榆林—濟南天然氣管道缺陷復合材料修復設計

李天成

中國石化天然氣榆濟管道分公司

榆林—濟南天然氣管道缺陷復合材料修復設計

李天成

中國石化天然氣榆濟管道分公司

目前國內尚無完善的設計規范和標準來指導對缺陷管道進行復合材料補強設計。國外較常見的設計方法是依托管道剩余強度評價，使用等效強度方法進行補強。為此，根據碳纖維復合材料管道修復補強技術原理和設計方法，提出了模擬管道壁厚完全損失的保守設計方法。應用該方法對榆林—濟南天然氣管道進行了碳纖維復合材料纏繞補強修復和防腐作業，采用絕緣材料進行墊底處理，徹底杜絕了電偶腐蝕的可能性，修復后管道恢復正常運行壓力，補強效果良好，確保了補強設計的安全有效性。

榆林—濟南天然氣管道 管道缺陷 碳纖維 復合材料補強 管道壁厚 安全

榆林—濟南天然氣管道（以下簡稱榆濟輸氣管道）工程是國家“十一五”重點工程，線路全長941.63 km，設計年輸量為30×108m3，為國家天然氣干線管網重要組成部分。

在管道建設期間通球清管時，榆濟輸氣管道兔坂閥室上游10 m處發生了卡球現象，后來在管道上開了一個500 mm×700 mm的窗口，才將清管球取出。在對管壁上的窗口進行修補時，采取了焊接加強板的方式。使用焊接方式對管道進行補強，焊縫周邊容易發生應力集中，此外，如果焊縫中存在裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，這些缺陷也可能在較高的應力作用下導致焊縫斷裂失效。該段管道周邊人口居住密度較大，管道一旦發生破裂失效，將對周邊環境造成嚴重影響，并造成巨大的人身傷亡和經濟損失。

纖維復合材料維修補強方法是對上述潛在風險點進行補強加固的最佳選擇。該技術利用纖維材料在纖維方向的高強度特性，使用粘結樹脂在服役管道外包覆一個復合材料補強層，以恢復含缺陷管道的服役強度［1］。其優點是不用在服役管道上進行焊接，避免了焊穿和發生氫脆、冷脆的可能，極大地降低了操作的風險性，并且可以對管道進行帶壓修復［2］，保障管道不間斷運行。

碳纖維復合材料補強技術是纖維復合材料修復技術的一種，碳纖維材料因其具有優異的抗拉強度、彈性模量和良好的施工性能而在油氣管道焊縫缺陷維修補強中得到了廣泛的應用。

到目前為止，國內尚無完善的設計規范和標準來指導對缺陷管道進行復合材料補強設計。國外較常見的設計方法是依托管道剩余強度評價，使用等效強度方法進行補強。在采用碳纖維復合材料補強技術對榆濟輸氣管道焊縫進行補強時，筆者提出了模擬管道壁厚完全損失的保守設計方法，確保了補強設計的安全有效性。

1 管道纖維復合材料補強原理

管道被施以內壓時，管道發生徑向膨脹且管壁產生環向拉伸應力。在管壁減薄區域（如腐蝕坑），由內壓引起的徑向凸起、環向應力、應變比正常壁厚區域要嚴重，當徑向凸起達到一定程度時，該缺陷處將發生破裂失效和泄漏。復合材料修復技術利用增強纖維和基體樹脂在管道外形成復合材料補強層，分擔管道承受的載荷，限制管道缺陷處由內壓引起的徑向膨脹和環向拉伸應力，從而達到對缺陷補強的目的，以恢復管道的正常承壓能力。

碳纖維復合材料管道修復補強技術由高強度碳纖維、填平材料以及高性能粘結劑3部分組成。在缺陷修復時，首先利用填平材料對缺陷進行填平處理，然后在管道外纏繞碳纖維與粘結劑所組成的碳纖維復合材料。碳纖維復合材料固化后具有極高的抗拉強度和彈性模量，它將通過具有抗壓能力的填平樹脂限制缺陷處的徑向膨脹變形，降低缺陷處的拉伸應力，實現對管道缺陷的補強修復。

近年來，為解決碳纖維復合材料補強潛在的電偶腐蝕問題，廣泛采用絕緣墊層的技術解決方案。該絕緣墊層隔絕了碳纖維與鋼管的直接接觸，最大限度地消除了電偶腐蝕的可能性。

2 復合材料補強設計方法

在管道安裝以及維修強度設計中，所運用最多的強度準則是環向應力準則。GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》［3］主要以環向應力作為強度校核的標準。比如對于一級地區，管道的強度設計系數為0.72，即管壁的環向應力不應超過管材屈服強度的72%。在纖維復合材料補強設計中，也采用了環向應力的設計方法。

在利用碳纖維復合材料對含缺陷管道進行維修補強時，環向應力設計要求是管道維修補強處剩余壁厚與碳纖維復合材料的混合承壓能力達到最大允許操作壓力的兩倍，最大允許操作壓力對應于管材環向拉伸應力達到屈服強度的72%。該設計原理表達如下：

