高分子復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在輸油管道缺陷修復(fù)中的應(yīng)用

王燕書

摘 要：當(dāng)前高分子復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在輸油管道缺陷修復(fù)中應(yīng)用較為廣泛，有著高模量、修復(fù)層質(zhì)量輕和混合增強(qiáng)帶絕緣等優(yōu)勢，不僅施工非常便捷，也還有利于減少成本。筆者通過分析貝爾佐納（Belzona）高分子復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的性能特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了貝爾佐納（Belzona）復(fù)合材料在輸油管道缺陷補(bǔ)強(qiáng)中的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：貝爾佐納（Belzona）；復(fù)合材料；輸油管道缺陷；補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

中圖分類號：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0155-02

1 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)概述

當(dāng)前全世界所用輸油氣管的長度在2×106km以上，大多數(shù)管道使用已經(jīng)超過了30年，存在著嚴(yán)重的外腐蝕等現(xiàn)象，極大增加了每年在管道修復(fù)上花費(fèi)的資金，通常為80億-100億美元[1]。若是外腐蝕過于嚴(yán)重，選擇套筒修復(fù)甚至換管等方法，所需資金巨大。

現(xiàn)在復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用越來越多，在輸油管道缺陷修復(fù)上優(yōu)勢非常顯著。對該技術(shù)來說，主要是將高強(qiáng)度填料在缺陷處進(jìn)行涂敷，并在管體與纖維材料層中使用強(qiáng)力膠，這樣管道缺陷處受到的應(yīng)力會向著復(fù)合材料修復(fù)層均勻的傳遞，復(fù)合材料和缺陷管道充分結(jié)合并協(xié)同變形，讓缺陷管道在應(yīng)力分布上更加合理，最終實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)強(qiáng)的效果。和以往金屬材料修復(fù)手段不一樣，復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)：一是復(fù)合材料比強(qiáng)度與比模量都比較高；二是復(fù)合材料具有較強(qiáng)的可設(shè)計性特點(diǎn)；三是復(fù)合材料成型工藝較多，在大面積與復(fù)雜結(jié)構(gòu)等補(bǔ)強(qiáng)中比較適用；四是修復(fù)中避免出現(xiàn)停輸情況的發(fā)生，有利于快速修復(fù)與減少成本，對設(shè)備要求也不高。因?yàn)閺?fù)合材料具備上述優(yōu)勢，已經(jīng)在當(dāng)前長輸油氣管道缺陷修復(fù)中應(yīng)用越來越廣泛。對管體缺陷修復(fù)來說，所用復(fù)合材料一般包括玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料等，所用樹脂則有聚酯、乙烯酯和環(huán)氧類樹脂等。對復(fù)合修復(fù)技術(shù)來說，英國貝爾佐納（Belzona）公司的管道包扎二代技術(shù)應(yīng)用最多，隨著復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，我們也開始應(yīng)用該技術(shù)，并取得了顯著效果。

2 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)分為預(yù)成型法與濕纏繞法兩種。

預(yù)成型法一般選擇不飽和聚酯與玻璃纖維，并提前按照含缺陷管道的管徑在制成符合套筒，并使用強(qiáng)力膠讓復(fù)合套筒在管道上牢固粘結(jié)，這樣能夠讓管道強(qiáng)度得以提升。該技術(shù)優(yōu)勢如下：一是修復(fù)中省去了降壓與動火等環(huán)節(jié)，可以達(dá)到快速修復(fù)的目的；二是能夠提前將復(fù)合材料預(yù)制成型，不用進(jìn)行現(xiàn)場配膠，大幅度提升了修復(fù)質(zhì)量。但是該技術(shù)也有不足的地方，即由于復(fù)合套筒剛度很大，也難以變形，以修復(fù)直管為主，無法對手彎頭、三通等異型件進(jìn)行修復(fù)。所用玻璃纖維強(qiáng)度與纖維模量都很低，導(dǎo)致管體強(qiáng)度恢復(fù)不足。加工時套筒在積壓、烘干、熱處理和固化后，會導(dǎo)致成本提升。

濕纏繞法主要是在管道纏繞不含樹脂的柔性纖維布，并在其表面涂刷一層樹脂，通過對溫度與時間的控制，讓樹脂固化后和纖維構(gòu)成復(fù)合材料。這樣復(fù)合材料和管道將實(shí)現(xiàn)緊貼，讓大量的載荷被分擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)管道的效果。在管道缺陷修復(fù)中應(yīng)用濕纏繞法時，復(fù)合材料的基體是環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)材料則為碳纖維片材，在各種類型的管道缺陷修復(fù)中發(fā)揮著重要作用，在-25℃-160℃的溫度范圍內(nèi)比較適用。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：一是施工簡單，工期短，對設(shè)備要求不高；二是所用碳纖維布有著較好的柔韌性特點(diǎn)，能夠在變形較大、錯邊嚴(yán)重和高焊縫余高等管體缺陷的修復(fù)中應(yīng)用。三是對碳纖維來說具備強(qiáng)度與比模量較高的特點(diǎn)，修補(bǔ)厚度也很薄，只有鋼材厚度的1/5，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的補(bǔ)強(qiáng)效果；四是該技術(shù)能夠選擇多種粘結(jié)樹脂與施工技術(shù)，適用溫度范圍也很廣。

對濕纏繞法來說缺點(diǎn)也很明顯，主要是必須在施工現(xiàn)場進(jìn)行膠液的配置，然后在作出纏繞處理，在膠液各組分比例、樹脂與纖維比例、樹脂對纖維的浸潤程度和纖維布的平整度等參數(shù)上影響因素眾多，如施工人員操作水平、修補(bǔ)量、施工環(huán)節(jié)和原始材料初始狀態(tài)等，這樣難以讓修復(fù)層持久性與有效性得到保障。另外，碳纖維增強(qiáng)帶與管道本體接觸之后形成電偶腐蝕，會進(jìn)一補(bǔ)加劇管道的腐蝕等。

