章 昕 趙建平

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

外表面含局部減薄三通的碳纖維修復(fù)技術(shù)研究

章 昕*趙建平

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

針對(duì)受內(nèi)壓三通外表面發(fā)生局部減薄的情況，從極限載荷分析角度，系統(tǒng)研究了局部減薄缺陷尺寸對(duì)三通承載能力的影響，提出了碳纖維修復(fù)的方案。以待修復(fù)缺陷相對(duì)厚度、周向長(zhǎng)度和軸向長(zhǎng)度為指標(biāo)，以承載能力為目標(biāo)，采用有限元方法，提出了優(yōu)化修復(fù)方案。

三通 局部減薄 碳纖維修復(fù)技術(shù) 極限載荷

目前，國(guó)內(nèi)在役的各類油氣管道五萬(wàn)余千米，由于制造缺陷、環(huán)境腐蝕及第三方破壞等因素，導(dǎo)致各種缺陷危及管道安全[1]。局部減薄是常見(jiàn)缺陷之一，不僅造成管道承載能力下降，而且在載荷作用下，減薄處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而削弱管道抗疲勞載荷能力,如何保障缺陷管道的安全運(yùn)行已成為石化行業(yè)的一個(gè)重要課題[2]。當(dāng)前的管道元件修復(fù)技術(shù)主要可總結(jié)為：夾具修復(fù)、焊接修復(fù)和纖維復(fù)合材料修復(fù)三大類[3～5]。纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)作為一種高效便捷的新型修復(fù)技術(shù)，具有無(wú)需焊接、不動(dòng)火的優(yōu)點(diǎn),在尚未泄漏的補(bǔ)強(qiáng)中,可以不停車帶壓修復(fù)，提高了安全性，在油氣管道維護(hù)和大修中得到廣泛應(yīng)用，如用CFRP修復(fù)城市燃?xì)夤艿篮缚p缺陷，利用復(fù)合材料修復(fù)天然氣管道缺陷等[6～11]。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，以及耐酸堿老化、耐濕熱老化性能，用于鋼制管體缺陷修復(fù)，具有傳統(tǒng)維修方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，將成為纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的主流[12，13]。

1997年，國(guó)外已經(jīng)成功地將碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用在埋地鋼制管道上[14]。隨著復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的飛速發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外的管道行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用[15，16]。國(guó)內(nèi)管道缺陷復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚，在2009年僅有中國(guó)石油管道研究中心和北京安科管道工程有限公司掌握了管道缺陷的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)[17]。

由于三通結(jié)構(gòu)上幾何形狀不連續(xù)性的特點(diǎn)，成為管道中較為薄弱的環(huán)節(jié)。筆者以三通為研究對(duì)象，開(kāi)展碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)對(duì)局部減薄缺陷修復(fù)的研究。

1 無(wú)缺陷三通的極限載荷分析

筆者研究工業(yè)管道中常用的支、主管徑比不小于0.5的三通。設(shè)定主管直徑為406.4mm，支管直徑為219.1mm。應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，采用增量法計(jì)算三通的極限載荷。為便于分析，設(shè)定主管和支管的材料相同(X80HD)，相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)為：彈性模量197.1GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度540MPa。設(shè)定內(nèi)壓載荷均勻施加于模型的內(nèi)表面，取值為100MPa。同時(shí)為了模擬支、主管端封閉的條件，在主、支管端面施加由載荷引起的等效均布拉應(yīng)力分別為235、779MPa。選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應(yīng)力最大點(diǎn)的載荷和應(yīng)變的關(guān)系，利用二倍斜率準(zhǔn)則，得到無(wú)缺陷三通的極限載荷為81.95MPa。

2 含缺陷三通的極限載荷分析

圖1 三通典型部位

圖2 缺陷尺寸示意圖

表1 影響因素與水平

表2 極限載荷的計(jì)算模型和結(jié)果

圖3 含缺陷三通應(yīng)力分布云圖

采用直觀法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。以缺陷三通的極限載荷PL與無(wú)缺陷三通極限載荷PL0之比為縱坐標(biāo)，以各影響因素為橫坐標(biāo)作圖(圖4)，可觀察到各因素對(duì)缺陷三通極限載荷的影響。

a. 缺陷相對(duì)深度與極限載荷

b. 缺陷相對(duì)周向長(zhǎng)度與極限載荷

c. 缺陷相對(duì)軸向長(zhǎng)度與極限載荷

由圖4可見(jiàn)，局部減薄缺陷的深度對(duì)三通極限載荷的影響最大，極限載荷隨深度的增加呈直線下降；局部減薄缺陷的軸向長(zhǎng)度對(duì)極限載荷有一定影響，隨著軸向長(zhǎng)度增加極限載荷有一定減??；局部減薄缺陷的周向長(zhǎng)度對(duì)極限載荷影響不大。

