管道維搶修復(fù)合材料應(yīng)用淺析

程 磊

(中國石油西部管道新疆輸油氣分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

復(fù)合材料使用的歷史由來已久，20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料，從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。利用復(fù)合材料進(jìn)行鋼質(zhì)管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的技術(shù)是上世紀(jì)90 年代以后發(fā)展起來的技術(shù)。這種修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的主要思路是利用纖維材料在纖維方向的高強(qiáng)度特性，利用粘結(jié)樹脂在服役管道外邊包覆一個(gè)復(fù)合材料修復(fù)管道層，來恢復(fù)含缺陷管道的服役強(qiáng)度。其優(yōu)點(diǎn)是不用在服役管道上進(jìn)行焊接，避免了焊穿和發(fā)生氫脆、冷脆的風(fēng)險(xiǎn)。這類方法進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的費(fèi)用在焊接修復(fù)方法和夾具修復(fù)方法之間，其綜合性價(jià)比在三種類型之間是最好的。在國外，復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)已成為各個(gè)管道公司普遍接受的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)[1,2]。管道維修中使用的復(fù)合材料是在各種基體樹脂中加入增強(qiáng)纖維的復(fù)合材料。基體樹脂一般為環(huán)氧樹脂、聚氨酯、酚醛、乙烯基或聚酯。增強(qiáng)纖維一般為碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維或其他具有有效增強(qiáng)效果的纖維材料。

不同標(biāo)準(zhǔn)[3-5]及相關(guān)文獻(xiàn)[6]報(bào)道了復(fù)合材料可修復(fù)的缺陷類型，但未有統(tǒng)一結(jié)論，特別是對(duì)于環(huán)焊縫缺陷，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間仍存在矛盾。同時(shí)，在實(shí)際做法中，有關(guān)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)厚度計(jì)算依據(jù)，仍存在爭(zhēng)議。本文在簡(jiǎn)單介紹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料修復(fù)缺陷類型規(guī)定后，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和理論分析，認(rèn)為復(fù)合材料不適用于環(huán)焊縫缺陷的修復(fù)，但錯(cuò)邊缺陷，則可使用復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)變形協(xié)調(diào)和強(qiáng)度匹配做了詳細(xì)分析，認(rèn)為復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)厚度計(jì)算依據(jù)應(yīng)以變形協(xié)調(diào)為優(yōu)先考慮因素。

1 復(fù)合材料在管道維修中的應(yīng)用

1.1 復(fù)合材料可修復(fù)缺陷類型

國內(nèi)主要的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)復(fù)合材料可修復(fù)的缺陷類型規(guī)定見表1。由表1可知，對(duì)于鋼管本體的外表面腐蝕、金屬損失、軸向裂紋、平滑凹陷等4類缺陷，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為可作為永久修復(fù)方式，因此復(fù)合材料主要用于這4類缺陷的修復(fù)。對(duì)于管道內(nèi)表面缺陷，在確保內(nèi)表面缺陷不生長(zhǎng)情況下，復(fù)合材料也適用。但對(duì)于環(huán)焊縫缺陷，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中只有Q/SY 1592—2013認(rèn)為可作為管道永久修復(fù)方式，其他2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為不可用于環(huán)焊縫修復(fù)，其原因是復(fù)合材料在軸向約束力方面沒有得到證明。

表1 復(fù)合材料可修復(fù)的缺陷列表

注：表中t表示管壁厚度，D表示管道外徑

為驗(yàn)證復(fù)合材料對(duì)環(huán)焊縫的修復(fù)效果，本文進(jìn)行了一組試驗(yàn)。制作長(zhǎng)12 m的1 219×18.4 mm X80管段2段，每個(gè)管段中間預(yù)制環(huán)焊縫，環(huán)焊縫根部預(yù)制深度12 mm(2/3t)，環(huán)向長(zhǎng)300 mm的裂紋缺陷。其中一個(gè)管段不采用任何補(bǔ)強(qiáng)手段，直接進(jìn)行水壓試驗(yàn)，爆破壓力為21.5 MPa；另一個(gè)管段采用23層玻璃纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)長(zhǎng)度623 mm，爆破壓力為22.3 MPa。由此可見，玻璃纖維的補(bǔ)強(qiáng)后爆破壓力僅提高了0.8 MPa，補(bǔ)強(qiáng)效果基本為零。因此本文認(rèn)為復(fù)合材料適用于管體缺陷的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)，而不適用于環(huán)焊縫缺陷。

