碳纖維材料在輸油管網維修中的應用研究

韓自柱

（山東省東營市勝利油田地面工程維修中心，山東 東營 257100）

引言

油田經過多年開發，管道數量不斷增加，管網里程日益增長，由于制造存在缺陷、機械損傷、內腐蝕、外腐蝕等因素，管道安全狀況日趨惡化。據統計，油田金屬管道平均每10公里有2.5處隱患，每年因腐蝕造成的更換管道、維修管道、環境污染等經濟損失達2億元。管道補強的技術主要分為電氣焊動火補強、機械器具緊固補強和復合材料補強三大類，其中焊接是目前搶維修施工的主要手段。傳統的動火搶維修作業，維修工藝復雜、勞動強度大且安全風險高，而且大多數動火施工需要停產放空，對環境和產量都產生較大的影響。碳纖維材料修復加強工藝是近年來興起來的一種快速方便的修復加強工藝，因材料性能突出，在近幾年在國內外管網修復加強方向有非常普遍的應用案例。采用碳纖維材料在管道外壁進行不動火帶壓補強，施工時利用碳纖維布纏繞，與構件混成一體，在構件表層形成一層非金屬構層，以該層替代原構件的被腐蝕部分，恢復其承壓、密封的性能，延長管道的使用壽命，提升管網安全性能。

一、碳纖維復合材料

1.碳纖維簡述

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量特種纖維，基本所有的碳纖維都不能直接應用，需要加工成復合材料后，才能應用在各領域。碳纖維復合材料是以碳纖維為加強材料，以樹脂等作為支撐材料，通過特定工藝加工成型制造的復合材料，與常用的金屬材料對比，碳纖維復合材料具有低密度、強度比高、耐酸堿鹽性能好、耐疲勞、耐老化、設計簡單、可以大面積應用等優點[1]。按支撐材料的不同，可分為樹脂基復合材料、碳／碳復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料及橡膠基復合材料等。其中用于金屬管道及構件修復的碳纖維材料主要是樹脂基復合材料，碳纖維復合材料分類如圖1所示。

圖1 碳纖維復合材料分類示意圖

2.碳纖維復合材料修復技術類型

2.1 預成型法。預成型法就是提前根據缺陷管網的形狀，提前利用粘鋼膠、碳纖維布制作大體形狀類似的預制構件，然后在現場用粘鋼膠將預制構件粘貼在管網外層，最后用碳纖維布將預制構件和缺陷管網纏繞在一起，從而達到恢復缺陷管網強度的目的。預成型法最早源自美國，修復材料以玻璃纖維為主，主要用于壓力管道外腐蝕缺陷修復，至今已有20多年的歷史[2]。

2.2 濕纏繞法。所謂濕纏繞法是在缺陷管網上涂刷粘鋼膠，然后在粘鋼膠上粘貼碳纖維布，最后在碳纖維布上涂浸漬膠，讓浸漬膠浸透碳纖維布，在室溫下，40分鐘就能初步固化，在管網外層形成一層加強層，加強層可以有效地分攤管網內部的應力，達到對管網缺陷部位補強的目的。該工藝原理來源于美國，在很多管網缺陷修復中具有很好的應用效果。濕纏繞法對溫度有一定要求，一般適用環境溫度-10℃—60℃，介質溫度-10℃—100℃[3]。

3.碳纖維復合材料修復應用情況

碳纖維復合材料具有耐腐蝕、耐高溫、力學性能好、彈性模量較高等優點等優勢，在歐、美、日等國家，被成功應用于土木工程結構的加固修復。應用起源二十世紀二三十年代的歐美，在航空航天領域應用較早，在大型飛機上，復合材料的用量已達40%—50%，增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維以及有機纖維。隨著材料成本降低、加工工藝進步，在油田集輸管網泄漏隱患治理中得到廣泛應用。20世紀70年代，國外開始利用纖維復合材料用于修復壓力容器和管道的研究，并在20世紀90年代末，碳纖維復合材料修復技術被成功應用于加固修復埋地鋼質管道。目前，碳纖維復合材料已大規模應用于加固缺陷管道，在加固施工簡易、加固效果等方面遠遠優于傳統的加固方法[4]。

