油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用.pdf

2 0 1 3 年 第2 期 管道技术 P i p e l i n eT e c h n i q u e 5设 备 a n d E q u i p m e n t 2 0 1 3 N o ．2 油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用 李枢一1 ，张建兴1 ，赵丽恒1 ，张宇坤2 ，辛成庆1 1 ．中石化天然气榆济管道分公司，山东济南2 5 0 1 0 1 ；2 ．浙江浙能石油新能源有限公司，浙江杭州3 l ∞1 6 摘要随着管道完整性管理的应用和发展，开展管道修复受到了极大的关注。针对碳纤维复合材 料修复技术的现状，国内外公司都致力发展相应的碳纤维复合材料修复技术。通过实例介绍了碳纤维 复合材料修复技术应用于带有焊接补丁缺陷的天然气管道，取得较好的修复效果，使管道安全运行得 到了保证。 关键词油气管道；碳纤维；补强；修复 中图分类号，I E 8 8文献标识码B文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 3 0 2 0 0 3 8 0 3 A p p l i c a t i o n0 ft h eC a r b o nF i b e rC o m p o s i t e R e p a i rT e c h I l i q u et 0O na n dG a sP i p e U n e L IS h u ．y i1 ，Z H A N GJ i a n x i n 9 1 ，Z H A 0L i ．h e n 9 1 ，Z H A N GY u ．k u n 2 ，X I NC h e n g ．q i n 9 1 1 ．Y u H n - t 0 一J i n 蛐G 船P i p e I i n eC 伽p 柚y ，S i ∞p ∞，J i n 粕2 5 0 1 0 1 ，C h i I I a ； 2 ．z h e j i 柚gO n 柚dN e wE 耻r 留C 咖p 锄yL i n l i t e d ，H a n g z h 伽3 1 ∞1 6 ，C h i n a A b s t r 躯t W i t ht h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l 叩m e n to fP i p e l i n eI n t e 班t yM a n a g e m e n t P I M ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n - t i o nt oh o wt or e p a i rd e f e c t i v ep i p e l i n ee c o n o m i c a l l ya n de f f - e c t i v e l y ．W i t hr e g a r dt 0t h es i t u a t i o no fc o m p o s i t er e p a i rd e f e a tp i p e l i n e ，t h ed o m e s t i ca J l di n t e m a t i o n a I r e s e a r c h e so nc o m p o s i t er e p a i rt e c h n i q u e sa r es u m m a r i z e d ．T h ed e f e c t i v eg a sp i p e l i n ew i t h w e l dp a t c h e sw a ss u c c e s s f u l l yr e p a i r e db yu s i n gt h ec a r b o nf i b e rc o m p o s i t er e p a i rt e c h n i q u e ，w h i c he n s u r e st h es a f e t yo p e r a t i o no f g a sp i p e l i n e s ． K e yw o r d s o i la n dg a sp i p e l i n e ；c a r b o nf i b e r ；s t r e n 寸hr e h a b i l i t a t i o n ；r e p a i r O 引言 随着对油气资源需求的不断增加，国内油气管道 事业快速发展。然而随着管道总长度的增加，由于外 力损伤、腐蚀、管材缺陷等原因⋯，油气管道失效事故 频繁发生。