1.2 復(fù)合材料修復(fù)環(huán)焊縫錯(cuò)邊缺陷探討

上節(jié)討論了復(fù)合材料并不適用于環(huán)焊縫內(nèi)部缺陷，但對(duì)于錯(cuò)邊缺陷，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)均未作出明確規(guī)定復(fù)合材料是否可進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7],錯(cuò)邊缺陷對(duì)管道服役的主要危害是引起環(huán)焊縫局部應(yīng)力集中，降低環(huán)焊縫抵抗外部橫向載荷的能力，同時(shí)若該局部恰好存在某個(gè)缺陷，則可能會(huì)加速缺陷擴(kuò)展導(dǎo)致環(huán)焊縫斷裂。

在承受內(nèi)壓情況下，典型的等壁厚錯(cuò)邊缺陷引起應(yīng)力集中系數(shù)為：

(1)

式中，Rb表示內(nèi)壓引起的彎曲應(yīng)力與內(nèi)壓引起軸向應(yīng)力的比例因子，e表示錯(cuò)邊量，t表示管道壁厚。可見，壁厚越厚，相同錯(cuò)邊量的危害越小，故增加管道壁厚可有效降低環(huán)焊縫局部的應(yīng)力集中系數(shù)，因此進(jìn)行復(fù)合材料修復(fù)相當(dāng)于增加管道壁厚，對(duì)管道服役安全有一定作用。

必須指出，由于復(fù)合材料對(duì)管道軸向的補(bǔ)強(qiáng)效果不夠明顯，其僅靠底膠粘結(jié)的剪切強(qiáng)度和部分纖維材料的剪切強(qiáng)度進(jìn)行軸向力傳遞，因此對(duì)于錯(cuò)邊處又存在經(jīng)服役適用性評(píng)價(jià)不可接受的缺陷，則建議采用其他方法進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

2 復(fù)合材料維修層厚度的確定

2.1 基于變形協(xié)調(diào)原理

根據(jù)文獻(xiàn)[2,3,8],當(dāng)管道沒有泄漏，且承載管體沒有屈服時(shí)，對(duì)于承受內(nèi)壓為主的長(zhǎng)輸管道，修復(fù)層的最小厚度公式為：

(2)

(3)

式中：ts為同等級(jí)鋼材修復(fù)厚度，mm；tc為復(fù)合材料最小修復(fù)厚度，mm；D為管道外徑，mm；σs為管道規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，MPa；Es為管道材料的彈性模量，GPa；Ec為單層復(fù)合材料纖維布的拉伸模量，MPa；P為管道的設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa；Ps為當(dāng)前缺陷情況下管道的最大允許工作壓力，MPa。

該公式含義為，因缺陷而損失的承壓能力，需要增加管道壁厚來抵消，而管道壁厚非動(dòng)火情況下無法增加，故通過復(fù)合材料纏繞來增加壁厚。由于復(fù)合材料和鋼管的拉伸模量不同，管壁上的應(yīng)力要按理想設(shè)計(jì)情況傳遞到復(fù)合材料上，則需要使復(fù)合材料的拉伸模量與鋼管相同或接近。使復(fù)合材料的拉伸模量與鋼管相同或接近，一種方法是使用于鋼管拉伸模量接近的復(fù)合材料，如碳纖維；另一種方法是使用玻璃纖維等低模量材料，但通過多層等效，即公式(3)最右一項(xiàng)含義，多層等效必須保證復(fù)合材料層間粘結(jié)力強(qiáng)度足夠。同時(shí)使用公式(2)、公式(3)時(shí)，前提條件是多層復(fù)合材料等效后的抗拉強(qiáng)度應(yīng)高于管道屈服強(qiáng)度。以常規(guī)的單層玻璃纖維布抗拉強(qiáng)度約450 MPa為例，若修復(fù)X80管道，不論公式(2)、公式(3)計(jì)算結(jié)果如何，至少使用2層纖維布方可使其等效抗拉強(qiáng)度大于80管道屈服強(qiáng)度。