3 碳纖維修復(fù)三通極限載荷分析

碳纖維復(fù)合材料具有很好的拉伸強(qiáng)度和很高的彈性模量，力學(xué)參數(shù)與鋼材的數(shù)值很接近，是管道補(bǔ)強(qiáng)的理想材料[20]。碳纖維修復(fù)時(shí)，首先使用環(huán)氧樹脂填平缺陷處，然后使用專用粘結(jié)劑將碳纖維修復(fù)層貼補(bǔ)在需要補(bǔ)強(qiáng)的管道外壁，形成碳纖維復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)層[1]。補(bǔ)強(qiáng)層固化后，可以與三通形成一體，分擔(dān)管道承受的載荷，限制缺陷處由內(nèi)壓引起的徑向膨脹和環(huán)向拉伸應(yīng)力，從而達(dá)到恢復(fù)管道正常承壓能力的目的[13]。

修復(fù)效果的影響因素主要有缺陷幾何尺寸和碳纖維層幾何尺寸。由于局部減薄深度對(duì)三通的極限載荷影響很大，所以缺陷深度是主要的研究因素。

3.1修復(fù)材料的基本參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，設(shè)定修補(bǔ)劑環(huán)氧樹脂的抗壓強(qiáng)度為103MPa，彈性模量2.0GPa、泊松比0.3；碳纖維復(fù)合材料經(jīng)向彈性模量20GPa，緯向彈性模量21GPa，法向彈性模量20GPa，泊松比0.3。

設(shè)定碳纖維層幾何尺寸時(shí)，為便于分析，同樣采用無(wú)因次參數(shù)，分別為碳纖維層相對(duì)厚度a1/a、相對(duì)軸向長(zhǎng)度L1/L和相對(duì)周向長(zhǎng)度θ1/θ。a，L和θ分別為缺陷的深度、軸向長(zhǎng)度和周角；a1和L1為碳纖維層的厚度和軸向長(zhǎng)度，θ1為碳纖維層自缺陷開(kāi)始的周角(圖5)。筆者所設(shè)定的缺陷在三通主管腹部，離相貫線較近，采取相貫線處全覆蓋碳纖維層至三通支管的方法。由于支管處未設(shè)定缺陷，出于節(jié)省考慮，只貼補(bǔ)較薄的碳纖維層，設(shè)定為支管壁厚的1/4?？紤]到缺陷深度對(duì)三通的極限載荷影響最大，所以缺陷深度與碳纖維層幾何尺寸的關(guān)系為主要研究因素。

圖5 碳纖維鋪設(shè)方案

3.2針對(duì)極限載荷最小的缺陷三通的碳纖維修復(fù)方案

固定a/t=0.8，設(shè)定θ1/θ=3/2和L1/L=5/4，具體方案見(jiàn)表3。

表3 不同厚度的計(jì)算模型及修復(fù)效果

由表3可知，當(dāng)a1/a=3/8即a1/t=3/10時(shí),已基本恢復(fù)缺陷三通承載能力；當(dāng)a1/a=4/8即a1/t=4/10時(shí)，修復(fù)后三通的極限載荷已遠(yuǎn)大于無(wú)缺陷三通的極限載荷，說(shuō)明用材浪費(fèi)。

固定a/t=0.8，a1/a=3/8即a1/t=3/10，改變?chǔ)?/θ和L1/L，具體方案見(jiàn)表4。

由表4可以看出，θ1/θ=3/2和L1/L=5/4修復(fù)效果最好，也無(wú)需進(jìn)行周向和軸向長(zhǎng)度的加大試算。兩者中任一參數(shù)減小時(shí)，均使極限載荷減小，不滿足安全要求。當(dāng)θ1/θ=7/4和L1/L=11/8時(shí)，雖然碳纖維層的周向及軸向長(zhǎng)度都增加，但修復(fù)后三通的極限載荷沒(méi)有明顯增加，說(shuō)明用材浪費(fèi)。

表4 不同周向長(zhǎng)度和軸向長(zhǎng)度的計(jì)算模型及修復(fù)效果

根據(jù)表3、4的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模,計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應(yīng)力最大點(diǎn)，即三通肩部相貫線處應(yīng)力最大點(diǎn)，研究其載荷和應(yīng)變的關(guān)系，利用二倍斜率準(zhǔn)則計(jì)算出不同相對(duì)厚度，相對(duì)周向長(zhǎng)度和軸向長(zhǎng)度下修復(fù)三通的極限載荷。