式中pburst為靜水壓試驗爆破壓力，MPa；pMAOP為最大允許操作壓力，MPa；pSMYS為管材中環向應力達到屈服強度所對應的內壓，MPa；prest為腐蝕區域剩余壁厚所對應的極限內壓，MPa；pwrap為補強材料所對應的極限內壓，MPa。

缺陷處剩余壁厚的承壓能力按下式計算：

式中t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm；σult為管材的抗拉極限，MPa；kcorr為缺陷的強度降低系數，其計算方法參見ASME B31G—2009《用于測定受腐蝕管道剩余長度的手冊標準》以及Kiefner［4］所發表的文章。

按照環向應力設計準則，有如下關系：

式中σcf為補強材料的抗拉極限，MPa。

由式（1）、（4）可計算得到碳纖維的厚度為：

在上述公式中，為了計算方便起見，補強材料的抗拉強度和厚度取碳纖維材料的抗拉強度和單層理論厚度。

在確定碳纖維材料的單層厚度后，即可確定碳纖維補強的環向纏繞層數。在管道承受較大軸向拉伸載荷的區域可考慮軸向鋪設碳纖維復合材料以進行軸向加固。

3 輸氣管道現場補強應用

設計案例中的榆濟輸氣管道兔坂閥室處管道材質為X65，其額定最小屈服強度為448 MPa，管道壁厚為14.2 mm。假設管道補板處的管體金屬壁厚全部損失，利用碳纖維復合材料補強的方法彌補管體環向強度。由式（5）可計算得到環向補強層數為8.19層，進一步取整為9層。

依據上述設計結果，對榆濟輸氣管道進行了碳纖維復合材料纏繞補強修復和防腐。在補強修復時，采用絕緣材料進行墊底處理，徹底杜絕電偶腐蝕的可能性。修復后管道恢復正常運行壓力，補強效果良好。

4 結論

1）隨著管道完整性管理理念在我國的逐步推廣，油氣輸送管道維修過程的安全性和經濟性要求也越來越高。碳纖維復合材料補強技術是一種快速、安全而經濟的管道修復技術，必將在我國的油氣輸送管道維修補強中得到越來越多的應用。

2）現階段沒有成熟的復合材料補強設計規范或標準指導管道缺陷的復合材料維修補強。筆者提出的補強管道混合承壓能力設計方法可以用于承壓管道的復合材料危險補強設計。

3）建議對碳纖維復合材料維修補強的應用范圍和應用條件進行進一步的研究，以更好地指導復合材料維修補強作業。

［1］路民旭，陳迎鋒，董紹華，等.管道維修補強技術及其發展趨勢［J］.油氣儲運，2005，24（增刊）：129－132.

［2］American Society of Mechanical Engineers.PCC－2 2006 Repair of pressure equipment and piping［S］.New York：ASME，2006.

［3］油氣田及管道建設設計專業標準化委員會.GB 50251—2003輸氣管道工程設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［4］KIEFNER J F，VIETH P V.New method corrects criterion for evaluating corroded pipe［J］.Oil and Gas Journal，1990，88（9）：56－59.

Rehabitation design of composite materials for the defects of the Yulin－Jinan natural gas pipelines

Li Tiancheng
（Yulin－Jinan Gas Pipeline Division of Sinopec Natural Gas Company，Jinan，Shandong 250101，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.78－79，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Presently，there are no well－established domestic design specifications and standards which can be taken as a reference for the pipeline strength rehabilitation with composite materials.The common design method used in foreign countries is based on the pipeline residual strength assessment and uses the equivalent strength method for strength rehabilitation.This paper hereby puts forward the conservative design method which simulates the complete loss of the pipe wall thickness based on the principle and design method of pipeline strength rehabilitation with carbon fiber composite material.With this method，carbon fiber winding strength rehabilitation and anti－corrosion operation are applied in the Yulin－Jinan Natural Gas Pipeline，and the rebase operation by use of insulating material is also applied，which completely eliminates the possibility of galvanic corrosion.The pipeline restores its normal operating pressure after the rehabilitation，and the rehabilitation effect is good，which ensures the safety and effectiveness of the pipeline strength rehabilitation design.

Yulin－Jinan natural gas pipelines，carbon fiber，strength rehabilitation with composite material，pipe wall thickness，safety

李天成.榆林—濟南天然氣管道缺陷復合材料修復設計.天然氣工業，2012，32（10）：78－79.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.019

李天成，1965年生，高級工程師，碩士；長期從事天然氣長輸管道生產運行管理工作。地址：（250101）山東省濟南市高新區世紀大道15002號中國石化天然氣榆濟管道分公司。電話：13810724036。E－mail：ltcttc＠126.com

（修改回稿日期 2012－08－08 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.019

Li Tiancheng，senior engineer，born in 1965，holds an M.Sc.degree.He has been long engaged in the production operation work of long－distance natural gas pipelines.

Add：No.15002，Shiji Avenue，High－Tech Development Zone，Jinan，Shandong 250101，P.R.China

E－mail：ltcttc＠126.com