概述

油田管網(wǎng)帶壓修復補強工藝是一種全新的安全不動火修復方式。 以保證油田管網(wǎng)的安全運行為核心目標， 通過采用復合材料對運行中管道進行強度增強， 從而將管道的運行風險控制在合理的范圍之內。 管道補強是綜合的、 立體化的技術， 它應用廣泛， 可用于因腐蝕、 老化、 疲勞、穿孔、 機械損傷等管道失效的現(xiàn)場。 本文主要以塔里木油田天然氣處理站為例， 對管道補強技術的應用進行了初探。

幾種管道修復技術

目前針對機械損傷或腐蝕缺陷而尚未泄漏的管道， 主要的修復技術包括焊接、 換管、 夾具、纖維復合材料修復等。 采用焊接方法對天然氣管道修復具有很大的危險性， 由焊接引起的管道安全事故屢見不鮮， 而且在甲級動火區(qū)施工受到制約； 更換管的經(jīng)濟成本和社會成本都非常高。

夾具修復方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外， 恢復管道承壓能力。 特點是能夠在不破壞原有管道的情況下進行增強。 但夾具方法操作復雜， 尤其是在彎頭處沒有優(yōu)勢， 其造價高、 現(xiàn)場應變能力差、 彎頭處難以施工的弱點十分明顯。

碳纖維復合材料修復補強技術主要使用的是CF纖維, CF纖維化學組成中碳元素占總質量90％以上的纖維。 它是有機纖維在惰性氣體中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀的碳化物。 其典型的特點是：比強度、 比模量高。 最大的缺陷是： 具有導電性， 容易產(chǎn)生二次腐蝕， 在國內的已應用的埋地管道上有很多失敗的案例。

凱夫拉纖維復合材料修復補強技術作為一種高效快捷的新型修復技術， 其優(yōu)點是免焊不動火， 極大地降低了操作的風險性， 并且在尚未有泄漏的補強中， 可以帶壓修復， 保障管道不間斷運行。 凱夫拉纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強度和彈性模量， 是應用于管道補強的理想纖維材料。

1、 凱夫拉纖維不導電， 而碳纖維導電， 因此在地鐵， 工業(yè)廠房等結構中使用碳纖維就有很大的局限性甚至禁入性。 此外， 碳纖維用于混凝土結構補強， 務必與鋼筋隔離以防電化學腐蝕， 而使用凱夫拉纖維則不受此限制。

2、 碳纖維布的抗剪強度較低， 易折斷， 這使得施工時倒角處理要求較高， 倒角半徑不小于20mm， 而凱夫拉纖維僅需要10mm即可。

3、 碳纖維的高彈模量使其能承受長期靜荷載， 這是最為突出的優(yōu)點， 而對于承受動載和局部沖擊作用則凱夫拉纖維更有競爭力。

4、 碳纖維與凱夫拉在施工可操作性方面， 凱夫拉纖維無疑是更合適的材料。

5、 碳纖維加固后的破壞模式是脆性（結構變形小， 碳纖維布的極限延伸率�。� 。

凱夫拉纖維力學性能：

材料力學性能比較

凱夫拉纖維復合材料修復技術

1、 采用專業(yè)分析軟件， 計算管道缺陷的相關數(shù)據(jù)信息， 并確定補強修復的產(chǎn)品類型和方式。

2、 局部管段補強可使用專用打磨工具， 去除表面的銹蝕及防腐層， 將管道表面粗糙度達到65到83微米， 并達到表面硬化的效果代替噴砂作業(yè)。 可有效增加符合材料與管道表面接觸的表面積， 增加符合材料與管道的粘貼強度。 （備注：這是ISO24817的工藝要求， 更完善的施工操作規(guī)程。 ）

3、 使用填平樹脂對管道缺陷進行填平處理。

4、 然后配合專用粘結劑在需要補強的管道外纏繞凱夫拉纖維材料， 形成凱夫拉纖維復合材料補強層。 補強層固化后， 與管道形成一體， 代替管道材料承載管內壓力， 從而達到恢復甚至超過管道設計運行壓力的目的。

專用粘結劑主要成分是環(huán)氧樹脂， 是指分子中還有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的線性有機高分子化合物。

環(huán)氧基團(epoxy goup)可位于分子鏈的末端、 中間或成環(huán)狀結構。 環(huán)氧基團較活潑， 能與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應而生成體形高聚物。

凱夫拉纖維材料是一種在航空航天、 軍工、高壓管道和壓力容器、 建筑結構工程補強（橋梁、 電站、 水利工程及古建筑） 等領域得到廣泛應用的高新技術材料， 它具有非常高的抗拉強度和彈性模量。

凱 夫 拉 纖 維 全 稱 為 " 聚 對 苯 二 甲 酰 對 苯二胺",英文為Aamid fibe， poly- p- phenyleneterephthamide是一種新型高科技合成纖維， 具有超高強度、 高模量和耐高溫、 耐酸耐堿、 重量輕等優(yōu)良性能,其強度是鋼絲的 5～6倍 ， 在560度的溫度下， 不分解， 不融化。 它具有良好的絕緣性和抗老化性能， 具有很長的生命周期。

