管道維搶修復合材料應用淺析

程 磊

(中國石油西部管道新疆輸油氣分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

復合材料使用的歷史由來已久，20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料，從此出現了復合材料這一名稱。利用復合材料進行鋼質管道修復補強的技術是上世紀90 年代以后發展起來的技術。這種修復補強技術的主要思路是利用纖維材料在纖維方向的高強度特性，利用粘結樹脂在服役管道外邊包覆一個復合材料修復管道層，來恢復含缺陷管道的服役強度。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、冷脆的風險。這類方法進行修復補強的費用在焊接修復方法和夾具修復方法之間，其綜合性價比在三種類型之間是最好的。在國外，復合材料補強技術已成為各個管道公司普遍接受的補強技術[1,2]。管道維修中使用的復合材料是在各種基體樹脂中加入增強纖維的復合材料。基體樹脂一般為環氧樹脂、聚氨酯、酚醛、乙烯基或聚酯。增強纖維一般為碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維或其他具有有效增強效果的纖維材料。

不同標準[3-5]及相關文獻[6]報道了復合材料可修復的缺陷類型，但未有統一結論，特別是對于環焊縫缺陷，相關標準之間仍存在矛盾。同時，在實際做法中，有關復合材料補強厚度計算依據，仍存在爭議。本文在簡單介紹相關標準對復合材料修復缺陷類型規定后，通過試驗數據分析和理論分析，認為復合材料不適用于環焊縫缺陷的修復，但錯邊缺陷，則可使用復合材料補強。對變形協調和強度匹配做了詳細分析，認為復合材料補強厚度計算依據應以變形協調為優先考慮因素。

1 復合材料在管道維修中的應用

1.1 復合材料可修復缺陷類型

國內主要的3個標準中，對復合材料可修復的缺陷類型規定見表1。由表1可知，對于鋼管本體的外表面腐蝕、金屬損失、軸向裂紋、平滑凹陷等4類缺陷，3個標準均認為可作為永久修復方式，因此復合材料主要用于這4類缺陷的修復。對于管道內表面缺陷，在確保內表面缺陷不生長情況下，復合材料也適用。但對于環焊縫缺陷，3個標準中只有Q/SY 1592—2013認為可作為管道永久修復方式，其他2個標準均認為不可用于環焊縫修復，其原因是復合材料在軸向約束力方面沒有得到證明。

表1 復合材料可修復的缺陷列表

注：表中t表示管壁厚度，D表示管道外徑

為驗證復合材料對環焊縫的修復效果，本文進行了一組試驗。制作長12 m的1 219×18.4 mm X80管段2段，每個管段中間預制環焊縫，環焊縫根部預制深度12 mm(2/3t)，環向長300 mm的裂紋缺陷。其中一個管段不采用任何補強手段，直接進行水壓試驗，爆破壓力為21.5 MPa；另一個管段采用23層玻璃纖維修復補強，補強長度623 mm，爆破壓力為22.3 MPa。由此可見，玻璃纖維的補強后爆破壓力僅提高了0.8 MPa，補強效果基本為零。因此本文認為復合材料適用于管體缺陷的修復補強，而不適用于環焊縫缺陷。

1.2 復合材料修復環焊縫錯邊缺陷探討

上節討論了復合材料并不適用于環焊縫內部缺陷，但對于錯邊缺陷，現有標準均未作出明確規定復合材料是否可進行修復補強。根據參考文獻[7],錯邊缺陷對管道服役的主要危害是引起環焊縫局部應力集中，降低環焊縫抵抗外部橫向載荷的能力，同時若該局部恰好存在某個缺陷，則可能會加速缺陷擴展導致環焊縫斷裂。

在承受內壓情況下，典型的等壁厚錯邊缺陷引起應力集中系數為：

(1)

式中，Rb表示內壓引起的彎曲應力與內壓引起軸向應力的比例因子，e表示錯邊量，t表示管道壁厚。可見，壁厚越厚，相同錯邊量的危害越小，故增加管道壁厚可有效降低環焊縫局部的應力集中系數，因此進行復合材料修復相當于增加管道壁厚，對管道服役安全有一定作用。

必須指出，由于復合材料對管道軸向的補強效果不夠明顯，其僅靠底膠粘結的剪切強度和部分纖維材料的剪切強度進行軸向力傳遞，因此對于錯邊處又存在經服役適用性評價不可接受的缺陷，則建議采用其他方法進行修復補強。