采用公式(2)進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要事項(xiàng)是Ps的確定。Ps是通過含缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)估確定的當(dāng)前缺陷情況下的最大承載壓力。實(shí)際上，通過剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，管道實(shí)際存在的大部分體積型缺陷，特別是缺陷深度小于30%t的情況，在缺陷軸向長(zhǎng)度不是特別長(zhǎng)情況下，均不影響管道正常服役，即Ps的值基本上等同于P，因此就不需要進(jìn)行修復(fù)。但是，管道運(yùn)行單位因各種原因需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如開挖一次費(fèi)用巨大，這種情況下，如何確定Ps值就需要探討。一種簡(jiǎn)單的方法是，認(rèn)為缺陷損失是一種均勻損失，而補(bǔ)強(qiáng)的原理也不是服役適用性原理采用的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，而是管壁等厚度補(bǔ)強(qiáng)原理，即損失了多少壁厚，通過等效的復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)，基于這種思想，Ps計(jì)算公式為：

(4)

式中，d為缺陷的深度，t為管道壁厚。

若用復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)錯(cuò)邊缺陷，則ts的計(jì)算可根據(jù)服役適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出，之后再利用公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 基于等強(qiáng)度原理

一些研究[6]采用等強(qiáng)度原理，即管壁金屬損失的強(qiáng)度由復(fù)合材料的強(qiáng)度替換，使其保持與管道原設(shè)計(jì)相同的強(qiáng)度，根據(jù)此原理，復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)厚度計(jì)算公式為：

(5)

式中sc為單層復(fù)合材料產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度。該公式原理雖與公式(4)原理看似類似，但公式(4)需結(jié)合公式(2)、(3)使用，其本質(zhì)仍為應(yīng)變協(xié)調(diào)原理。對(duì)比公式(2)和公式(5)，以常用的玻璃纖維布為例，其單層纖維布的拉伸模量約為20 GPa，抗拉強(qiáng)度約為450 MPa。由于玻璃纖維和鋼材彈性模量相差近10倍，由此公式(1)計(jì)算的補(bǔ)強(qiáng)厚度遠(yuǎn)大于公式(5)計(jì)算的厚度。

若要使管道的應(yīng)力完全傳遞給復(fù)合材料，使得復(fù)合材料承受的應(yīng)力接近其抗拉強(qiáng)度，由于復(fù)合材料拉伸模量較鋼材低很多，則必須使復(fù)合材料發(fā)生較大變形。根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理，此時(shí)管體也將發(fā)生較大變形以致屈服。若以不發(fā)生屈服變形為條件，則應(yīng)謹(jǐn)慎使用公式(5)作為補(bǔ)強(qiáng)厚度依據(jù)。

3 結(jié) 論

1)復(fù)合材料適用于油氣管道管體外表面腐蝕、金屬損失、軸向裂紋、平滑凹陷的補(bǔ)強(qiáng)，不適用于環(huán)焊縫缺陷的補(bǔ)強(qiáng)，但可用于環(huán)焊縫錯(cuò)邊缺陷的補(bǔ)強(qiáng)。

2)以含缺陷管段處不發(fā)生屈服變形為服役安全的底線，應(yīng)更加考慮復(fù)合材料的環(huán)向拉伸模量，在確保不發(fā)生其他風(fēng)險(xiǎn)情況下，應(yīng)盡量使用拉伸模量與鋼管彈性模量接近的復(fù)合材料。

3)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)前，應(yīng)注重含缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算修復(fù)層厚度。