管道在工业生产和居民生活中具有重要的作用,其中对压力、温度较高要求的多使用金属管道。我们走入工厂,很容易就可以见到输送水、蒸汽或原料的管道。而在石油或石化系统,管道更是必不可少,各种各样的管道组成的壮观的生产、储运装置。

但在管道运行过程中难免会产生腐蚀、损坏。

这是就需要修、补等。而不及时处理或处理不当,就有可能造成极为恶劣的后果。

常规的方案有换管、焊接、夹具补强等。但换管的工程量较大,既耗时,费用又大。在处理天然气、石油、化工溶剂等易燃易爆物品时,因为焊接会产生火花,所以比较危险。焊接补强施工工艺要求比较严格,且焊接材料与管道材质的吻合度也决定了补强的效果好坏。该方法优点是费用较低。但其缺点是 : 焊穿的危险性大;管道与补强钢材间的传力均匀和性能匹配问题;易产生氢脆和冷脆。夹具补强主要是通过机械夹具来弥补管材缺失的强度缺陷,从而达到恢复其强度的目的,该办法的优点是不在运行管道上直接进行焊接,避免了焊穿和氢脆、冷脆的风险;但费用较高且补强寿命难以持久。

而随着纤维增强技术的发展,其应用管道补强和修复,也越来越广泛。纤维复合材料类型补强是利用纤维材料的高强度 , 结合粘结树脂在服役的腐蚀或受损管道外包覆一个复合材料修复管道层 , 来恢复含缺陷管道的服役强度,在不影响生产的情况下对受损管体进行强度修复,具有免焊不动火、不停输、在线、快速修复、操作安全、施工人员少、无须大型设备、费用低等优点,适用于各种缺陷,是管道补强修复的主流方向。不仅如此,复合材料类型的补强还可用于无缺陷管道的提压增强。由于这类补强方式不用在服役管道上进行焊接,避免了焊穿和发生氢脆、冷脆的风险性。纤维复合材料主要有玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料和芳纶纤维复合材料三种补。而碳纤维复合材料因为强度、模量高,密度小,耐腐蚀性能好,得到了较为广泛的应用。

碳纤维复合材料在管道修复中主要用于锈蚀部分补强加固和进行堵漏。

管道堵漏的要求是快速,有效。首先根据管道输送物质,选择金属、塑料或其他带有一定韧性的材料,根据泄漏口的形状制备相应的扁楔或圆楔,压入泄漏口,然后在管道上刷漆和粘合剂,然后缠绕碳纤维布(根据压力计算层数),边缠绕碳布,边刷环氧,然后利用电热毯加热固化。

用于管道加固修复的碳纤维主要是单向布或平纹布。

目前碳纤维复合材料在管道加固修复方面已经有了比较广泛的应用,例如中石化制定关于管道修复用碳纤维复合材料的企业标准,其中对碳纤维布的要求为:

检测项目 质量指标 试验方法
经向拉伸强度,Mpa 大于2000 GB/T 3362
面密度,g/平米 200-400 HB 7736.3
纬向拉伸强度(平纹布),Mpa 大于1000 GB/T 3362
纤维丝伸长率,% 大于1.6 GB/T 3362

因此技术人员总结了碳纤维复合材料用于管道加固修复的优点如下:

① 免焊不动火,可在带压运行状态下修复。

② 碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接近,也就是说刚性接近,有利于分散管道承载的压力,限制管道的变形。

③ 碳纤维的拉伸强度更高,当管道受力变形膨胀时,需要比钢更大的力材料破坏。

④ 碳纤维的尺寸稳定性好,耐疲劳,抗蠕变。而且屈服强度高,长期使用有优势。

⑤ 碳纤维及复合材料耐腐蚀性能远远优于钢材。

⑥ 碳纤维及复合材料的密度小、重量轻,且柔韧性好,便于高空操作或狭小、复杂空间操作。

⑦ 施工灵活、简便快捷,操作时间短。

⑧ 可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强,也可用于整个管段的提压增强处理,应用范围广。

作者简介:

严兵,江苏澳盛复合材料科技有限公司技术总监,教育部工程教育认证专家,中国塑料加工工业协会专家组成员,中国复合材料学会会员,江苏复合材料学会常务理事,苏州大学产业导师。多年从事纤维、粉体增强的高分子基复合材料的研发、生产的技术工作,开发了多项产品投入市场,创造良好的经济效益,在科学期刊发表论文20多篇,申请专利多项,其中20多项已经授权。