油氣管道復合材料修補技術探究

摘 要：服役年限和環境役使管道腐蝕老化，以致失效事故的發生，給油氣行業的發展帶來巨大的損失。至此，管道的修復補強問題凸顯，故與成都陸迪開展LD EpoWrap?玻璃纖維復合材料補強修復技術的研究，研究結果表明：該技術及配套工藝對含有缺陷管道起到良好的包裹修復的效果;在40MPa下爆破試驗，無漏點及明顯的變形;并且該技術在現場的應用取到了良好的效果，開完驗證試驗結果均符合國家標準要求。

關鍵詞：玻璃纖維復合材料;補強;三向無屈服布

0 引言

目前國內超過60%以上的油氣輸送管道在役超過20年，甚至有上世紀70-80年代的管線仍在服役期，油氣管網失效事件遏制油氣行業的發展[1-2]。國內油氣管道事端頻發，呈逐年上升勢頭，必須遏制或緩解這一趨勢的發展[3]。

在現有的油氣管道修復技術市場環境條件下，因地區的差異性以致修復技術應用空間及需求各異。誤差較大、風險偏高、成本較高的傳統技術及工藝已無法滿足市場發展需要。目前，相關人員以傳統修復方式、焊接類型、夾具類型及纖維復合材料類型為基礎開發新材料并改進施工工藝及操作流程[4-5]。本文以復合材料修復技術為核心，以冀寧線管道為例，研究得出LD EpoWrap?三向無屈服復合材料補強工藝設計。

1 三向無曲服纖維布復合材料修補技術

1.1 技術原理

復合材料修復技術就是利用高壓填料、環氧樹脂底膠和纖維復合材料在管道外層形成整套補強層，當在修復缺陷時，先對缺陷處使用高壓材料進行填平處理，隨即進行底膠刷涂，后采用濕法纏繞包覆于管道外。隨著高壓填料的固化，管壁缺陷處的應力降低，管道缺陷處由內壓引起的環向拉伸應力和徑向膨脹得到抑制，借助纖維材料在0°、45°和135°三向纖維方向的高強度特性（可進行螺旋纏繞），利用粘接樹脂在服役管道缺陷處包覆復合材料層，進而恢復或提升隱患管道的服役強度。

1.2 結構性完整測試實驗

1.2.1 實驗材料及方法

綜合可用于實驗鋼管的情況，選用Φ219管材，進行10層LD EpoWrap?玻璃纖維復合材料補強修復，軸向修復長度300mm，首先進行管體表面處理（st3.0級），4h內進行涂刷底膠（厚度約300μm），隨后進行浸漬、纏繞玻璃纖維復合材料（10層）;所有的復合材料安裝完成后，從修復一端開始螺旋式纏繞養護膜，纏繞層數≥2，最后進行質量檢查。

1.2.2 實驗結果

如上圖所示，完全養護固化2h后，拆除養護膜，對修復層的外觀進行檢查。檢查結果：修復層完整，無開裂、分層、脫層、空鼓、鼓泡等缺陷失效跡象;采用FC9500涂層測厚儀對補強修復層進行厚度檢測，對管道圓周3：00、6：00、9：00、12：00均勻分布的4個點進行測試，最小厚度值為6.41mm;采用邵氏硬度計檢測修復層硬度大于80D;采用小錘或圓木棒敲擊修復層表面，發出清脆的聲音，因此修復層粘結良好;修復層邊緣部分采用切割方式打開，發現修復層之間、修復層與管體之間粘結良好。

1.3 封閉管道打壓試驗

1.3.1 實驗材料及方法

材質：20#鋼材;試驗介質：清水;Φ159mm×7mm×

1600mm;缺陷尺寸：長91mm×寬54mm×70wt%（人工制造缺陷）;兩端采用管帽+加強筋進行焊接封堵;試驗設備：CB200-5.5超高壓泵。對試驗管道進行打磨缺陷--測量缺陷--填平處理--底膠涂抹--三向無曲服布濕法正纏繞和螺旋纏繞分別修復8層，并對其包覆完整行檢查之后，隨即結束試樣的準備工作。

固化24h后，依據SY/T5992-2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法》和Q/SY1592-2013《油氣管道管體修復技術規范》等爆破試壓標準，分別對三組帶有人工制造缺陷試驗材料進行爆破試壓。壓力以每10MPa作為梯度，進行穩壓5mim，無滲漏及明顯變形繼續升壓，直至壓力達40MPa為止。

1.3.2 實驗結果

三組試驗結果如圖所示，由圖可知，三組人工制造缺陷試驗材料在經過LD EpoWrap?三向無曲服布復合材料包覆之后，在四個壓力節點處水壓爆破數據穩定，管道無滲漏及明顯變形。補強后的管體強度滿足設計指標要求。這主要是因為三向無屈服纖維布以0度纖維層、45度纖維層和135度纖維層的縫接方式，可以降低纖維在編織過程中的形變和纖維束上下交叉的可能性，避免交叉折疊會造成纖維的強度下降及性能衰減。同時高強度環氧樹脂能有效保證纖維材料的橫向、縱向強度，解決管道缺陷復合材料補強修復的異形結構纏繞的技術難點，并在保證質量和安全的前提下大幅降低了工程成本。該結果為管道缺陷修復中異形結構的修復提供更優異的選擇方案，解決了異形結構纏繞修復的技術難題。

