范玉然1 王琳1 李青青2

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司；2.西安西北石油管道有限公司

摘要：針對(duì)在役油氣管道修復(fù)現(xiàn)狀，提出一種油氣管道用新型復(fù)合材料增強(qiáng)套筒及配套施工工藝技術(shù)，優(yōu)選出E級(jí)玻璃纖維雙向織物和環(huán)氧樹脂組成的復(fù)合材料作為增強(qiáng)套筒的材料，基于基體屈服許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，采用真空灌注工藝施工。該修復(fù)技術(shù)有效彌補(bǔ)了鋼制環(huán)氧套筒和復(fù)合材料修復(fù)方法應(yīng)用中的不足，為相關(guān)作業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：環(huán)焊縫；新型復(fù)合材料；增強(qiáng)套筒；管道修復(fù)

在管道不停輸情況下，采用換管方式進(jìn)行大口徑、高壓力輸氣管道缺陷修復(fù)極具挑戰(zhàn)性。國內(nèi)目前應(yīng)用最多的是套筒修復(fù)技術(shù)和纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)。但前者施工復(fù)雜，焊接操作難度大；后者施工工藝繁瑣，質(zhì)量穩(wěn)定性較差。為克服前述修復(fù)方式弊端，筆者提出一種新型復(fù)合材料增強(qiáng)套筒（以下簡(jiǎn)稱復(fù)材套筒）修復(fù)技術(shù)，能夠有效簡(jiǎn)化施工步驟、降低施工難度。國外澳大利亞、馬來西亞等國家在這方面的研發(fā)應(yīng)用已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。

1  復(fù)材套筒選材及性能測(cè)試

1.1  材料篩選

復(fù)材套筒所用材料主要包括增強(qiáng)纖維與樹脂基體。增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等，玻璃纖維具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，確定采用E級(jí)玻璃纖維雙向織物作為復(fù)材套筒的增強(qiáng)材料。樹脂基體常用酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂性能優(yōu)異，故選用雙酚A類環(huán)氧樹脂和脂肪族多胺類固化劑組成的環(huán)氧樹脂體系。

1.2  性能測(cè)試

為驗(yàn)證E級(jí)玻璃纖維雙向織物和環(huán)氧樹脂體系組成的復(fù)合材料是否滿足修復(fù)需求，對(duì)優(yōu)選出的材料進(jìn)行鋪層試驗(yàn)，制備小型試樣后對(duì)纖維和樹脂的適配性、復(fù)合材料的力學(xué)性能等進(jìn)行了測(cè)試。

根據(jù)材料性能測(cè)試結(jié)果和鋪層試驗(yàn)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果，最終確定了復(fù)材套筒材料性能指標(biāo)，如表 1所示。

表 1 復(fù)材套筒材料性能指標(biāo)

2  復(fù)材套筒設(shè)計(jì)方法研究

研究采用基體屈服許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法。針對(duì)選定的復(fù)材套筒材料，首先進(jìn)行小型試樣加速老化試驗(yàn)，測(cè)得不同老化時(shí)間下對(duì)應(yīng)的材料剩余強(qiáng)度。使用簡(jiǎn)化剩余強(qiáng)度壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到針對(duì)選定材料的剩余強(qiáng)度壽命預(yù)測(cè)公式：

根據(jù)ASME PCC-2–2015 (Revision of ASME PCC-2–2011)規(guī)定，使用下式計(jì)算復(fù)合材料環(huán)向許用應(yīng)變?chǔ)與 和軸向許用應(yīng)變?chǔ)纽粒?o:p>

其中：

對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行修正后環(huán)向許用應(yīng)變?chǔ)?c 和軸向許用應(yīng)變?chǔ)?α分別為：