许多早期建设的油气管道运行年限已接 近或超过其设计寿命，进人事故多发期。相关资料表 明旧。1 国内早期投用的油气管道的爆裂事故高达7 1 0 次／ k m a ，每年用于更新和维修旧管道的费 用约占新建管道总投资的1 0 ％一2 0 ％，每年因外腐蚀 造成的管道更换率达到2 ．5 ％。因此，为了避免因管 道事故而造成的巨大损失，需要开展管道修复工作。 随着检测技术、检测设备和修复技术等的发展， 管道完整性管理也得到了发展。碳纤维复合材料修 复技术主要是利用碳纤维复合材料的高强度特性，采 用粘结树脂在缺陷管道上缠绕一定厚度的纤维层，树 脂固化后与管道结成一体，从而恢复缺陷管道的强 度。由于碳纤维复合材料修复具有不需动火焊接、工 收稿日期；2 0 1 2 0 1 1 2收修改稿日期2 0 1 2 1 0 2 l 艺简单、施工迅速、操作安全、可实现不停输修复，并 且成本相对较低等优势，已被管道行业普遍接受。 1 9 9 7 年，国外成功地将碳纤维复合材料修复技术应用 在埋地钢质管道上Mo 。 1 碳纤维复合材料修复技术 1 ．1 碳纤维复合材料修复技术进展情况 随着复合材料的广泛应用，各国管道行业都致力于 发展这项新技术，主要有国外的血m o rP l a t e 、T ．D ．W i l - l i 砌s o n 、N e p t u n eR e s e a r c h 、3 XE n 西n e e r i n g 、F l 肼1 a I l i t e 等公 司和国内的北京安科管道工程科技有限公司等，相应开 发出C l o c kS p r i n g 、A Ⅱn o rP l a t eP i p eW r a p 、S y m h o - G l a s s 固、 B l a c k ．D i 绷o n d T M 和A n k o w h p T M 等一系列复合材料修复 技术，这些修复技术在工程上都得到了很好的应用。这 些复合材料修复技术主要分为两大类型分层法 L a y e r e d S y s t e l l l s 和湿缠绕法 w e t1 a y - u ps y s t e I n s p “。。 美国、英国和加拿大等编制了复合材料修复的相 关标准，在A S M EB 3 1 ．4 和A S M EB 3 1 ．8 以及美国运 输部 D O T 的管道安全规范中都有提及“ 。9 1 ，同时又 万方数据 第2 期李枢一等油气管道碳纤维复合材料修复技术及应用 3 9 制定了A s M EP c c2 2 0 0 6 R e p a i ro fP r e s s u r eE q u i p m e n ta n dP i p i n g 和I s 0 ／T s2 4 817 c o m p o s i t eR e p a i r s f o rP i p e w o r k 管道维修标准，来确保复合材料修复技 术能够安全且合理地修复受损管道。 国内外学者采用有限元数值模拟、爆破试验、理 论研究等方法对复合材料修复进行了大量了研究，取 得了一定的成果0 。1 3J 。 1 ．2 复合材料修复的结构尺寸计算 管道在内压的作用下，其缺陷区域相对容易发生 局部鼓胀，当鼓胀达到一定程度时，就会导致缺陷管 道的失效。采用复合材料修复缺陷管道目的就是有 效地限制缺陷区域的鼓胀，降低管材的环向应力以及 缺陷区域的应变，恢复缺陷管道的强度。一般来说， 修复既要确保管材的应力或应变最小，低于可接受的 临界值，同时又要做到复合材料的使用量最少。 A s M EP C C2 2 0 0 6 和I S O ／r I ’S2 4 8 1 7 中给出了复合材 料修复管道的具体指导方针，包括复合材料缠绕层最 小厚度和最小长度的计算方法4 。15 | 。 然而，对于含小缺陷的管道，采用解析法计算得到 的修复长度和修复厚度，可能造成复合材料用量偏多， 提高修复成本；而对于含缺陷较大的管道，则达不到安 全修复的要求，对于这一问题，目前已有学者采用有限 元模拟分析方法来阐明复合材料修复结构的承载机理， 使复合材料修复技术得到充分的发挥和应用6 。1 7 1 。 2 应用案例 2 ．1 管道缺陷类型 某条管道在投产清管期间，为了将卡在管道中的 清管器取出，在管道开了1 个5 0 0m m 7 0 0m m 的天 窗，之后采用补焊的方式将切割下来的材料作为补丁 补焊在天窗上，如图1 所示。 图1 焊接补丁缺陷管道 2 ．2 缺陷管道修复方案 为保证管道安全运行，减少安全隐患，经过安全 评估，决定采用碳纤维复合材料修复技术对其进行补 强修复。修复方案为环向缠绕，碳纤维缠绕层为8 层， 补强宽度为1m ． 2 ．3 施工步骤 1 施工作业时，首先挖出缺陷管道，达到施工作 业所需要的空间。 