米 濤

（中國(guó)石化青島石油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266043）

0 引言

石油化工等能源行業(yè)的發(fā)展對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重大影響，尤其是在當(dāng)前全球能源需求日益緊張的背景下，石化行業(yè)的戰(zhàn)略地位越來(lái)越重要。目前石化裝置的發(fā)展趨于大型化、一體化，其輸送介質(zhì)的特點(diǎn)也日趨復(fù)雜，在生產(chǎn)實(shí)踐中存在大量泄漏、爆炸以及中毒等風(fēng)險(xiǎn)，給企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。為此，石化企業(yè)就必須遵循穩(wěn)定性、可靠性、安全性原則，提高石化裝置的運(yùn)行水平。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在石化裝置管道中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，可以有效解決一些管道腐蝕與破壞問(wèn)題，因此有必要圍繞其在石化裝置的應(yīng)用進(jìn)行探討與研究。

1 石化裝置概況

石化裝置的運(yùn)行具有很強(qiáng)的周期性與系統(tǒng)性，期間包含設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝、開(kāi)停工、材料管理、維修管理等方面工作。因?yàn)槭艿蕉喾矫嬉蛩氐挠绊懀刂剖b置運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性往往具有一定難度。本質(zhì)上，石化裝置正常運(yùn)行必須建立在設(shè)備管理合理、狀態(tài)良好的基礎(chǔ)之上。目前，石油化工企業(yè)必須致力于現(xiàn)代新型技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，遵循科學(xué)性、有效性原則，使石化裝置的運(yùn)行狀態(tài)趨于穩(wěn)定、可靠，從而規(guī)避相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

在當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的情況下，石化企業(yè)對(duì)石化裝置運(yùn)行周期的要求越來(lái)越高。一直以來(lái)，石化企業(yè)都十分關(guān)注石化裝置運(yùn)行管理問(wèn)題，并致力于提高其運(yùn)行周期，石化裝置的檢修周期從最早的一年一修到現(xiàn)在的4 年一修，可以說(shuō)取得的成果非常突出。當(dāng)然，與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)石化裝置的運(yùn)行管理依然存在著一些問(wèn)題。實(shí)際上，裝置的運(yùn)行周期長(zhǎng)短在很大程度上取決于設(shè)備運(yùn)行周期的長(zhǎng)短，如果設(shè)備能夠保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，那么石化裝置的運(yùn)行自然也會(huì)趨于穩(wěn)定、可靠。因此，如何做好設(shè)備管理工作，促使完整性與周期性得到強(qiáng)化具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在設(shè)備完整性管理工作中，修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，而碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的運(yùn)用，則大大緩解了石油化工行業(yè)中的管道修復(fù)壓力，因此，有必要圍繞該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用與發(fā)展展開(kāi)深入的探索與研究。

2 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)

2.1 技術(shù)類型

（1）預(yù)成型法。所謂的預(yù)成型法，就是提前在工廠利用不飽和聚酯和碳纖維來(lái)處理缺陷管道，根據(jù)管道管徑進(jìn)行復(fù)合套筒的預(yù)制工作，然后在現(xiàn)場(chǎng)管道表面利用強(qiáng)力膠將其與復(fù)合層粘結(jié)到一起，從而使管道恢復(fù)強(qiáng)度。預(yù)成型法最早源自美國(guó)，修復(fù)材料以玻璃纖維為主，主要用于壓力管道外腐蝕缺陷修復(fù)，至今已有20 多年的歷史。

（2）濕纏繞法。濕纏繞法就是先在管道上纏繞碳纖維布，然后在纖維布上涂刷樹(shù)脂，按照特定的溫度與時(shí)間使樹(shù)脂固化、與纖維布形成一層復(fù)合層，并與原有管壁緊密地貼合在一起，在管道承受圓周應(yīng)力時(shí)分?jǐn)偣艿栏g部位的集中應(yīng)力，最后使管道缺陷部位維持在一個(gè)安全的狀態(tài)。該項(xiàng)技術(shù)也源自于美國(guó)，在很多管道缺陷修復(fù)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。濕纏繞法對(duì)溫度有一定要求，一般以-25～160 ℃為宜。

2.2 適用范圍

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)有一定的適用范圍，在管道外部腐蝕、機(jī)械損傷、內(nèi)腐蝕以及磨損、生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)泄漏與缺陷等情況下，使用效果比較理想。以內(nèi)腐蝕為例，在設(shè)備與管道修復(fù)中維修人員需要分析實(shí)際情況，確定維修壽命，從而充分發(fā)揮碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的作用。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

目前，在很多石化裝置管道修復(fù)技術(shù)中，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)有著非常突出的優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道與城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖氖褂门c運(yùn)行過(guò)程中，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用也趨成熟。該項(xiàng)技術(shù)主要有以下6 個(gè)應(yīng)用特點(diǎn)：

（1）該修復(fù)技術(shù)應(yīng)該建立在“三不”的基礎(chǔ)上，即不卸料、不泄壓、不動(dòng)火。該項(xiàng)技術(shù)不需要采取焊接的方式，減少管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)可以確保管道運(yùn)行不會(huì)中斷，促使石化裝置運(yùn)行周期趨于穩(wěn)定。

（2）與其他材料相比，碳纖維在彈性模量、抗拉強(qiáng)度以及延伸率方面都具有突出優(yōu)勢(shì)，如其與碳鋼具有幾乎相同的彈性模量。美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)的調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)，在壓力管道修復(fù)工作中復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與彈性模量往往決定了其修復(fù)效果，這樣碳纖維的特性決定了其具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

