毛建津,賈 帥,孟祥山,王炳軍,張金勇

(中航油京津冀物流有限公司,天津 300300)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,油氣資源需求持續(xù)增長,國內(nèi)油氣長輸管道的建設發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)現(xiàn)役管道中有60%服役時間超過20 a[1]。由于油氣輸送管道長期處于復雜的地下環(huán)境,因此受到土壤介質(zhì)、地下水、雜散電流的影響,易造成管道腐蝕損壞。管道外腐蝕是導致管道破壞的重要的原因之一[2]。管道在鋪設和服役過程中,機械損傷會造成管道缺陷,造成腐蝕加劇。管壁減薄、強度降低和承壓能力下降,必將給管道安全造成重大隱患,需要及時進行修復[3]。

纖維復合材料修復技術(shù)最初用于加固橋梁混凝土結(jié)構(gòu),從20世紀末開始逐步應用到壓力管道上。起初主要是采用碳纖維充填樹脂的方式進行管道修復,美國和加拿大等進行大量的試驗,并開展一系列的理論分析和數(shù)值模擬計算,證實了纖維復合材料高強度。隨著技術(shù)發(fā)展、新材料不斷涌現(xiàn),玻璃纖維復合材料開始逐步應用到管道修復[4-5]。研發(fā)了一種新型玻璃纖維復合材料,并對其性能指標進行測試檢驗,結(jié)果表明其各項指標性能優(yōu)異,適用于管道腐蝕修復,并且能夠提高管道強度和確保管道安全。

1 復合材料補強的優(yōu)點

傳統(tǒng)的油氣管道修復補強主要包括打磨、堆焊、A型套筒、B型套筒、環(huán)氧套筒、復合材料補強、機械卡箍和換管等方法。油氣屬于易燃易爆?；?且管道在運行過程中承受壓力較大,使得焊接類修復方法存在極大安全風險;再者,動火作業(yè)審批流程嚴格,實施焊接修復對周邊環(huán)境影響大,因此,一般都很謹慎。套筒夾具類修復方法,由于套筒夾具本身質(zhì)量大,修復過程中需要吊裝設備輔助,受施工場地環(huán)境限制較多,因此,實施困難[6-8]。

與傳統(tǒng)管道修復方法相比,玻璃纖維復合材料修復技術(shù)優(yōu)點明顯,在修復過程中無需明火,從而降低了修復施工的風險和對周邊環(huán)境影響。采用纖維復合材料修復管道可帶壓操作,不會影響管道的正常運行。施工簡捷,無需大型機械設備,對操作空間要求低;修復周期短,通常2～3 h即可完成;施工溫度范圍廣,不同季節(jié)和天氣都能施工。施工過程無需電源動力,在偏遠野外沒有電力情況下也能正常進行。玻璃纖維復合材料強度高,其彈性模量與鋼的彈性模量接近,能有效承載管道的壓力,減少管道膨脹和變形。玻璃纖維復合材料抗拉伸強度高,修復后管道的安全性能高。玻璃纖維復合材料可設計性好,濕法纏繞,鋪設方式靈活,可以對環(huán)焊縫、螺旋焊縫、彎管、彎頭、三通、絕緣接頭以及大小頭不規(guī)則管件進行修復補強。玻璃纖維復合材料抗蠕變性能優(yōu)良,其強度不會隨著時間的延長發(fā)生變化,且在地下水介質(zhì)中玻璃纖維復合材料性能穩(wěn)定[9]。玻璃纖維復合材料可以根據(jù)缺陷危險性或腐蝕嚴重情況,在施工過程中調(diào)整玻璃纖維布層數(shù)、種類及鋪設方式來提升修復的強度,增加可靠性。

綜上所述,采用玻璃纖維復合材料修復管道已經(jīng)成為管道缺陷修復技術(shù)發(fā)展的新方向。玻璃纖維復合材料應用在管道修復中越來越廣泛,這也促進了新型玻璃纖維復合材料的技術(shù)研發(fā),使得生產(chǎn)工藝更加成熟和成本不斷降低。