2 用砂布、钢丝刷等工具清除防腐层，直至清除 到钢管裸露部位，必要时用专用试剂进行清除。 3 剥离防腐层后，利用无损检测进行探伤，并照 相存档。 4 在确保钢管表面原有防腐涂层及氧化物清除 后，用丙酮等试剂清洗钢管表面，并使其充分干燥。 5 将填平树脂涂刷于钢管表面缺陷部位及焊缝 根部两边，使缺陷部位表面平整，将粘浸胶涂刷到需 要补强的管道区段，在底层粘贴绝缘纤维片，然后在 绝缘纤维片上继续粘贴裁剪好的碳纤维片，应除去纤 维片和树脂之间的气泡，确保没有空鼓现象。完成碳 纤维片缠绕后，在外层纤维上再涂刷一层粘浸胶，继 续重复缠绕碳纤维片，最终缠绕8 层。 6 在碳纤维片粘贴完成后，采用粘弹体防腐带 对该区域进行重新防腐，最后在外层缠绕冷缠带。 7 修复施工完成后，作业区域的树脂需要固化， 一般固化时间为l 一3 天，固化后就可以进行管沟回 填，恢复地貌。 2 ．4 施工验收 由于油气管道的特殊性，在验收中，应尽量采用 非破坏性方法进行验收，即在施工过程中以及施工结 束后，对基体钢管、复合材料补强层与基体钢管的粘 接性能及复合材料补强层3 个方面进行检查，经过验 收为合格。如果没有达到验收要求，可以考虑把整个 补强层剥离，重新安装新的补强层，也可以对补强层 进行局部切除，再进行局部修复。 3 结束语 综上所述，碳纤维复合材料修复因其具有带压不 停输修复、使用寿命长、工艺简单、操作安全、无须大 型设备等优点，是目前发展较快的管道修复技术。在 2 0 世纪9 0 年代初，国内就开始进行复合材料防腐技 术和产品的开发，并在临濮线上开展了一系列试验。 近年来，碳纤维复合材料修复技术在陕京输气管道、 西气东输管道、秦京输油管道等油气管道上得到了广 泛的应用。 参考文献 [ 1 ] 冯耀荣，王新虎，赵冬岩．油气输送管失效事故的调查与 万方数据 4 0 P i p e l i n eT e c h l l i q u ea n dE q u i p m e n t M a r ．2 0 1 3 上接第2 1 页 3 结束语 文中从理论研究、样机研制和数据处理软硬件开 发3 个方面着手，在借鉴国内外同类产品相关研究的 基础上，完成了管道外壁爬行漏磁检测的模拟仿真及 实验装置研制，主要开展以下几方面工作 1 运用仿真软件A N s Y S 的磁学仿真功能，实现 了对中3 2 5 1 0m m 管道外壁矩形缺陷二维漏磁场的 有限元仿真，建立了管道样本缺陷漏磁场的有限元模 型。分析得到不同缺陷信号的变化规律。 2 依据管道外壁爬行漏磁检测装置P I P E S C A N ， 参照P S 3 0 0 探头的设计原理，研制出适用于①3 2 5 管 道的外壁爬行周向励磁漏磁检测探头；应用P R O ，I E L 软件绘制出探头传感器阵列的P c B 板，使探头在较高 检测精度的条件下能够达到最大覆盖面积。 3 基于L a b V I E W 软件设计出集信号回放、小波 去噪和缺陷识别报警等功能于一体的信号处理系统， 实现了读取t x t 数据文件、数据回放同时显示波形、小 波去噪、去噪前后波形对比、缺陷报警和回放速度调 节等功能，并针对不同深度缺采集到的数据进行回 放，验证设计软件的正确性。 参考文献 [ 1 ] 宋小春，黄松岭．天然气长输管道裂纹的无损检测方法． 天然气工业，2 0 0 6 ，2 6 7 1 0 3 1 0 6 ． [ 2 ]刘海峰．管道漏磁检测的数值模拟及实验研究[ 学位论 文] ．北京北京工业大学，2 0 0 9 ． [ 3 ]何辅云，张海燕，丁克勤．钢管漏磁高速检测技术与系统． 北京机械工业出版社，2 0 0 9 3 1 3 7 ． [ 4 ] Y A N GsH ．F i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fc u n ℃n tp e n u r b a t i o n m e t h o do fn o n d e s t m c t i v ee v a l u 砒i o n 印p l i c a t i o n ．A m e s ，I o w a ． I o w aS t a t eU n i v e r s i t y ，p h ．DD i s s e r t a t i o nN o 9 9 6 2 8 5 9 ，2 0 0 0 3 0 3 1 ． [ 5 ] 赵凯华．电磁学．2 版．北京高等教育出版社，1 9 8 5 ． [ 6 ]钟顺时．电磁场基础．北京清华大学出版社，2 0 0 6 ． [ 7 ]易敬曾．磁场计算与磁路设计．成都成都电讯工程学院 出版社，1 9 8 7 ． 作者简介蔡景明 1 9 8 5 一 ，硕士，从事管道检验工作。 万方数据