（3）碳纖維復(fù)合材料與修補(bǔ)劑的各方面特性均比較突出，如層間剪切強(qiáng)度、耐腐蝕能力、耐溫性能以及抗老化性等比較高。

（4）因?yàn)閺?fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層厚度薄且質(zhì)量低，其與管道的協(xié)同性相對(duì)理想，復(fù)合材料不會(huì)對(duì)管體造成二次損傷。

（5）碳纖維布具有良好的柔韌性，在焊縫余高偏高、錯(cuò)邊與變形比較嚴(yán)重的缺陷修復(fù)中能夠取得理想的效果。與此同時(shí)，碳纖維還能夠在彎管、三通以及大小頭等不規(guī)則關(guān)鍵修復(fù)中發(fā)揮較好的作用

（6）碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，而且修復(fù)難度不大，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)作業(yè)。

3 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)在含缺陷壓力管道中的應(yīng)用

3.1 石化裝置壓力管道損傷分析

以某石化企業(yè)為例，對(duì)其石化裝置壓力管道損傷進(jìn)行研究。該企業(yè)每年壓力管道檢驗(yàn)長(zhǎng)度為200 km，近幾年缺陷率為10%左右。通過(guò)分析可知，管道缺陷主要分為3 種，即腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂以及原始缺陷。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，腐蝕與原始超標(biāo)缺陷為主要的缺陷形式，考慮到強(qiáng)度因素對(duì)含缺陷因素造成的影響使其產(chǎn)生破裂與泄漏，技術(shù)人員選擇補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，從而有效控制非計(jì)劃停車，延長(zhǎng)管道使用壽命。

3.2 修復(fù)方案

在對(duì)管道缺陷情況進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，技術(shù)人員對(duì)缺陷的具體參數(shù)進(jìn)行了確認(rèn)，并根據(jù)管道運(yùn)行工況與承受能力，遵循安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及科學(xué)性原則，對(duì)管道缺陷修復(fù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

選取腐蝕減薄或穿孔管道修復(fù)為例。之前企業(yè)對(duì)這類含缺陷管道的修復(fù)都是采用局部更換管段或者焊接修復(fù)的方式，然而這種修復(fù)方式違背了“三不”原則（即不接受不良品、不制造不良品、不流出不良品），限制到上下游的正常生產(chǎn)且安全風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)裝置運(yùn)行周期造成一定影響。為了保障生產(chǎn)活動(dòng)正常進(jìn)行，技術(shù)人員選擇了碳纖維符合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要充分考慮使用單位的修復(fù)目標(biāo)以及設(shè)備服役情況，并按照一定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確定修復(fù)層厚度的最小值、補(bǔ)強(qiáng)層數(shù)、軸向修復(fù)長(zhǎng)度等參數(shù)，確保管道最大許可操作壓力符合修復(fù)要求，從而在管道正常運(yùn)行的情況下完成修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。

3.3 施工控制要點(diǎn)

（1）預(yù)處理。在施工準(zhǔn)備階段，技術(shù)人員需要對(duì)修復(fù)方案進(jìn)行仔細(xì)閱讀，從而確定修復(fù)范圍并做好標(biāo)記。在預(yù)處理過(guò)程中，首先要按照一定規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用機(jī)械或噴砂除銹的方式，清除管道缺陷軸向兩邊一定距離的表面防腐層與氧化物。如果管道腐蝕情況嚴(yán)重，那么在清理表面時(shí)還應(yīng)該采取降壓操作，

（2）填縫。對(duì)于腐蝕缺陷，應(yīng)該用修補(bǔ)劑填充，并且修補(bǔ)劑應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制。在填補(bǔ)過(guò)程中，填補(bǔ)位置邊緣與管體表面應(yīng)趨于平滑，確保其固化水平達(dá)到一定要求，如此才能使碳纖維符合材料與修補(bǔ)劑接觸到位，不會(huì)發(fā)生空鼓現(xiàn)象。

（3）環(huán)氧底漆涂抹。按照超過(guò)0.2 mm 的厚度標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)氧底漆涂涂抹在管道補(bǔ)強(qiáng)位置，從而有效隔離碳纖維符合材料與管壁，有效控制電偶腐蝕問(wèn)題。

（4）碳纖維包覆。使用環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維片材鋪粘到一起，使纖維復(fù)合層材料補(bǔ)強(qiáng)層得以形成。碳纖維布應(yīng)該保持緊繃狀態(tài)，可以施加相應(yīng)的預(yù)緊力并進(jìn)行反復(fù)輥壓，從而消除復(fù)合材料層、材料以及管道外表面間的氣泡與空鼓。

（5）固化與后期處理。在完成補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)之后，應(yīng)該做好補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域樹(shù)脂固化工作，具體操作可以選擇塑料薄膜進(jìn)行覆蓋，確保規(guī)避風(fēng)沙、雨水等干擾。在作業(yè)溫度不超過(guò)5 ℃的情況下，還要調(diào)整材料或者采取加溫措施來(lái)保障固化效果。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(fù)保溫層。

4 結(jié)束語(yǔ)

石化企業(yè)為了保障自身綜合效益，就必須遵循穩(wěn)定性、可靠性、安全性原則，提高石化裝置的運(yùn)行水平。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可以有效解決一些管道腐蝕與破壞問(wèn)題，在石化裝置管道中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，因此有必要圍繞其在石化裝置的應(yīng)用進(jìn)行探討與研究。