复合材料补强管道缺陷技术进展

复合材料管道缺陷修复技术进展

李荣光 吴长访 高强 王春明 1

（中国石油管道研究中心）（中国石油管道公司）（中国石油管道公司大庆输油气分公司） 摘要：管道缺陷复合材料修复技术是一种新的管体修复技术，该技术具有高模量、修复层质量轻、施工方法简单、成本低等优点。本文介绍了国内外复合材料修复技术现状，提出了一种碳纤维修复管道缺陷新技术（预浸料技术），以解决现有修复技术采用的施工方法存在施工质量难以控制的技术缺陷。

关键词：碳纤维、复合材料、环氧预浸料、管道

1． 复合材料修复技术概述

目前，全世界输油气管道总长度超过了1.7×106km ，其中相当一部分管道已服役逾30年，出现大量的外腐蚀等缺陷，导致每年用于管道修复费用在60亿到80亿美元之间[1]。一般，较为严重的外腐蚀直接采用换管或者套筒修复，修复费用昂贵。

近年来，复合材料修复技术的出现作为管体缺陷的一种新型修复技术具有很多优点。复合材料管体缺陷修复技术是利用涂敷在缺陷部位的高强度填料，以及管体上和纤维材料层间的强力胶，将作用在管道缺陷部位的应力均匀地传递到复合材料修复层上，复合材料与缺陷管道紧密结合、协同变形，合理分布缺陷管道应力，从而起到补强目的。与传统的金属材料修复方法相比，复合材料修复技术具有明显的优点：1）复合材料比强度、比模量高；2）复合材料可设计性强；3）复合材料有多种成型工艺，便于进行大面积或者结构较为复杂的补强；4）修复过程无需停输、修复时间短、成本低、现场修复所需设备简单。复合材料的这些优点基本满足了长输油气管道对管体修复材料的技术要求，已成为管体缺陷修复技术的一个发展趋势。管体缺陷修复常用的复合材料有玻璃纤维复合材料（GRP ）或碳纤维复合材料（CFRP ）等，常用的树脂包括聚酯、乙烯酯以及环氧类树脂。在复合修复技术领域，美国的ClockSpring 公司的复合修复套筒最具代表性，在北美、欧洲等国家的陆上及海上油气管道上应用非常广泛，近年亚洲一些国家也陆续开始应用。

2． 技术现状及存在问题

目前，复合材料管体缺陷修复技术主要有两种修复方法，一种是预成型法，一种是湿缠绕法。预成型法（Full cure ）是美国的Clock Spring 公司最先开发并工程化的，在管道外腐蚀缺陷修复作业中已成功应用了逾20年。

预成型法采用不饱和聚酯和玻璃纤维在工厂中预先根据含缺陷管道的管径制备复合套筒，然后在修补现场通过强力胶将复合套筒粘结于管道表面，从而起到恢复管道强度的目的。图1为Clock Spring修复管道现场照片。 1 065000，河北省廊坊市金光道51号；电话：0316-2177711。

图1 Clock Spring修复管道缺陷

这种技术的优点有：

1、 修复过程无需降压、无需动火、修复时间短；

2、 复合材料工厂预制成型，无需现场配胶，产品质量稳定，修复效果好；

主要技术缺点有：

1、复合套筒自身刚度较大，不易变形, 只能修复直管，不能用于修复异型件（弯头、三通等）；

2、一般选用纤维模量和强度较低的玻璃纤维，对管体强度的恢复效率有限；

3、复合套筒在加工中经过挤压、烘干、热处理及固化等一系列生产过程，其成本较高。 湿缠绕法（Wet wrap ）是将不含树脂的柔性纤维布缠绕在管道上，同时将树脂涂刷在纤维布上，在一定温度和时间下树脂固化并与纤维形成复合材料，复合材料紧贴与管道之上，分担了大部分载荷，从而起到修复管道的目的。湿缠绕法用于管道缺陷修复中一般以环氧树脂为复合材料的基体、以碳纤维片材为复合材料的增强材料。以美国Furmanite 公司和英国的WTR 公司为代表，该技术已成功应用在管道多种类型缺陷的修复作业中，使用温度范围达-25℃-160℃。

这种技术的优点主要有：

1、作业简便、快速，现场修复设备简单；

2、碳纤维布柔韧性好，可修复高焊缝余高、严重错边、严重变形等管体缺陷，也可用于弯头、三通等异型件的缺陷修复；

3、碳纤维的比强度高、比模量高，修补厚度薄，仅为钢材厚度的1/5就能达到相同补强效果；

4、可采用不同的粘结树脂和施工工艺，适用温度范围广。图2为碳纤维复合材料修复三通缺陷后修复区域外观。

图2碳纤维复合材料修复三通缺陷

这种修复技术存在一些缺陷，湿缠绕法需在施工现场配制胶液并进行缠绕，胶液中各组分的比例、树脂与纤维的比例、树脂对纤维的浸润程度、纤维布的平整度等参数受到施工人员熟练程度、修补量、施工环境、原材料初始状态等因素的影响，因此修复层的有效性和持久性具有一定的不确定性。另外，该技术在实施过程中的劳动环境较差、劳动效率低，树脂中的挥发性组分和纤维布上脱落的纤维毛容易引起皮肤过敏，对人体的健康有一定危害，对环境也有一定的污染。