凱夫拉纖維復合材料補強技術用于管道補強具有如下技術優(yōu)點：

①免焊不動火， 可在帶壓運行狀態(tài)下修復；

②施工簡便快捷， 操作時間短；

③凱夫拉纖維有利于復合材料盡可能多的承載管道壓力， 降低含缺陷管道的應力水平， 限制管道的膨脹變形；

④凱夫拉纖維的抗拉強度高， 用于管道修復具有極高的安全性； 并且凱夫拉纖維復合材料的抗蠕變性能優(yōu)異， 其強度隨著服役時間增加基本保持不變；

⑤凱夫拉纖維復合材料補強層厚度小， 方便后續(xù)的防腐處理；

⑥凱夫拉纖維補強纏繞、 鋪設方式靈活。 可對環(huán)焊縫和螺旋焊縫缺陷(包括高焊縫余高和嚴重錯邊)補強； 還可對彎管、 三通、 大小頭等不規(guī)則管件修復；

⑦可以用于腐蝕、 機械損傷和裂紋等缺陷修復補強， 也可用于整個管段的提壓增強處理， 應用范圍廣。

應用案例

中國特種設備檢測研究院對塔里木油田5#天然氣處理站40萬方裝置區(qū)和工藝區(qū)內的管道進行了全面檢測， 在管體焊縫無損檢測中發(fā)現(xiàn)： 氣舉撬處——氣舉匯管至5#計量間管線的彎頭處存在裂紋（規(guī)格Φ114×8mm， 介質為天然氣， 壓力11/16MPa， 溫度40/45℃） 。 通過特檢院對現(xiàn)場情況進行分析， 氣舉匯管至5#計量間管線彎頭處的裂紋是在使用過程中產(chǎn)生的， 屬于再生裂紋。管道在交變載荷作用下形成疲勞破壞， 由于裂紋的形成和擴展而造成的低應力破壞。 裂紋一旦達到臨界尺寸就突然斷裂， 形成重大安全事故。 根據(jù)裂紋情況和生產(chǎn)實際情況， 采取如下臨時措施： 1、 對彎頭所在區(qū)域進行隔離； 2、 在彎頭處加裝可燃氣體檢測探頭， 并加裝聲光報警器；3、 重點排查， 發(fā)現(xiàn)問題并及時匯報； 4、 采取管道補強措施： 徹底消除安全隱患。

經(jīng)有關部門研究， 采用凱夫拉纖維復合材料補強技術對此段管道進行修復。 補強方案確立后， 經(jīng)過耐斯管道公司軟件分析， 計算管道缺陷的相關數(shù)據(jù)信息， 確定了補強修復的產(chǎn)品類型和方式。 首先對無缺陷管道承受內壓時管壁應力分布進行計算。 在管道完好無損情況下， 承受11MPa的內壓時， 建立3D模型對該方案進行分析。 在3D模型中， 鋼材的彈性模量取207GPa， 泊松比為0.3， 屈服強度為450MPa。 管道內的運行壓力設定為11MPa， 凱夫拉纖維復合材料補強層數(shù)為26層。

采用凱夫拉纖維復合材料補強技術后， 管道中環(huán)向應力有明顯的降低， 裂紋區(qū)域的環(huán)向應力為164MPa。 這個應力數(shù)值低于鋼材的屈服強度，管道變形尚處于彈性變形范圍。 管道經(jīng)過補強處理后， 管壁的應力集中將大大緩解， 管道將處于安全應力范圍內。

補強方案確定后的施工流程為：

①對管道外表面進行預處理， 清除防腐層；

②使用電動除銹工具打磨管道表面， 達到SA2.5級的除銹要求；

③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥；

④在管道表面均勻涂抹樹脂；

⑤隨后纏繞高強度凱夫拉纖維復合材料，

確保復合材料覆蓋了缺陷部位， 纏繞層數(shù)為16層； 待其自然固化。 該項目焊縫垂直于管線， 纏繞過程中完全覆蓋裂紋， 一般超出需修復缺陷25~30cm。

在對管道裂紋進行修復補強后， 第二天進行了表面硬度檢測， 硬度達到了80%， 效果良好。

結論

塔里木油田天然氣處理站于1993年4月投運，投用年限較長， 在對部分管體焊縫無損檢測中發(fā)現(xiàn)“三級給一級補壓、 氣舉機B機補溫”等19條管線的48道焊縫存在未焊透、 未熔合、 氣孔和夾渣缺陷。 如果采用傳統(tǒng)的停產(chǎn)動火更換維修的方法進行修復， 需要至少停產(chǎn)4天， 每天影響產(chǎn)量120噸原油， 4.8萬方天然氣， 直接經(jīng)濟損失380萬元。 采用凱夫拉纖維復合材料修復補強技術避免了損失， 效益顯著�？傊�， （1） 凱夫拉纖維復合材料修復補強技術是一種不停輸、 不停產(chǎn)的恢復管道功能的專業(yè)技術。 修復過的管道能達到與現(xiàn)運行的管道同等使用壽命。 （2） 凱夫拉纖維復合材料修復補強技術較常見的玻璃纖維、 碳纖維具有不導電、 強度高、 韌性好等特點。 （3） 凱夫拉纖維復合材料修復補強技術簡單快捷， 在國外油田管網(wǎng)已廣泛應用， 也將為保證我國管道的安全運行發(fā)揮巨大的作用。 ◢