二、碳纖維復合材料修復加強工藝

1.基本原理

碳纖維復合材料修復加強技術是利用粘鋼膠和碳纖維布在管網外形成一層修復加強層，用來承擔來自管網內的壓力，在軸向上，分擔管網的負載，很好地彌補管網缺陷部位由內向外引起的徑向壓力和軸向載荷負載，從而達到對缺陷部位的修復加強的目的，恢復其機械性能，延長管網使用壽命。該工藝由以下幾部分組成：粘鋼膠、碳纖維布和浸漬膠，通過手動涂刷工藝，將粘鋼膠均勻地涂抹在構件本體，填補構件表層的孔洞，環繞軸向粘貼碳纖維布，其中粘鋼膠和碳纖維布形成的加強層有很好的抗剪切性、抗拉伸性能、極好的穩定性、耐腐蝕，耐老化，熱膨脹系數以及彈性模量與鋼接近，這些特點，使加強層與鋼制管網粘結力更強，不易脫落，也不會因溫度變化出現加強層與構件剝離的現象。碳纖維復合材料為補強層，填平材料是用粘鋼膠對缺陷處進行填充固化后得到的。

在修復管網缺陷的時候，先對缺陷部位用找平膠找平，使缺陷外層形成一層光滑無凹陷的平面，然后在找平膠外層粘貼碳纖維布，在碳纖維布粘貼的時候，用浸漬膠浸透碳纖維布，使其具有高強度，使加強層獲得高彈性模量，同時降低缺陷處的拉伸應力，實現對管道缺陷的補強修復。

2.適用范圍

碳纖維材料修復加強工藝的適用范圍，管網因內外腐蝕、機械損傷、磨損、生產過程中出現泄漏與缺陷等情況下，管網易形成缺陷，存在泄漏隱患，這些隱患部位適用于該工藝修復加強。以腐蝕為例，在管網薄弱環節，利用測厚儀對管網測量壁厚，根據管網使用壽命，利用碳纖維補強工藝，延長管網使用時效。該技術適用于油田集輸、化工等金屬類集輸管網；目前的碳纖維修復加強工藝可以在溫度-10—100℃之間的管道中使用；適用所有管徑的管道、大罐罐壁、三通彎頭等異型部位、閥組、閥門殼體、變徑等位置；適用的介質包括油、氣、水；管道所在地理環境不受限制；該工藝在修復加強的同時，還有一定的防腐性能。

3.技術特點

目前，在集輸管網修復加強工藝中，碳纖維復合材料修復加強工藝有突出的優勢，該工藝主要有以下幾個特點。

第一，該工藝可以實現不停產、不泄壓、不動火施工，可以避免由于動火施工造成焊穿、爆炸等風險，保障生產運行，有效消除了管網缺陷的安全隱患，避免了停產修復帶來的經濟損失。

第二，與其他工藝材料比較，碳纖維在彈性模量、抗拉強度、抗剪切方面都具有比較大的優勢，如其彈性模量與鋼材基本相同，這就使修復加強層能與鋼表面貼合在一起，不會因鋼材的熱脹冷縮與鋼剝離，提升加強層的密閉性和有效性。

第三，碳纖維布與粘鋼膠的特性都比較好，同時數據比較接近，如剪切強度、耐腐蝕能力、耐老化性等比較高；碳纖維布的強度高，重量輕，加強層厚度只需4mm就可以達到承受壓強6Mpa，不會對管網本體造成二次破壞。

第四，碳纖維布具有很好的柔韌性，在管網異形部位、不規則表面可以很好地貼合構件本體，在三通、四通、彎頭等部位，可以非常好的包覆，在用浸漬膠對碳纖維布浸透，40min就可以固化定型。

第五，碳纖維補修復加強工藝施工靈活，操作簡單，每個班組配備3—5人即可完成施工，單人利潤率可觀，在同收益前提下，可有效節省人力、物力。

4.方案設計

4.1 一般規定。應環繞管道軸向方向粘貼粘結碳纖維布，碳纖維布可采用單向布或者雙向布，纏繞粘結時，每段碳纖維布都應有至少20mm的重疊，同一段碳纖維布的接頭覆蓋長度布低于100mm。

