曾 斌

（國家管網(wǎng)集團西部管道公司烏魯木齊應急搶險中心，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

“十四五”仍將是我國長輸管道快速發(fā)展階段。長輸管道運行過程中由于腐蝕、環(huán)境、機械損傷和焊接施工等原因可能產(chǎn)生金屬損失、裂紋、變形和焊縫缺陷，管道可能發(fā)生塑性變形甚至泄漏、破裂失效事件[1]。2009年12月30日蘭鄭長成品油管道渭南支線發(fā)生柴油泄漏，約1500m3柴油流入黃河造成嚴重污染。較為嚴重的外腐蝕缺陷如采用換管或者A/B型套筒修復成本昂貴。復合材料修復技術強度和彈性模量高、可設計性和成型工藝多樣化，適用于大面積腐蝕和異性管件補強，已成為管道行業(yè)普遍認可的技術方法。隨著我國老齡化管道趨勢，管道缺陷修復量巨大，管道企業(yè)選定高效、先進、適用的修復技術十分必要。

1 復合材料修復技術應用范圍

復合材料修復技術在管道領域應用廣泛，代表性技術是玻璃纖維、碳纖維材料、芳綸纖維和凱夫拉纖維，主要用于管體非泄漏缺陷修復，包括外腐蝕（體積型缺陷）、焊接缺陷（電弧燒傷、裂紋）、機械損傷（劃傷、溝槽）和內(nèi)部缺陷（分層、夾雜）等，不適用修復環(huán)向缺陷（環(huán)向裂紋、環(huán)焊縫缺陷）、深度大于0.8t的缺陷和繼續(xù)發(fā)展的內(nèi)腐蝕缺陷（t管道壁厚）。復合材料修復技術屬于非焊接修復技術，相比其他修復技術（堆焊、補板、B型套筒、換管），具有無需焊接、材料強度高、可設計性強、施工時間短等優(yōu)點，且不受管徑、壓力等級和輸送介質(zhì)限制，特別是管道不停輸和惡劣復雜環(huán)境搶修。

（1）玻璃纖維和碳纖維材料均可用于體積型缺陷修復；碳纖維材料還可用于直焊縫、環(huán)焊縫和螺旋焊縫裂紋缺陷修復；

（2）碳釬維復合材料具有良好柔韌性，更多用于修復彎頭、三通等不規(guī)則異性管件；

（3）碳纖維抗拉強度與彈性模量較玻璃纖維更大，在補強中可承擔的載荷比例越大，可用于嚴重的缺陷補強和焊縫缺陷補強。針對缺陷深度較大的體積型缺陷，例如腐蝕深度超過60%，應使用碳纖維材料；

（4）復合材料用于內(nèi)腐蝕管道臨時補強以及無缺陷管道增壓補強，例如管道地區(qū)等級升級要求提高管道安全等級以及需要增加輸量和運行壓力的情形；

（5）復合材料用于外部腐蝕未發(fā)生泄漏需要恢復結(jié)構(gòu)完整性的情形，阻止腐蝕進一步發(fā)展；

（6）針對凹陷、劃傷、磨損等機械損傷以及分層、夾雜等內(nèi)部缺陷，復合材料修復可恢復結(jié)構(gòu)完整性提高管道承壓能力。

2 復合材料修復技術要點及瓶頸問題

復合材料修復原理是將高抗壓填料涂敷在管道缺陷部位，缺陷處應力部分傳遞至復合材料層，二者緊密貼合共同承受壓力，實現(xiàn)管道補強保護。復合材料維修方法按照產(chǎn)品形式包括預成型法和濕纏繞法。預成型法指纖維材料與膠粘劑材料預制成型；濕纏繞法是在施工現(xiàn)場剪裁纖維材料、配置膠粘劑進行涂刷、纏繞。預成型法性能、質(zhì)量穩(wěn)定，施工受環(huán)境影響小，但不能應用于彎頭、三通等管件，應用于螺旋焊縫鋼管已產(chǎn)生空鼓；濕纏繞法施工收環(huán)境和人員技能水平影響，可應用于不同管徑、異性關鍵，于管道緊密貼合性更好。

管道復合材料修復施工過程的基坑開挖、環(huán)焊縫定位、防腐層去除、鋼管表面處理、壁厚檢測、防腐層恢復及驗收和管溝回填執(zhí)行SY/T 5918-2017《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層保溫層修復技術規(guī)范》。復合材料修復技術設計和施工過程應全面考慮管道運行溫度變化范圍、材料性能衰減和樹脂固化事件等影響管體修復質(zhì)量的因素。

（1）采用濕纏繞法施工，以缺陷部位為中心進行纏繞，保證纖維與管道軸向垂直。玻璃纖維修復區(qū)域應完全覆蓋缺陷，且修復區(qū)域應比缺陷區(qū)域兩側(cè)分別長出15～20cm（修復焊接缺陷時不小于40cm）；

（2）如缺陷軸向距離小于25mm或者環(huán)向距離小于6t，可視為同一缺陷區(qū)域，可進行連續(xù)纏繞修復。修復螺旋焊管缺陷時，纖維纏繞方向應與管道螺旋焊縫方向相反；

