長輸管道復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵問題探討

曾 斌

（國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司烏魯木齊應(yīng)急搶險中心，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

“十四五”仍將是我國長輸管道快速發(fā)展階段。長輸管道運(yùn)行過程中由于腐蝕、環(huán)境、機(jī)械損傷和焊接施工等原因可能產(chǎn)生金屬損失、裂紋、變形和焊縫缺陷，管道可能發(fā)生塑性變形甚至泄漏、破裂失效事件[1]。2009年12月30日蘭鄭長成品油管道渭南支線發(fā)生柴油泄漏，約1500m3柴油流入黃河造成嚴(yán)重污染。較為嚴(yán)重的外腐蝕缺陷如采用換管或者A/B型套筒修復(fù)成本昂貴。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)強(qiáng)度和彈性模量高、可設(shè)計性和成型工藝多樣化，適用于大面積腐蝕和異性管件補(bǔ)強(qiáng)，已成為管道行業(yè)普遍認(rèn)可的技術(shù)方法。隨著我國老齡化管道趨勢，管道缺陷修復(fù)量巨大，管道企業(yè)選定高效、先進(jìn)、適用的修復(fù)技術(shù)十分必要。

1 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用范圍

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)在管道領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，代表性技術(shù)是玻璃纖維、碳纖維材料、芳綸纖維和凱夫拉纖維，主要用于管體非泄漏缺陷修復(fù)，包括外腐蝕（體積型缺陷）、焊接缺陷（電弧燒傷、裂紋）、機(jī)械損傷（劃傷、溝槽）和內(nèi)部缺陷（分層、夾雜）等，不適用修復(fù)環(huán)向缺陷（環(huán)向裂紋、環(huán)焊縫缺陷）、深度大于0.8t的缺陷和繼續(xù)發(fā)展的內(nèi)腐蝕缺陷（t管道壁厚）。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)屬于非焊接修復(fù)技術(shù)，相比其他修復(fù)技術(shù)（堆焊、補(bǔ)板、B型套筒、換管），具有無需焊接、材料強(qiáng)度高、可設(shè)計性強(qiáng)、施工時間短等優(yōu)點(diǎn)，且不受管徑、壓力等級和輸送介質(zhì)限制，特別是管道不停輸和惡劣復(fù)雜環(huán)境搶修。

（1）玻璃纖維和碳纖維材料均可用于體積型缺陷修復(fù)；碳纖維材料還可用于直焊縫、環(huán)焊縫和螺旋焊縫裂紋缺陷修復(fù)；

（2）碳釬維復(fù)合材料具有良好柔韌性，更多用于修復(fù)彎頭、三通等不規(guī)則異性管件；

（3）碳纖維抗拉強(qiáng)度與彈性模量較玻璃纖維更大，在補(bǔ)強(qiáng)中可承擔(dān)的載荷比例越大，可用于嚴(yán)重的缺陷補(bǔ)強(qiáng)和焊縫缺陷補(bǔ)強(qiáng)。針對缺陷深度較大的體積型缺陷，例如腐蝕深度超過60%，應(yīng)使用碳纖維材料；

（4）復(fù)合材料用于內(nèi)腐蝕管道臨時補(bǔ)強(qiáng)以及無缺陷管道增壓補(bǔ)強(qiáng)，例如管道地區(qū)等級升級要求提高管道安全等級以及需要增加輸量和運(yùn)行壓力的情形；

（5）復(fù)合材料用于外部腐蝕未發(fā)生泄漏需要恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性的情形，阻止腐蝕進(jìn)一步發(fā)展；

（6）針對凹陷、劃傷、磨損等機(jī)械損傷以及分層、夾雜等內(nèi)部缺陷，復(fù)合材料修復(fù)可恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性提高管道承壓能力。