對(duì)于環(huán)向應(yīng)力修復(fù)，復(fù)材套筒的設(shè)計(jì)厚度trepair由下式計(jì)算：

對(duì)于軸向應(yīng)力修復(fù)，復(fù)材套筒的設(shè)計(jì)厚度trepair由下式計(jì)算：

對(duì)于環(huán)向應(yīng)力修復(fù)和軸向應(yīng)力修復(fù)，復(fù)材套筒的軸向最小寬度L由下式計(jì)算：

式中L為復(fù)材套筒軸向最小寬度，mm；Ldefect為缺陷軸向?qū)挾�，mm；Ltaper為復(fù)材套筒邊界斜坡寬度，mm；Ltaper為最小值，取5；t為管道壁厚，mm。

該設(shè)計(jì)方法考慮了復(fù)合材料在實(shí)際老化過程中產(chǎn)生的性能衰減，其保守性也能夠確保實(shí)現(xiàn)缺陷管道的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)效果。

3  有限元模擬分析

對(duì)復(fù)材套筒修復(fù)結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行有限元模擬分析。通過模擬修復(fù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓載荷和彎曲載荷下的受力情況和失效模式，分析復(fù)材套筒的修復(fù)性能。試驗(yàn)所用管材為管徑1219 mm×18.4 mm 的X80鋼管，總長(zhǎng)12 m。在管體上構(gòu)建相應(yīng)的金屬損失缺陷來分析管體應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。

3.1  內(nèi)壓載荷模擬結(jié)果

對(duì)于僅受內(nèi)壓載荷的管道，在有限元分析中管道兩側(cè)采用強(qiáng)制位移約束（完全固定），管體內(nèi)部施加壓力邊界條件，壓力分為兩類工況，一類是工作壓力12 MPa，另外一類持續(xù)增壓直到爆破，以此來分析爆破情況下的缺陷補(bǔ)強(qiáng)效果，應(yīng)力應(yīng)變分析見圖 1、圖 2。

圖 1 12 MPa內(nèi)壓下管道軸向及環(huán)向應(yīng)力應(yīng)變比較（左為軸向，右為環(huán)向）


圖 2 爆破狀態(tài)下有無補(bǔ)強(qiáng)的管道塑形應(yīng)變分析（左為無補(bǔ)強(qiáng)，右為有補(bǔ)強(qiáng)）

（1）在管道設(shè)計(jì)壓力12 MPa下，有無修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的管道均未發(fā)生失效，但是復(fù)材套筒修復(fù)結(jié)構(gòu)明顯降低了管道缺陷處的應(yīng)力。此外，填充膩?zhàn)拥氖芰η闆r表明復(fù)材套筒修復(fù)結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)，即對(duì)管道進(jìn)行了有效補(bǔ)強(qiáng)。

（2）在爆破壓力試驗(yàn)中，如果沒有補(bǔ)強(qiáng)，13.46 MPa內(nèi)壓下缺陷塑性應(yīng)變突變，管道爆破；但是在復(fù)材套筒的增強(qiáng)下，缺陷塑性應(yīng)變只有0.02%，非常安全；在壓力達(dá)到23.84 MPa時(shí)，管道發(fā)生整體爆破，但缺陷內(nèi)部的應(yīng)變也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到爆破塑性應(yīng)變。說明復(fù)材套筒對(duì)缺陷鋼管起到了有效的補(bǔ)強(qiáng)作用。

3.2  彎曲載荷模擬結(jié)果

彎曲載荷下有限元模擬修復(fù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果顯示：同規(guī)格不含缺陷的鋼管最大承載彎矩為12.80×106 N·m，含缺陷未修復(fù)鋼管最大承載彎矩為10.84×106 N·m，而復(fù)材套筒修復(fù)后的最大承載彎矩為12.34×106 N·m，與不含缺陷鋼管的最大承載彎矩基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)材套筒對(duì)缺陷管道在彎曲載荷下起到了有效的補(bǔ)強(qiáng)作用。

有限元分析結(jié)果表明，復(fù)材套筒對(duì)缺陷管道起到了良好的環(huán)向補(bǔ)強(qiáng)和彎曲補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)作用，驗(yàn)證了復(fù)材套筒用材料性能指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的有效性和安全性。