4.2 加固設計。采用碳纖維復合材料對管道進行加固修復時，采用以下基本假定。

第一，管道基體鋼材的應力—應變關系為理想彈塑性。

第二，碳纖維復合材料在受拉狀態下為線彈性，碳纖維復合材料的拉應力應取其拉應變與彈性模量的乘積，且不應超過規定的碳纖維復合材料抗拉強度設計值。

5.施工流程及質量控制

5.1 修復前準備。在管壁因各種因素穿孔后，穿孔處的管壁靠碳纖維修復加強工藝形成的加強層補強。以漏點為中心，兩端與漏點中心點距離至少500mm；修復層總厚度不低于5mm，粘鋼膠在涂刷的時候，至少3層，每層厚度1mm，從而提升修復層與構件本體的粘結力，確保修復層不滲不漏。

5.2 施工流程及質量控制。

第一，表面處理，對缺陷處表面進行修整清理。清除需要做修復加強部位的鐵銹，待加固缺陷兩側500mm，清除后的表面應無明顯的殘留，清除過程中應避免損傷本體。表面處理長度超出加固兩端各100mm，待修復管體表面除銹等級應達到ST2級，確保表面無水和油污，缺陷表面無金屬氧化物。

第二，刷粘鋼膠，根據缺陷類型，配制適量粘鋼膠。對缺陷位置進行填充，填充時應盡量壓實，避免氣泡形成，外形與管道外壁表面一致。用粘鋼膠將管道表面凹陷部位修補至平整、凸出部位修補至平滑過渡，確保碳纖維布纏繞時與管道表面緊密接觸，無任何空隙、死角。完成修補后放置20min—40min，直至粘鋼膠表面干燥。在粘鋼膠表面涂上浸漬膠，表面若有凸起，繼續涂刷粘鋼膠直至表層光滑。

第三，碳纖維包覆，在粘鋼膠外層粘貼碳纖維布，將碳纖維布裁剪成長度合適的段，每段環繞軸向粘貼，兩端重疊布低于100mm，相鄰兩端重疊量不低于20mm，加固層邊界及端口應通過膠帶等方法進行封口處理，避免碳纖維布翹曲。

第四，在碳纖維布外層涂刷浸漬膠，浸漬膠應少量多次的涂刷，可以隔30min涂刷一次，確保浸漬膠能完全浸透碳纖維布。修復層在施工后，在室溫條件下完全達到強度至少需要5天，對于停產補漏的構件，應停產時間至少5天，對于不停產的構件，應在5天內，每天觀察修復層狀態，如果在5天內出現滲漏，需要降壓重新做修復加強層。在后期處理工作中，還要在保溫管道表面涂刷防腐涂漆，恢復保溫層。

三、碳纖維復合材料修復技術的應用

碳纖維復合材料修復技術在外輸干線、壓力容器泄露治理方面的應用，有效避免了動火施工的安全隱患，減少了停井次數，減少了環境污染次數，經濟效益和社會效益顯著。

1.主要性能指標

在現場應用的基礎上，結合油田管道失效模式，采用不同管徑加工了軸向內腐蝕、穿孔缺陷，驗證了樹脂、纖維布編織結構、纏繞層數、修復寬度、堵漏方式的有效性。試驗表明，在實驗壓力為3MPa情況下，碳纖維試件穩壓40天壓力無變化（見表1、表2）。

表1 碳纖維布的性能參數表

表2 粘鋼膠的性能參數表

2.應用效果

碳纖維修復加強工藝的成功應用，達到了方案設計時的預期效果，修復層的強度完全滿足日常生產的需要，不停產、不動火施工，避免了生產經濟損失，提升經濟效益，降低了安全隱患，做到了安全生產和生產安全，不僅施工過程是安全的，結果也是安全的，延長了管網的使用壽命，實現了設備的本質安全化，降低了泄漏隱患風險，保護環境，為打造數字油田、綠色油田提供了有效的工藝支撐。

結語

碳纖維復合材料修復技術相對于其他類型的修復技術，具有更高的安全性、可靠性及適應性。中石化油田面臨大量鋼結構的腐蝕、老化等問題，嚴重影響了油田生產，由于管道、容器、儲罐罐頂的腐蝕破壞，導致了嚴重的生產安全、環保等問題，急需開展高效耐久的復合材料加固修復技術研究。因此，開展碳纖維復合材料在油田集輸管道修復以及管道補口中的應用研究，研究高效耐久的復合材料加固修復技術，可補全集輸設備修復技術短板，延長設備壽命，推動可持續發展，對中石化生產具有重要的經濟與社會意義。