2 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)要點(diǎn)及瓶頸問題

復(fù)合材料修復(fù)原理是將高抗壓填料涂敷在管道缺陷部位，缺陷處應(yīng)力部分傳遞至復(fù)合材料層，二者緊密貼合共同承受壓力，實現(xiàn)管道補(bǔ)強(qiáng)保護(hù)。復(fù)合材料維修方法按照產(chǎn)品形式包括預(yù)成型法和濕纏繞法。預(yù)成型法指纖維材料與膠粘劑材料預(yù)制成型；濕纏繞法是在施工現(xiàn)場剪裁纖維材料、配置膠粘劑進(jìn)行涂刷、纏繞。預(yù)成型法性能、質(zhì)量穩(wěn)定，施工受環(huán)境影響小，但不能應(yīng)用于彎頭、三通等管件，應(yīng)用于螺旋焊縫鋼管已產(chǎn)生空鼓；濕纏繞法施工收環(huán)境和人員技能水平影響，可應(yīng)用于不同管徑、異性關(guān)鍵，于管道緊密貼合性更好。

管道復(fù)合材料修復(fù)施工過程的基坑開挖、環(huán)焊縫定位、防腐層去除、鋼管表面處理、壁厚檢測、防腐層恢復(fù)及驗收和管溝回填執(zhí)行SY/T 5918-2017《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層保溫層修復(fù)技術(shù)規(guī)范》。復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)設(shè)計和施工過程應(yīng)全面考慮管道運(yùn)行溫度變化范圍、材料性能衰減和樹脂固化事件等影響管體修復(fù)質(zhì)量的因素。

（1）采用濕纏繞法施工，以缺陷部位為中心進(jìn)行纏繞，保證纖維與管道軸向垂直。玻璃纖維修復(fù)區(qū)域應(yīng)完全覆蓋缺陷，且修復(fù)區(qū)域應(yīng)比缺陷區(qū)域兩側(cè)分別長出15～20cm（修復(fù)焊接缺陷時不小于40cm）；

（2）如缺陷軸向距離小于25mm或者環(huán)向距離小于6t，可視為同一缺陷區(qū)域，可進(jìn)行連續(xù)纏繞修復(fù)。修復(fù)螺旋焊管缺陷時，纖維纏繞方向應(yīng)與管道螺旋焊縫方向相反；

（3）修復(fù)時應(yīng)盡量減少修復(fù)層的接頭數(shù)量，玻璃纖維施工如有環(huán)向接頭，環(huán)向接頭必須搭接25mm以上；環(huán)向纏繞如有軸向接頭，則不需要搭接；

（4）采用預(yù)成型法施工，安裝應(yīng)保證管體缺陷位于預(yù)成型復(fù)合材料中間位置，距離缺陷外邊邊緣不小于100mm；

（5）碳纖維材料可導(dǎo)電，應(yīng)在管道和纖維層之間宜設(shè)置絕緣層，避免產(chǎn)生電偶腐蝕；

（6）金屬損失修復(fù)時，應(yīng)先將傳導(dǎo)載荷的填料填入缺陷損傷區(qū)域后才能纏繞補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)材料，填料抗壓強(qiáng)度應(yīng)高于50MPa；

（7）復(fù)合材料修復(fù)層施工質(zhì)量現(xiàn)場檢驗要求：修復(fù)層軸向位置偏差不大于10mm，纖維布褶皺高度不大于2.5mm；適用涂層測厚儀測量環(huán)向均勻分布4處修復(fù)層厚度；缺陷位置附近100mm區(qū)域內(nèi)沒有空鼓，整體空鼓率不超過5%；修復(fù)層固化硬度不小于40HBa；每20處修復(fù)點(diǎn)至少抽檢1處測定修復(fù)層剝離強(qiáng)度，小于20處至少抽檢1處，剝離強(qiáng)度不低于70N/cm；修復(fù)區(qū)域進(jìn)行防腐處理，新防腐層與原防腐層搭接寬度不小于100mm。