3．新型复合材料修复技术（预浸料技术）

目前，这两种修复方法在国内管体复合材料修复作业中均取得了应用，因自身适用范围和施工方法的限制，预成型法主要在输气管道中应用，湿缠绕法则主要应用于输油管道的管体缺陷修复。如何兼顾两种方法的优点，实现修补质量、适用范围和效率三者的统一，成为复合材料管体缺陷修复技术的一个难题。

预浸料法是解决上述问题的最佳的替代方法之一。预浸料是航空航天承力复合材料结构件的常用材料，它是以连续纤维增强体和树脂体系为原料，采用排布机或预浸机使树脂体系处于溶液状态或熔融状态，在一定速度下对纤维进行浸润，得到表面由树脂包裹的纤维增强体，并通过收卷得到的一种片材。制备完成后的材料低温储存（储存温度约为-18℃），储存过程中（储存期不低于6个月）树脂几乎不固化或固化度极低。在实际使用中，它与手糊工艺用的树脂/纤维体系的最大不同点是，预浸料中树脂与纤维已复合成一体，将原料制备与修补过程分离，其优点是：

1、预浸料在工厂中可连续大批量生产，可在贮存期内随时用于修补作业，提高了修补的灵活性和施工效率；

2

、预浸料的制备采用自动化生产设备，其过程可严格按照相关标准和技术要求执行，

这种规范化的、标准化的工艺可充分保证修补材料的质量稳定性，充分发挥材料性能；

3、预浸料中树脂将纤维完全包裹，保证了树脂对纤维的良好浸润，从而保证了修补质量；其次, 树脂对纤维起到了保护作用，在贮存、运输以及使用过程中，纤维不易发生掉毛和损伤，从而极大地提高了纤维力学性能的保留率；

4、预浸料使用过程中只需将其直接缠绕在缺陷处，省去了刷涂树脂的工序，人为因素影响小，保证了修补的质量。

综上所述，预浸料法在实现油气管道低成本、高质量修复，尤其是针对大批量、重要部位的修补或损伤严重的管道缺陷修复，具有非常明显的技术优势。预浸料修补工艺与湿缠绕和预成型两种工艺在树脂特性、固化工艺方法、工装设备以及修补施工工艺等方面均有明显差别，兼备了产品性能稳定性和施工灵活性。目前，该修复方法尚没有大规范的推广应用，但因其技术优势明显、适用范围广泛，应用前景十分广阔。

4．修复技术发展趋势

随着我国多条在役管道步入老龄化阶段，管道缺陷修复需求量逐步增加，各管道运营单位都在积极寻求更加安全、经济、便捷的修复技术，对于复合材料管体缺陷修复技术的应用和开发越来越受到重视。除了预浸料修复技术，复合材料管体缺陷修复技术的发展会有以下趋势。

1、修复温度范围广，同一种复合材料修复方法可修复的温度范围宽，要求开发出性能优异的树脂体系，以满足较宽温度范围内稳定的长期性能。

2、拓宽复合材料中使用纤维类型，研究适用于不同条件下管体缺陷修复复合材料。纤维种类、质量日新月异，在管道缺陷修复中大量性能优异的纤维尚无系统研究。研究不同类型纤维和树脂复合后的材料特点，开发出适用于多种条件下管体缺陷修复的复合材料体系。

3、借助有限元分析方法或者电脑模拟，对复合材料修复效果、内应力状况作出准确的预测和分析。对修复后的管道实施有效评价，提高现场检测水平，积累相关数据，为制定复合材料修复技术相关标准、工艺规范奠定基础。

5． 结束语

复合材料管体缺陷修复在中国乃至世界都有着十分广阔的应用前景，而相关技术标准、相应施工工艺研究，配套施工设备研究，对应分析方法和模拟技术还处在发展阶段。希望随着管体缺陷修复工程需求量的日益增长，复合材料修复技术能进一步得到发展，丰富管体修复技术种类，提高管体修复技术水平。

参考文献

[1] Mohitpour M, Golshan H, Murray A. Pipeline design and construction: a practical approach. 2nd ed. New York, NY: ASME Press; 2003. 499–518.

[2] Cuthill J. Advances in materials, methods, help gain new users. Pipeline & Gas Journal Nov 2002 ; 229(11) : 64

[3]徐玉琼：管道修复用复合材料的研究进展，材料导报，2005，70，3

[4] W.K. Goertzen, M.R. Kessler. Dynamic mechanical analysis of carbon/epoxy composites for structural pipeline repair. Composites: Part B 38 (2007) 1–9

[5] 邓 杰：复合材料用中温固化环氧树脂体系的研究，化学与粘合，2004，314（6）。