（3）修復時應盡量減少修復層的接頭數(shù)量，玻璃纖維施工如有環(huán)向接頭，環(huán)向接頭必須搭接25mm以上；環(huán)向纏繞如有軸向接頭，則不需要搭接；

（4）采用預成型法施工，安裝應保證管體缺陷位于預成型復合材料中間位置，距離缺陷外邊邊緣不小于100mm；

（5）碳纖維材料可導電，應在管道和纖維層之間宜設置絕緣層，避免產(chǎn)生電偶腐蝕；

（6）金屬損失修復時，應先將傳導載荷的填料填入缺陷損傷區(qū)域后才能纏繞補強修復材料，填料抗壓強度應高于50MPa；

（7）復合材料修復層施工質(zhì)量現(xiàn)場檢驗要求：修復層軸向位置偏差不大于10mm，纖維布褶皺高度不大于2.5mm；適用涂層測厚儀測量環(huán)向均勻分布4處修復層厚度；缺陷位置附近100mm區(qū)域內(nèi)沒有空鼓，整體空鼓率不超過5%；修復層固化硬度不小于40HBa；每20處修復點至少抽檢1處測定修復層剝離強度，小于20處至少抽檢1處，剝離強度不低于70N/cm；修復區(qū)域進行防腐處理，新防腐層與原防腐層搭接寬度不小于100mm。

結(jié)合復合材料修復技術在我國長輸管道工程應用情況，主要問題是不能滿足連續(xù)性、長距離管道缺陷修復的需求。整體來看，國內(nèi)各個廠家的復合材料產(chǎn)品性能還不夠均一、穩(wěn)定，主要應用在X52鋼級及以下的中小型管道和輸油管道，產(chǎn)品指標還不能完全滿足高寒、山區(qū)等特殊環(huán)境對搶修時間、效率的要求[2]。未來復合材料修復技術需解決問題是保證管道壓力/溫度波動、土體移動、彎曲應力等條件下的修復質(zhì)量和可靠性，以及研究應用于X80鋼級及以上大型天然氣管道。此外應研發(fā)性能優(yōu)異且適用更寬溫度范圍的新型材料，拓展適用于不同管道等級、環(huán)境條件的修復材料系統(tǒng)體系；借助有限元輔助方法，定量分析評價管道修復質(zhì)量和應力水平，提高施工質(zhì)量檢測水平。

3 復合材料修復技術新進展

玻璃纖維、碳纖維復合材料較好應用于管道本體缺陷修復中，但管道如發(fā)生泄漏，復合材料技術不能應用于管道搶修中。可用于管道泄漏搶修的復合材料產(chǎn)品是3X帶壓堵漏夾具，利用特種凱夫拉纖維作為承壓組件，采用網(wǎng)格狀密封襯墊將密封部分與漏點區(qū)域緊密貼合，再采用緊固螺栓安裝。3X帶壓堵漏夾具適用于輸油和輸氣管道，最大管徑1400mm，設計壓力10MPa，工作溫度范圍是-30～100℃。

復合材料修復技術國外典型商業(yè)化產(chǎn)品是美國Clock Spring公司的復合修復套筒，結(jié)構(gòu)形式從外向內(nèi)分別為高強模量復合套筒、快速固化強力雙側(cè)粘接劑和高抗壓密封填料，該產(chǎn)品適用于管體補強、泄漏和裂紋等情形，用于管道泄漏修復時，泄漏孔直徑不超過25mm。Clock Spring產(chǎn)品不能用于螺旋焊縫、環(huán)焊縫和類裂紋缺陷修復。Clock Spring產(chǎn)品屬于預成型產(chǎn)品，不適用彎頭、三通等管件修復。截止目前Clock Spring復合套筒在北美、歐洲陸地和海洋管道應用非常廣泛，累計修復管道工程案例近10000例，突出特征是可與與管道100%貼合，防止水氣進入管道缺陷區(qū)域，避免發(fā)生電偶腐蝕。

圖1 美國ClockSpring公司復合修復套筒

4 結(jié)語

復合材料修復技術屬于非焊接修復技術，避免了焊穿、氫脆、裂紋和熱影響區(qū)軟化等風險，是未來新型修復技術的發(fā)展方向。管道企業(yè)應根據(jù)缺陷嚴重程度、運行工況和環(huán)境條件，分析選定適用的復合材料技術。例如玻璃纖維雖然價格低廉，其彈性模量比管材小一個數(shù)量級，在管道發(fā)生較大塑性變形后，應力才傳遞至修復層，且抗老化性能較差。鑒于玻璃纖維對管道強度補強和修復程度有限，碳纖維彈性模量與管材較接近，碳纖維和管材實現(xiàn)同步變形，應力傳導均勻，預計碳纖維復合材料將占據(jù)主導地位。

復合材料技術在我國管道行業(yè)研發(fā)和應用還處于初級階段，針對復合材料修復質(zhì)量的影響因素的定量研究還不成熟，包括濕纏繞法的膠液組分比例、樹脂和纖維比例、樹脂對纖維浸潤程度、纖維的平整度、濕度環(huán)境以及沙塵影響等。未來研究重點是保證復合材料修復層在彎曲應力、溫度變化和運行壓力階躍循環(huán)條件下的可靠性。