2 復合材料維修層厚度的確定

2.1 基于變形協調原理

根據文獻[2,3,8],當管道沒有泄漏，且承載管體沒有屈服時，對于承受內壓為主的長輸管道，修復層的最小厚度公式為：

(2)

(3)

式中：ts為同等級鋼材修復厚度，mm；tc為復合材料最小修復厚度，mm；D為管道外徑，mm；σs為管道規定最小屈服強度，MPa；Es為管道材料的彈性模量，GPa；Ec為單層復合材料纖維布的拉伸模量，MPa；P為管道的設計內壓，MPa；Ps為當前缺陷情況下管道的最大允許工作壓力，MPa。

該公式含義為，因缺陷而損失的承壓能力，需要增加管道壁厚來抵消，而管道壁厚非動火情況下無法增加，故通過復合材料纏繞來增加壁厚。由于復合材料和鋼管的拉伸模量不同，管壁上的應力要按理想設計情況傳遞到復合材料上，則需要使復合材料的拉伸模量與鋼管相同或接近。使復合材料的拉伸模量與鋼管相同或接近，一種方法是使用于鋼管拉伸模量接近的復合材料，如碳纖維；另一種方法是使用玻璃纖維等低模量材料，但通過多層等效，即公式(3)最右一項含義，多層等效必須保證復合材料層間粘結力強度足夠。同時使用公式(2)、公式(3)時，前提條件是多層復合材料等效后的抗拉強度應高于管道屈服強度。以常規的單層玻璃纖維布抗拉強度約450 MPa為例，若修復X80管道，不論公式(2)、公式(3)計算結果如何，至少使用2層纖維布方可使其等效抗拉強度大于80管道屈服強度。

采用公式(2)進行厚度設計的另一個重要事項是Ps的確定。Ps是通過含缺陷管道剩余強度評估確定的當前缺陷情況下的最大承載壓力。實際上，通過剩余強度評價，管道實際存在的大部分體積型缺陷，特別是缺陷深度小于30%t的情況，在缺陷軸向長度不是特別長情況下，均不影響管道正常服役，即Ps的值基本上等同于P，因此就不需要進行修復。但是，管道運行單位因各種原因需要進行補強，如開挖一次費用巨大，這種情況下，如何確定Ps值就需要探討。一種簡單的方法是，認為缺陷損失是一種均勻損失，而補強的原理也不是服役適用性原理采用的剩余強度評價，而是管壁等厚度補強原理，即損失了多少壁厚，通過等效的復合材料補強，基于這種思想，Ps計算公式為：

(4)

式中，d為缺陷的深度，t為管道壁厚。

若用復合材料補強錯邊缺陷，則ts的計算可根據服役適用性評價標準給出，之后再利用公式(3)進行計算。

2.2 基于等強度原理

一些研究[6]采用等強度原理，即管壁金屬損失的強度由復合材料的強度替換，使其保持與管道原設計相同的強度，根據此原理，復合材料的補強厚度計算公式為：

(5)

式中sc為單層復合材料產品的抗拉強度。該公式原理雖與公式(4)原理看似類似，但公式(4)需結合公式(2)、(3)使用，其本質仍為應變協調原理。對比公式(2)和公式(5)，以常用的玻璃纖維布為例，其單層纖維布的拉伸模量約為20 GPa，抗拉強度約為450 MPa。由于玻璃纖維和鋼材彈性模量相差近10倍，由此公式(1)計算的補強厚度遠大于公式(5)計算的厚度。

若要使管道的應力完全傳遞給復合材料，使得復合材料承受的應力接近其抗拉強度，由于復合材料拉伸模量較鋼材低很多，則必須使復合材料發生較大變形。根據變形協調原理，此時管體也將發生較大變形以致屈服。若以不發生屈服變形為條件，則應謹慎使用公式(5)作為補強厚度依據。

3 結 論

1)復合材料適用于油氣管道管體外表面腐蝕、金屬損失、軸向裂紋、平滑凹陷的補強，不適用于環焊縫缺陷的補強，但可用于環焊縫錯邊缺陷的補強。

2)以含缺陷管段處不發生屈服變形為服役安全的底線，應更加考慮復合材料的環向拉伸模量，在確保不發生其他風險情況下，應盡量使用拉伸模量與鋼管彈性模量接近的復合材料。

3)復合材料補強前，應注重含缺陷管道剩余強度評價結果，根據評價結果計算修復層厚度。