3 貝爾佐納（Belzona）復(fù)合材料管道包扎補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的特性

貝爾佐納（Belzona）SuperWrap 11為受腐蝕、弱化和穿孔的管道和罐壁提供新一代修復(fù)方案，該方案符合ISO24817和ASME PCC-2標(biāo)準(zhǔn)。它的組成如下：流體級樹脂系統(tǒng)、基于玻璃纖維和碳纖維的定制混合增強(qiáng)帶、離型膜。用有限元數(shù)值模擬方法作為貝爾佐納復(fù)合材料管道包扎補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的輔助工具，如圖1、圖2所示。

該系統(tǒng)有三個不同的樹脂等級可選，貝爾佐納（Belzona）1981和貝爾佐納（Belzona）1982、貝爾佐納（Belzona）1983，適用于不同的使用溫度（從5℃至150℃）以及對操作時限有要求的工況。

這種復(fù)合修復(fù)系統(tǒng)是更換缺陷金屬基材的備選方案，它設(shè)計用于管道包扎和小塊修復(fù)，具有極佳的強(qiáng)度、防腐性和耐化學(xué)性。貝爾佐納（Belzona）SuperWrap 11可快速簡易地修復(fù)輸油管道因腐蝕引起的缺陷。

主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）符合ISO24817和ASME PCC-2標(biāo)準(zhǔn)；（2）即使在線，也可快速輕松地敷涂，確保快速恢復(fù)使用；（3）在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)包扎系統(tǒng)施工之前，貝爾佐納（Belzona）膏狀級可用于重建點(diǎn)蝕表面；（4）使用溫度范圍在（從5℃至150℃）之間；（5）極佳的強(qiáng)度（楊氏模量高）；（6）突出的防腐性和耐化學(xué)性；（7）熱膨脹系數(shù)接近鋼的熱膨脹系數(shù)，減少了熱循環(huán)帶來的應(yīng)變積累；（8）貝爾佐納（Belzona）1982樹脂的操作時期長，可以進(jìn)行大面積施工；（9）與碳鋼的粘附極佳；（10）無溶劑，因此降低了健康和安全風(fēng)險。

貝爾佐納（Belzona）SuperWrap 11的應(yīng)用包括：

復(fù)合管道包扎系統(tǒng)：用于修復(fù)幾何外形復(fù)雜的管道，包括彎頭、直管和三通；

對大口徑管道（直徑大于600毫米）和罐壁進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)的小塊修補(bǔ)；

修復(fù)管道和罐壁上的穿孔缺陷和薄壁缺陷。

4 貝爾佐納復(fù)合材料管道包扎施工工藝

（1）表面處理：用防爆水噴砂對輸油缺陷管道進(jìn)行表面粗糙化處理，使表面粗糙度≥75cm；（2）表面清潔：使用Belzona 9111清潔劑清潔表面油污和雜質(zhì)；（3）表面修復(fù)：使用Belzona 1111超級金屬填補(bǔ)缺陷和焊縫梯度使其恢復(fù)原有輪廓和坡度；（4）表面包扎：按照缺陷修復(fù)設(shè)計及施工方案，進(jìn)行管道缺陷區(qū)域Belzona9381+Belzona1982整體纏繞，達(dá)到設(shè)計包扎層數(shù)；再采取Belzona9382隔離帶進(jìn)行包扎緊固；（5）檢查驗(yàn)收：待固化完全，拆除表面Belzona9382隔離帶，并進(jìn)行表面檢查，檢查合格即可進(jìn)行下一道工序。

5 復(fù)合修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢

近年來國內(nèi)大部分在役管道開始進(jìn)入老齡化，在管道缺陷修復(fù)上要求也變得更高，在修復(fù)過程中必須做到安全、經(jīng)濟(jì)與便捷，這樣極大推動了對復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用。整體上來說，復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢如下：一是修復(fù)溫度范圍將越來越廣，各復(fù)合材料修復(fù)方法能夠在較大溫度范圍下進(jìn)行修復(fù)，需要研究性能更好的樹脂體系，這樣才能讓較寬范圍內(nèi)長期性能變得穩(wěn)定；二是復(fù)合材料所用纖維類型將發(fā)展的更加多元化，在開發(fā)復(fù)合材料的過程中，要在各種條件上都能夠有效的修復(fù)管體缺陷。當(dāng)前纖維種類不斷增多，質(zhì)量也不斷提升，但是在管道缺陷修復(fù)中很多有著較好性能的纖維應(yīng)用較少，研究不夠深入。今后將從各種纖維與樹脂復(fù)合材料特點(diǎn)進(jìn)行研究，確保復(fù)合材料逐步在各種條件下都能適用；四是利用有限元分析法與電腦模擬的方式，深入分析修復(fù)材料在修復(fù)效果與內(nèi)應(yīng)力等方面的情況，管道完成修復(fù)后也要作出綜合評價，保證現(xiàn)場檢測的質(zhì)量與效率，記錄好各項(xiàng)數(shù)據(jù)，讓復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定創(chuàng)造條件。

6 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前復(fù)合材料管體缺陷修復(fù)技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊，但是在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝和配套施工設(shè)備研究方法還處于起步階段。在管體缺陷修復(fù)工程需求量逐步增加的今天，復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)必將得到快速的發(fā)展，管體修復(fù)技術(shù)種類也日益多樣化，并從整體上提升了管體修復(fù)的效果。

參考文獻(xiàn)

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