織物為歐文斯科寧E 型單向玻璃纖維織物。 首先對該預(yù)浸料拉伸性能、鋼體界面粘接性能和吸水性能等進行了試驗，并與濕纏繞法制備的試樣進行了對比分析。 濕纏繞所用纖維與高強光敏玻璃纖維預(yù)浸料所用纖維型號相同，浸潤樹脂采用了兩種環(huán)氧樹脂，分別為國產(chǎn)上緯2218 樹脂和日本BOND E2500S樹脂，兩種樹脂的性能指標(biāo)見表1。

圖1 S-1000 高強光敏玻璃纖維預(yù)浸料

本研究中復(fù)合材料拉伸斷裂強度和彈性模量測試依據(jù)GB/T 3354—2014 《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》，拉伸試驗速度為2 mm/min。 吸水性試驗參照 GB/T 1462—2005 《纖維增強塑料吸水性試驗方法》。 界面粘接性測試參考GB/T 5210 《色漆和清漆拉開法附著力試驗》。采用掃描電鏡對S-1000 光敏料制備的復(fù)合材料與傳統(tǒng)濕纏繞法制備的復(fù)合材料試樣進行了微觀結(jié)構(gòu)觀察，分析復(fù)合材料纖維與樹脂的分布情況。

為了進一步驗證S-1000 光敏料現(xiàn)場應(yīng)用的可靠性及高效性，在 Φ1 219 mm×18.4 mm 管段上以環(huán)焊縫為中心加工了軸向人工缺陷，缺陷長300 mm，寬 50 mm，深度為 60%的壁厚。 并采用S-1000 光敏料對該缺陷進行修復(fù)補強，修復(fù)后進行水壓試驗，驗證其服役可靠性。 修復(fù)結(jié)構(gòu)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME PCC-2—2015[10]計算出設(shè)計厚度為30 mm，軸向長度為1 140 mm。 此外，試驗過程中在缺陷中心位置處、復(fù)合材料層間以及復(fù)合材料外層粘貼應(yīng)變片進行修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變行為測試。

采用該預(yù)浸料進行管道缺陷修復(fù)時，首先對缺陷位置周圍進行噴砂表面處理，達到ST3 后，用金屬修補劑填充人工缺陷并實現(xiàn)與管體的圓滑過渡。 之后涂刷配套底涂膠，表干后，纏繞S-1000 光敏料。 纏繞過程在遮陽帳篷中進行，防止紫外光照射。 每次纏繞3～4 層，纏繞完畢后，采用陽光或紫外燈進行固化處理。 待完全固化后，涂刷中間光敏膠，再次進行纏繞。 圖 2 為S-1000 光敏料對管體缺陷進行修復(fù)的現(xiàn)場情況。

圖2 采用S-1000 光敏料對管體缺陷修復(fù)現(xiàn)場照片

2 結(jié)果分析

2.1 拉伸性能

圖3 為采用S-1000 光敏料與采用兩種不同環(huán)氧樹脂 （上緯2218 樹脂、日本BOND E2500S樹脂） 制備的玻璃纖維復(fù)合材料拉伸試樣，拉伸試樣及拉伸性能如圖3 和圖4 所示，拉伸試驗結(jié)果見表2。

圖3 復(fù)合材料拉伸試樣

圖4 三種不同復(fù)合材料拉伸性能對比

表2 復(fù)合材料修復(fù)層拉伸性能測試結(jié)果

從圖3 可以看出，S-1000 光敏料制備的試樣拉伸強度和彈性模量都是最高的，其均值達到了860.57 MPa 和46.35 GPa。 復(fù)合材料的拉伸強度和彈性模量是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，玻璃纖維復(fù)合材料拉伸強度和彈性模量越高，缺陷修復(fù)時復(fù)合材料與管體的協(xié)調(diào)變形情況越好，修復(fù)效果越好。

2.2 吸水性

圖5 和表3 為三種試樣的吸水性測試結(jié)果。從表3 可以看出，S-1000 光敏料的吸水率最低，說明其具有優(yōu)異的耐水性。

圖5 吸水性測試

表3 吸水性能測試結(jié)果

2.3 界面剝離強度

依據(jù)GB/T 5210—2006 《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》 對S-1000 光敏料與鋼管本體的界面剝離性能進行測試，圖6 為測試后S-1000 光敏料試樣。 測試結(jié)果顯示，其界面剝離強度為11.55 MPa，表明復(fù)合材料具有良好的界面粘接性能。

圖6 S-1000 光敏料的界面剝離性能測試試樣

2.4 微觀形貌

為了進一步對比分析S-1000 光敏料制備試樣與濕纏繞法試樣之間的差異，對3 種試樣的微觀形貌進行了對比。 圖7 為S-1000 光敏料與濕纏繞制備復(fù)合材料試樣的掃描電鏡照片。 從圖7 可以看出，S-1000 光敏料試樣顯微結(jié)構(gòu)更加緊湊，樹脂對纖維的浸潤效果更好，界面沒有明顯的脫粘或剝離情況，這也是S-1000 光敏料復(fù)合材料具有優(yōu)異拉伸性能和耐水性的重要原因。

2.5 修復(fù)試驗結(jié)果

圖8 為S-1000 光敏料修復(fù)缺陷管材的爆破試驗結(jié)果，從圖8 可以看出，管材最終失效發(fā)生在管體位置，爆破壓力為23.1 MPa，充分說明了S-1000 光敏料對管道缺陷修復(fù)具有優(yōu)異的性能。

圖9 給出了試驗過程中無缺陷管體、缺陷中心位置、修復(fù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測試結(jié)果。 從圖9（a）可以看出，水壓過程中缺陷位置先發(fā)生塑性變形，隨后缺陷處的變形將應(yīng)力傳遞給修復(fù)材料，起到共同承擔(dān)載荷的作用。 從圖9（b）可以看出，修復(fù)結(jié)構(gòu)底層應(yīng)變量最大，中間層纖維應(yīng)變量居中，最外層纖維應(yīng)變量最小，也充分表明了修復(fù)結(jié)構(gòu)通過協(xié)調(diào)變形實現(xiàn)載荷層層傳遞的過程。 帥健等人也曾通過有限元模擬分析方法揭示過這種現(xiàn)象[14-16]。

圖7 三種不同材料試樣的掃描電鏡照片

圖8 S-1000 光敏料修復(fù)缺陷管材爆破試驗

圖9 S-1000 光敏料修復(fù)缺陷管材爆破試驗應(yīng)變測試結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 光固化高強纖維復(fù)合材料預(yù)浸料試樣與濕纏繞法試樣相比，顯微結(jié)構(gòu)更加緊湊，樹脂對纖維的浸潤效果更好，因此脫粘、分離等缺陷較少。

（2） 高強纖維復(fù)合材料預(yù)浸料各項性能優(yōu)異，明顯高于濕纏繞法的同等試樣水平。 高強纖維復(fù)合材料預(yù)浸料抗拉強度和彈性模量均值高達860.57 MPa 和 46.35 GPa。

（3） 復(fù)合材料的修復(fù)作用，是通過缺陷塑性變形，實現(xiàn)應(yīng)力傳遞的； 且纖維修復(fù)結(jié)構(gòu)的變形由內(nèi)到外逐漸降低，即纖維修復(fù)結(jié)構(gòu)的變形底層最大，中間層次之，最外層最小。