鑒于上述試件制作流程鑒定結果和質量檢查結果，為了進一步驗證對LD EpoWrap?修復試件的可靠性，考慮到現場施工過程中修復層抗外力破壞的能力，借此保證LD EpoWrap?修復試件的實用性，采取以下兩種方式進行破壞性拆除。

方法一：采用物理切割修復層后，使用刨刀等專用工具對修復層進行緩慢拆除直至最后1-2mm（使用涂層測厚儀進行剩余厚度確認），再使用“角磨機+千葉片”對剩余修復層和底涂材料進行打磨處理;

方法二：充分考慮修復層的玻化溫度，采用“氣罐+噴槍”的形式對修復層進行加熱至70℃以上，再使用刨刀等工具對加熱區域的修復層進行快速鏟除，最后使用“角磨機+千葉片”對剩余修復層和底涂層進行打磨處理即可。

通過本次實操試驗可以得出：采用加熱、物理等手段對LD EpoWrap?玻璃纖維復合完全固化且質量良好的修復層進行破壞性拆除完全可行，且整個作業過程不會對管道本體造成損傷。

2 使用現狀

該技術在2017年10月首次應用于冀寧線L469，凹陷型缺陷修補中，缺陷尺寸：1177mm×322mm×3.23%OD，修復長度長達1.6m。并于2018年10月進行開完驗證，依據《天然氣輸送管道管體缺陷復合修復材料驗收標準》、《油氣管道管體修復技術規范》和《埋地鋼制管道外防腐層修復技術規范》等標準要求進行驗證開挖，結果表明：防腐涂層的外觀無明顯破損無漏點、厚度及剝離強度抽查均滿足標準要求;修復層剝離600mm×600mm窗口，修復表面與修復層間粘結情況良好，無剝離現象;玻璃修復端的邵氏硬度及修復層厚度同樣滿足標準要求。

隨即在中國石油天然氣股份有限公司公司西南油氣田分公司、西南管道公司開展應用推廣，效果良好，取得良好的經濟、社會效益。

3 技術展望

針對于國內外管道復合材料補強修復技術的現狀，著手于管道修復技術研究的同時，完善及優化管道修復技術流程及對應的標準配套工作，完善和規范管道修復技術流程，為國內石油行業的管道補強技術的發展提供參考和保障。

①現階段國內尚未形成統一、成熟的玻璃纖維復合材料補強設計規范標準來指導管道缺陷復合材料的維修補強，建議試驗和施行前搭配有限元數值模擬方法輔助復合材料的補強設計;

②加強玻璃纖維復合材料的開發研究，并在新材料基礎上完整不同維修補強技術的應用范圍和應用條件;

③開展復合材料修復質量在線跟蹤監測與診斷分析，解決管理者對已修復缺陷管道的健康狀況監測難題;

4 結論

①結構性完整測試實驗結果表明：檢查結果：修復層無明顯缺陷;修復層厚度≥6.41mm;硬度>80D;采用切割方式打開修復層，檢查發現修復層之間、修復層與管體之間粘結良好;

②經過LD EpoWrap?復合材料包覆之（下轉第71頁）

（上接第68頁）后，補強之后，在10MPa、20MPa、30MPa、

40MPa四個壓力節點處水壓爆破數據穩定，無滲漏及明顯變形，補強后的管體強調滿足設計指標要求;

③采用加熱、物理等手段對LD EpoWrap?玻璃纖維復合完全固化且質量良好的修復層進行破壞性拆除完全可行，且整個作業過程不會對管道本體造成損傷。

參考文獻：

[1]惠文穎，牛健壯，胡江鋒，et al.復合材料修復管體缺陷的影響因素[J].油氣儲運，2017，036（007）：805-810.

[2]帥健，劉惟，王俊強，等.復合材料纏繞修復管道的應力分析[J].石油學報，2013 034（002）：372-379.

[3]李永國，覃兆平，張曉晶.芳綸復合材料抗彈性能初探[J].玻璃鋼/復合材料，1999（1）：24-25.

[4]劉楊.油田壓力管道碳纖維補強技術[J].油氣田地面工程，2008，27（7）：79.

[5]吳艷，袁宗明，劉暢，等.碳纖維復合材料修補缺陷管道的應用進展[J].管道技術與設備，2011（5）：4-5.

作者簡介：

石磊（1976- ），男，漢族，工程師，2000年畢業于河北廊坊石油管道職工學院管道儲運專業，研究方向：現主要從事油氣管道管理專業方向的研究工作。