圖6 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)模型應(yīng)力分布云圖

3.3針對(duì)不同缺陷深度的三通的碳纖維修復(fù)方案

改變?nèi)毕萆疃龋３謅1/a=3/8，θ1/θ=3/2和L1/L=5/4不變。并且在每種缺陷深度中，選擇極限載荷最小的缺陷三通。因缺陷深度a不是定值，為便于分析引入?yún)?shù)碳纖維層厚度和壁厚的比值a1/t。建立碳纖維修復(fù)模型并計(jì)算，選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應(yīng)力最大點(diǎn)用二倍斜率法求出極限載荷，具體方案見(jiàn)表5。

表5 改變?nèi)毕菹鄬?duì)深度的計(jì)算模型及結(jié)果

由表5可得，當(dāng)(a/t)>0.5時(shí)，若a1/a=3/8，則(a1/t)>15/80，修補(bǔ)后三通的極限載荷最為接近無(wú)缺陷三通的極限載荷，是合理的修復(fù)方案。

當(dāng)(a/t)<0.5時(shí)；若a1/a=3/8，則(a1/t)<15/80，極限載荷明顯下降，需另行設(shè)計(jì)。碳纖維層的相對(duì)周向和軸向長(zhǎng)度對(duì)修補(bǔ)效果影響沒(méi)有相對(duì)厚度顯著，采用改變碳纖維層相對(duì)厚度a1/a的方法設(shè)計(jì)，為便于分析引入?yún)?shù)碳纖維層厚度和壁厚的比值a1/t。建立有限元模型計(jì)算，選擇結(jié)構(gòu)上Tresca應(yīng)力最大點(diǎn),用二倍斜率法求出極限載荷，方案見(jiàn)表6。

由表6可得，當(dāng)(a/t)<0.5時(shí)，若a1/a=6/8則 (a1/t) <30/80，修補(bǔ)后三通的極限載荷已非常接近無(wú)缺陷三通的極限載荷，是合理的修復(fù)方案。由于隨著缺陷深度的減小，參數(shù)a1/a中與之對(duì)應(yīng)的碳纖維層補(bǔ)強(qiáng)厚度就減小，而補(bǔ)強(qiáng)所需的碳纖維層厚度不能過(guò)小，所以隨a/t減小，a1/a反而增大。另結(jié)合表5、6可得，在不同缺陷深度下，合理的碳纖維層厚度與壁厚的比值a1/t，最小不低于12/80，最大不超過(guò)30/80。

表6 增加碳纖維層厚度的計(jì)算模型和結(jié)果

4 結(jié)論

4.1局部減薄缺陷中，深度對(duì)三通的極限載荷影響十分顯著，隨著局部減薄深度的增加，極限載荷呈直線下降；局部減薄缺陷的軸向長(zhǎng)度對(duì)極限載荷有一定影響，隨著軸向長(zhǎng)度增加極限載荷有一定減?。痪植繙p薄缺陷的周向長(zhǎng)度影響不大。

4.2碳纖維層相對(duì)缺陷周向角度θ1/θ=3/2和相對(duì)軸向長(zhǎng)度L1/L=5/4時(shí)，修復(fù)效果最好，在合理修復(fù)厚度下，可以接近無(wú)缺陷三通的極限載荷；當(dāng)θ1/θ和L1/L中的任一參數(shù)小于該方案時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)不滿足要求；當(dāng)θ1/θ和L1/L加大時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)效果基本不變。

4.3當(dāng)缺陷相對(duì)深度(a/t)>0.5時(shí)，若a1/a=3/8，補(bǔ)強(qiáng)后三通的極限載荷基本接近無(wú)缺陷三通的極限載荷；當(dāng)(a/t)<0.5時(shí)，若a1/a=6/8，修補(bǔ)后三通的極限載荷基本接近無(wú)缺陷三通的極限載荷，是合理的修復(fù)方案。且在不同缺陷深度下，合理的碳纖維層厚度與壁厚的比值a1/t最小不低于12/80，最大不超過(guò)30/80。

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CarbonFiberRepairingTechnologyforTeewithLocally-thinnedExternalSurface

ZHANG Xin, ZHAO Jian-ping

(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing211816,China)

Considering the fact that tee under internal pressure has locally-thinned external surface and starting with the limit load analysis, the influence of this locally-thinned external surface’s size on the tee’s bearing capacity was discussed and the carbon fiber repairing scheme for it was designed; through having this surface defect’s relative thickness, the circumferential length and the axial length as well as the bearing capacity considered and the means of the finite element analysis adopted, the optimal repairing scheme was proposed.

tee, locally-thinned external surface, carbon fiber repairing technology, limit load

*章 昕，女，1992年10月生，碩士研究生。江蘇省南京市，211816。

TQ055.8

A

0254-6094(2016)06-0810-06

2016-04-14，

2016-05-31)