4  復(fù)材套筒施工工藝研究

4.1  施工工藝流程

提出基于真空灌注工藝的復(fù)材套筒修復(fù)施工工藝，主要施工流程：修復(fù)材料準(zhǔn)備及進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)→管體表面處理→缺陷填充修補(bǔ)→涂刷底漆→貼密封膠條→干纖維束/布纏繞→固定引樹脂導(dǎo)管與抽氣導(dǎo)管→鋪密封膜→抽真空導(dǎo)膠→樹脂固化→檢測(cè)。通過管徑323 mm、508 mm和1219 mm三種管道修復(fù)施工工藝模擬試驗(yàn)（圖 3），確認(rèn)纖維織物纏繞是復(fù)合材料增強(qiáng)套筒施工的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，尤其針對(duì)大尺寸復(fù)材套筒結(jié)構(gòu)，纖維纏繞方式和預(yù)緊力大小直接影響復(fù)材套筒的成型質(zhì)量。

圖 3 復(fù)材套筒鋼管修復(fù)施工工藝模擬試驗(yàn)

4.2  施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

提出復(fù)材套筒修復(fù)施工質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)，包括外觀、結(jié)構(gòu)尺寸、空鼓率及界面黏接性能，用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，控制修復(fù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，如表 2所示。

表 2 復(fù)材套筒修復(fù)施工驗(yàn)收指標(biāo)

5  爆破試驗(yàn)

為實(shí)際驗(yàn)證復(fù)合材料增強(qiáng)套筒的環(huán)向修復(fù)性能，選擇復(fù)材套筒修復(fù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)所用管材為管徑1219 mm×18.4 mm 的X80螺旋鋼管，缺陷尺寸為300 mm（軸向長(zhǎng)度）×50 mm（環(huán)向長(zhǎng)度）×7.4 mm（深度），采用銑床加工。

表 3所示為環(huán)焊縫含金屬損失缺陷鋼管與缺陷修復(fù)鋼管根據(jù)缺陷尺寸計(jì)算預(yù)測(cè)爆破壓力與試驗(yàn)爆破壓力對(duì)比，可見兩根鋼管材質(zhì)、焊材焊接工藝均相同的情況下，修復(fù)鋼管爆破壓力遠(yuǎn)高于缺陷鋼管，且爆破位置位于管體非缺陷區(qū)域，其缺陷深度也高于未修復(fù)鋼管，表明缺陷修復(fù)后鋼管的承壓能力明顯提高。

表 3 含缺陷鋼管與修復(fù)鋼管的爆破壓力對(duì)比

為進(jìn)一步分析復(fù)材套筒的修復(fù)效果，還對(duì)缺陷部位及管體位置的環(huán)向應(yīng)變進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，復(fù)材套筒對(duì)缺陷部位的應(yīng)變抑制效果明顯，對(duì)套筒下管體環(huán)向應(yīng)變也具有一定抑制作用。

由此得出，采用復(fù)材套筒修復(fù)后的缺陷管道在設(shè)計(jì)壓力下保壓未發(fā)生泄漏，在繼續(xù)加壓后于完整管體處爆破，表明該修復(fù)技術(shù)恢復(fù)了含缺陷管道的承壓能力。此外，也驗(yàn)證了提出的復(fù)材套筒施工工藝和驗(yàn)收指標(biāo)可保證管道修復(fù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

6  結(jié)論

研究了油氣管道用新型復(fù)合材料增強(qiáng)套筒修復(fù)技術(shù)，優(yōu)選出制備復(fù)合材料增強(qiáng)套筒的材料，建立了復(fù)合材料增強(qiáng)套筒設(shè)計(jì)方法。該修復(fù)技術(shù)能夠代替目前常用的環(huán)氧套筒和纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效、可靠、便捷、適用性廣泛的缺陷油氣管道修復(fù)應(yīng)用。 

作者簡(jiǎn)介：范玉然，1979年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，部長(zhǎng)，2007年至今一直從事管道材料與完整性研究工作，聯(lián)系方式：13832683655，fanyr1226@163.com。