2 新型玻璃纖維復合材料性能

研發(fā)的PolyArmor新型玻璃纖維復合材料由管道補強配套膠、玻璃纖維配套膠和高強度單向玻璃纖維組成。管道補強配套膠材料為無溶劑防護涂料,由改性環(huán)氧樹脂基體與常溫固化改性胺組成,并采用納米增強技術(shù),具有強度高和粘接好的特點,適用于金屬材料的修復與加固。本產(chǎn)品具有良好的觸變性,使用中不流掛、不下墜,施工性能優(yōu)異。PolyArmor新型玻璃纖維材料按照GB/T 2567—2008 《樹脂澆筑體性能試驗方法》進行性能測試,結(jié)果見表1。

表1 PolyArmor缺陷修補材料技術(shù)指標

玻璃纖維配套膠成分與PolyArmor管道補強配套膠相似,為無溶劑防護涂料,由改性環(huán)氧基樹脂基體與常溫固化改性胺組成。該配套膠與玻璃纖維的滲透浸潤性好,并結(jié)合玻纖物性,強度與韌性均衡,適合與各種玻纖材料配套,組成復合材料的防腐與加固體系。PolyArmor玻璃纖維配套膠技術(shù)指標見表2。

表2 PolyArmor玻纖補強配套膠技術(shù)指標

高強玻璃纖維單向織物,是一種經(jīng)編復合材料,采用玻璃纖維紗由經(jīng)編織機編織而成。高強玻璃纖維單向織物布面不易變形,滲透性能好,膨脹系數(shù)小,骨架輕,變形小,易于操作。紗線是伸直且相互平行排列的,纖維的強度和剛度在復合材料中得以充分發(fā)揮,從而減少材料消耗,降低成本。同時還具有較高的的抗疲勞性及損傷容限,從而提高了材料的使用壽命及可靠性,其具有良好的耐腐蝕性,易于被樹脂浸潤,層間粘合好,能適合各種曲面,施工效率高;同時具有防火、阻燃、防水、耐老化、耐氣候性、高強度和高模量等特點。高強玻璃纖維單向織物技術(shù)指標見表3。

在玻璃纖維復合材料使用過程中只有保證PolyArmor缺陷修補材料、PolyArmor玻纖補強配套膠和高強玻璃纖維單向織物三種材料配套使用,才能形成高強度的復合材料和達到修復的效果。使用過程中,需要對腐蝕或者損傷管道進行清理,除去表面浮銹,打磨至露出金屬光澤,然后用缺陷修補料進行修補;待修補材料固化后(固化大約 1 h),在補強處涂刷玻纖配套膠并纏繞玻纖布,在纏繞每層玻纖布后都需要使用配套膠并保證配套膠浸透玻纖,只有纏繞的幾層協(xié)同受力才能保證其良好的整體性。整體固化后形成的玻纖復合材料具有極高的抗拉強度和彈性模量,分擔管道承受的載荷,限制管道缺陷處由內(nèi)壓引起的徑向膨脹和環(huán)向拉伸應力,從而達到對缺陷補強的目的,恢復管道的正常承壓能力。

3 耐壓試驗

為了測試PolyArmor新型玻璃纖維復合材料補強效果,對補強后的管道進行打壓爆破試驗。在試驗過程中,當壓力分別達到11.20 MPa和 14.20 MPa時,保持60 min后未發(fā)生泄漏和屈服變形等異常情況;繼續(xù)增壓為28.23 MPa時,管體發(fā)生破裂,但破裂位置不在玻璃纖維補強處。打壓爆破試驗結(jié)果表明:PolyArmor新型玻璃纖維復合材料強度高,耐壓能力強,對于壓力管道的補強效果好。

4 工程應用

某輸油站場管道內(nèi)出口的埋地管段,管道直徑φ323.9 mm,管道壁厚7.1 mm,設計壓力7.9 MPa,此管段內(nèi)檢發(fā)現(xiàn)存在外部腐蝕減薄缺陷,腐蝕深度分別為20%,21%和29%。腐蝕位置位于出站管線絕緣接頭的兩側(cè),靠近絕緣接頭,套筒不易安裝。為了加強管道的使用性能,提高管道運行的安全性和可靠性,需要對此減薄缺陷處進行補強及整體外防腐處理。首先對管道表面進行打磨處理,除銹等級應達到St3級,并在管體表面進行錨紋處理,達到GB/T 8923.1—2011要求。復合材料修補前用抗氧化專用清洗劑清洗鋼管表面,并保證其充分干燥。