結(jié)合復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)在我國長輸管道工程應(yīng)用情況，主要問題是不能滿足連續(xù)性、長距離管道缺陷修復(fù)的需求。整體來看，國內(nèi)各個廠家的復(fù)合材料產(chǎn)品性能還不夠均一、穩(wěn)定，主要應(yīng)用在X52鋼級及以下的中小型管道和輸油管道，產(chǎn)品指標(biāo)還不能完全滿足高寒、山區(qū)等特殊環(huán)境對搶修時間、效率的要求[2]。未來復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)需解決問題是保證管道壓力/溫度波動、土體移動、彎曲應(yīng)力等條件下的修復(fù)質(zhì)量和可靠性，以及研究應(yīng)用于X80鋼級及以上大型天然氣管道。此外應(yīng)研發(fā)性能優(yōu)異且適用更寬溫度范圍的新型材料，拓展適用于不同管道等級、環(huán)境條件的修復(fù)材料系統(tǒng)體系；借助有限元輔助方法，定量分析評價管道修復(fù)質(zhì)量和應(yīng)力水平，提高施工質(zhì)量檢測水平。

3 復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)新進(jìn)展

玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料較好應(yīng)用于管道本體缺陷修復(fù)中，但管道如發(fā)生泄漏，復(fù)合材料技術(shù)不能應(yīng)用于管道搶修中。可用于管道泄漏搶修的復(fù)合材料產(chǎn)品是3X帶壓堵漏夾具，利用特種凱夫拉纖維作為承壓組件，采用網(wǎng)格狀密封襯墊將密封部分與漏點(diǎn)區(qū)域緊密貼合，再采用緊固螺栓安裝。3X帶壓堵漏夾具適用于輸油和輸氣管道，最大管徑1400mm，設(shè)計壓力10MPa，工作溫度范圍是-30～100℃。

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)國外典型商業(yè)化產(chǎn)品是美國Clock Spring公司的復(fù)合修復(fù)套筒，結(jié)構(gòu)形式從外向內(nèi)分別為高強(qiáng)模量復(fù)合套筒、快速固化強(qiáng)力雙側(cè)粘接劑和高抗壓密封填料，該產(chǎn)品適用于管體補(bǔ)強(qiáng)、泄漏和裂紋等情形，用于管道泄漏修復(fù)時，泄漏孔直徑不超過25mm。Clock Spring產(chǎn)品不能用于螺旋焊縫、環(huán)焊縫和類裂紋缺陷修復(fù)。Clock Spring產(chǎn)品屬于預(yù)成型產(chǎn)品，不適用彎頭、三通等管件修復(fù)。截止目前Clock Spring復(fù)合套筒在北美、歐洲陸地和海洋管道應(yīng)用非常廣泛，累計修復(fù)管道工程案例近10000例，突出特征是可與與管道100%貼合，防止水氣進(jìn)入管道缺陷區(qū)域，避免發(fā)生電偶腐蝕。

圖1 美國ClockSpring公司復(fù)合修復(fù)套筒

4 結(jié)語

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)屬于非焊接修復(fù)技術(shù)，避免了焊穿、氫脆、裂紋和熱影響區(qū)軟化等風(fēng)險，是未來新型修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向。管道企業(yè)應(yīng)根據(jù)缺陷嚴(yán)重程度、運(yùn)行工況和環(huán)境條件，分析選定適用的復(fù)合材料技術(shù)。例如玻璃纖維雖然價格低廉，其彈性模量比管材小一個數(shù)量級，在管道發(fā)生較大塑性變形后，應(yīng)力才傳遞至修復(fù)層，且抗老化性能較差。鑒于玻璃纖維對管道強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)程度有限，碳纖維彈性模量與管材較接近，碳纖維和管材實現(xiàn)同步變形，應(yīng)力傳導(dǎo)均勻，預(yù)計碳纖維復(fù)合材料將占據(jù)主導(dǎo)地位。

復(fù)合材料技術(shù)在我國管道行業(yè)研發(fā)和應(yīng)用還處于初級階段，針對復(fù)合材料修復(fù)質(zhì)量的影響因素的定量研究還不成熟，包括濕纏繞法的膠液組分比例、樹脂和纖維比例、樹脂對纖維浸潤程度、纖維的平整度、濕度環(huán)境以及沙塵影響等。未來研究重點(diǎn)是保證復(fù)合材料修復(fù)層在彎曲應(yīng)力、溫度變化和運(yùn)行壓力階躍循環(huán)條件下的可靠性。