碳纖維修復管道的水壓試驗以及模擬驗證

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 .中國特種設備檢測研究院，北京 00000）

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碳纖維修復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.中國特種設備檢測研究院，北京 100000）

摘 要：針對碳纖維復合材料對含缺陷管道的修復能力，專門設計了水壓爆破試驗；在水壓試驗中管道加壓破裂的位置并未出現在修復區內，且修復區內管道變形量較小。接著，對加壓過程進行了有限元模擬，經過模擬驗證發現，兩者承受的極限壓力基本一致，并且在極限狀態下，修復區碳纖維復合材料的應力值未超過其拉伸破壞強度。最終通過對比得出：碳纖維復合材料能有效地修復管道缺陷，恢復缺陷處的承壓能力。

關鍵詞：管道 碳纖維復合材料 修復 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，縱貫南北”的管道運輸網。然而，隨著油氣管道在役時間的增加，再加上敷設地區周圍環境復雜多變[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重影響油氣管道的運行安全[2]，導致泄漏、爆裂事件的發生。因此采取合適有效地的措施對管體缺陷進行修復，以預防事故發生尤為重要。針對管體缺陷主要的修復措施包括：焊瘤補疤、套管、夾具、玻璃鋼補強、碳纖維補強等[3]，其中碳纖維復合材料補強技術因其具有不停輸、不動火、不需焊接、耐腐蝕、施工方便等一系列特點[4]，逐漸成為國內外廣泛使用的一種新型補強技術。下面，將利用水壓試驗和有限元模擬驗證相結合的方法[5]，測試含缺陷管道采用碳纖維復合材料補強后的承壓能力[6]，分析其補強效果，為碳纖維復合材料修復技術在實際工程中的應用提供參考依據。

1 水壓試驗

由于目前所有補強技術修復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，而是直接換管，所以選用容易加工的機械缺陷來進行水壓試驗。

試驗選取管材為Q235的鋼管，其基本力學性能數據：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，規格為426×8mm。在該試驗管段加工一環向機械切割缺陷，缺陷的環向長度為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，首先需要進行打磨，在打磨完成以后，再次核準缺陷的深度和長度，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，使用碳纖維復合材料對水壓試驗管道的缺陷進行纏繞修復，修復方案選取基于管道的許用應力設計復合材料修復厚度的方法[7]。試驗中選用PerpeWrap?ST85雙向碳纖維復合材料修復系統，其軸向設計應力為382MPa，環向設計應力為740MPa。

通過計算得到的缺陷管段環向修復層數為5層，軸向修復層數為1層，修復長度300mm。在進行試驗前，對試驗管道兩端采用焊接封堵。在距離修復位置較遠端的封頭設計注水管進行加壓，如圖2所示。并在管道加壓泵出口處安裝壓力表，用于監控加壓過程中管道內壓變化情況。

實驗開始后，隨著壓力的不斷上升，當大約14MPa時，試驗管段中間位置開始出現鼓脹；繼續加壓，鼓脹程度加大，當加壓達到峰值，約15.2MPa時，鼓脹最為嚴重；隨后壓力值出現下降趨勢，在壓力為14.9MPa時，管道在鼓脹最嚴重區開始起裂，裂紋沿軸向擴展；當擴展穿過鼓脹區，在鼓脹與未鼓脹的邊界位置處，裂紋擴展方向發生變化，偏轉角度約45°，繼續擴展直至止裂。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生在管道缺陷修復區內，且在整個加壓過程中，缺陷修復區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

為了進一步研究管道缺陷修復處在加壓過程中的應力響應情況，采用有限元方法模擬試驗管道的加壓過程，由于試驗管道、缺陷和修復區都具有對稱性[8]，取所建管道、缺陷和修復區有限元模型的二分之一進行分析，如圖4所示，單元選用C3D8R，管道和碳纖維材料的幾何尺寸、力學性能與水壓試驗完全相同。

對有限元模型進行加載，觀察管道缺陷修復區域管體與修復材料的應力變化情況以及極限狀態下的承壓能力。隨著內壓的不斷增大，管道缺陷修復區的應力明顯低于其它區域，在修復區與未修復區交接處，存在半個管徑的應力過渡區。

當加壓到16MPa的極限狀態，試驗管道的Mises應力狀況如圖5所示。從圖5中可以看出：管道修復區由于受到碳纖維復合材料的約束，變形量明顯小于未修復區。同時，在極限狀態下，未修復區管道的Mises應力值達到400MPa，遠超過管材的屈服強度235MPa，接近管材的抗拉強度428MPa；而修

復區管道的Mises應力才剛剛超過屈服強度，在240-290MPa之間，并且修復區內碳纖維復合材料的應力值也未超過其設計應力。

圖4 水壓試驗的有限元模型圖

圖5 試驗管道極限狀態下的Mises應力云圖

圖6為試驗管道在極限狀態下的環向應力云圖，在極限內壓下，修復區管道受到碳纖維材料的保護，其環向應力明顯低于未修復區管道的環向應力，平均值為300MPa左右，最大值約為380MPa，主要原因是缺陷處應力集中所致；同時碳纖維復合材料的環向應力在200MPa左右，遠低于其設計壓力740MPa。而此時，未修復區管道的環向應力已達到426MPa，幾乎等于管材的抗拉強度。

3 結論

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

參考文獻

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[2]付明福,梁宏,劉國等.碳纖維復合材料修補缺陷管道的應用實踐[J].油氣儲運,2009,28(2):68-70.

[3]白真權,王獻昉,孔杰.含缺陷管道修復補強技術發展及應用現狀分析[J].石油礦場機械,2004,33(1):41-43.

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[6]Toutanji H, Dempsey S.Stress modeling of pipelines strengthened with advanced composites materials[J].Thin-Walled Structures, 2001, 39(2):153-165.

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[8]王勇軍,王鵬,王峰會等.含缺陷高壓管道復合材料補強有限元模擬[J].壓力容器,2007,24(10):13-16.

圖6 試驗管道極限狀態下的環向應力云圖

中圖分類號：TE973

文獻標識碼：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