PolyArmor缺陷修補材料A和B按照10∶1比例充分攪拌,混合均勻,目測無色差。將混合好的缺陷修補料填充到處理后的管道表面所有外部缺陷中(蜂窩、麻面和小孔等),包括螺旋焊縫或環(huán)焊縫兩側(cè),直至填料完全填充飽滿。待修補材料固化后(大約1 h)進行打磨找平。缺陷修補劑在修復完畢固化后會形成類似于鋼鐵的堅硬物質(zhì),且與鋼的表面有很好的粘接效果。

然后將玻纖浸漬料H6001和H6002按照 4∶1 比例充分混合、攪拌均勻,目測無色差。在補強處涂刷玻纖配套膠并纏繞玻纖布,在纏繞每層玻纖布后都需要涂刷配套膠并保證配套膠浸透玻纖,只有這樣纏繞的多層協(xié)同受力才能保證其良好的整體性。整體固化后形成的玻纖復合材料具有極高的抗拉強度和彈性模量,分擔管道承受的載荷,限制管道缺陷處由內(nèi)壓引起的徑向膨脹和環(huán)向拉伸應力,從而實現(xiàn)對缺陷補強的目的,恢復管道的正常承壓能力。

混合完畢的粘膠,常溫(25 ℃)下必須保證在 30 min 內(nèi)使用完畢,并且要邊使用邊攪拌;一旦超出使用時間或出現(xiàn)凝膠,就不得繼續(xù)使用。管體缺陷部位應在幅寬為50 cm的玻璃纖維布中部,對縱向較長的缺陷,纏繞時應保證缺陷邊緣距纖維布邊緣的距離不小于 100 mm。第一層纏繞之前先在管道環(huán)向涂刷玻纖配套膠,纏繞一周后,直到樹脂充分浸潤纖維布,沒有干點為止,然后開始纏繞第二層,使用刷子將混合均勻的粘膠均勻地涂刷在纖維布上,再纏繞玻纖布,如此重復。第二道纏繞的第一幅纖維布位置向內(nèi)錯開半幅,使第二道玻纖布中心線壓在首道纏繞層幅面交接線上。每纏繞一層玻璃纖維,都需使用專用工具對其進行趕壓,防止空鼓。第二道玻纖層纏繞起點處應與首道玻纖纏繞結(jié)束位置有3～5 cm的搭接。

完成施工后務必做好成品保護,防止沙塵污染,防止雨淋,2～6 h完成固化,成品見圖1。在管表或環(huán)境溫度低于 10 ℃施工時,應采取加熱措施促進復合材料固化。

圖1 玻璃纖維復合材料修復后的管道

5 質(zhì)量檢查

固化后補強層必須保證表面平整、無垂滴、無鼓包、無漏刷、無褶皺和補強層無明顯錯位等現(xiàn)象。常溫(25 ℃)下放置4～8 h后,使用巴氏硬度計檢測復合材料固化硬度,巴氏硬度不低于 40 HBa 為合格。如果第一次檢測不合格,應放置24 h等待固化再次檢測。如果采取措施后固化硬度仍然不合格,則需要拆除重新安裝。經(jīng)檢測,本次施工外觀合格,巴氏硬度為68 HBa,施工質(zhì)量優(yōu)良。

6 結(jié) 論

PolyArmor新型玻璃纖維復合材料采用納米增強技術(shù),具有強度高、粘接好的特點,抗拉、抗壓強度高,適用于金屬材料的修復與加固。修復后管道的耐壓強度高,適用于低、中、高壓油氣長輸管道的補強。PolyArmor新型玻璃纖維復合材料施工方便,環(huán)境要求低,適用修復范圍廣,價格低廉,應用前景廣闊。