碳纖維補強技術在石化裝置的應用分析

米 濤

（中國石化青島石油化工有限責任公司，山東青島 266043）

0 引言

石油化工等能源行業的發展對國家經濟發展有著重大影響，尤其是在當前全球能源需求日益緊張的背景下，石化行業的戰略地位越來越重要。目前石化裝置的發展趨于大型化、一體化，其輸送介質的特點也日趨復雜，在生產實踐中存在大量泄漏、爆炸以及中毒等風險，給企業經濟效益增長構成嚴重的威脅。為此，石化企業就必須遵循穩定性、可靠性、安全性原則，提高石化裝置的運行水平。碳纖維補強技術在石化裝置管道中具有很高的應用價值，可以有效解決一些管道腐蝕與破壞問題，因此有必要圍繞其在石化裝置的應用進行探討與研究。

1 石化裝置概況

石化裝置的運行具有很強的周期性與系統性，期間包含設計、采購、安裝、開停工、材料管理、維修管理等方面工作。因為受到多方面因素的影響，控制石化裝置運行的穩定性與可靠性往往具有一定難度。本質上，石化裝置正常運行必須建立在設備管理合理、狀態良好的基礎之上。目前，石油化工企業必須致力于現代新型技術的研究與開發，遵循科學性、有效性原則，使石化裝置的運行狀態趨于穩定、可靠，從而規避相關風險。

在當前國際市場競爭日益激烈的情況下，石化企業對石化裝置運行周期的要求越來越高。一直以來，石化企業都十分關注石化裝置運行管理問題，并致力于提高其運行周期，石化裝置的檢修周期從最早的一年一修到現在的4 年一修，可以說取得的成果非常突出。當然，與一些發達國家相比，我國石化裝置的運行管理依然存在著一些問題。實際上，裝置的運行周期長短在很大程度上取決于設備運行周期的長短，如果設備能夠保持良好的運行狀態，那么石化裝置的運行自然也會趨于穩定、可靠。因此，如何做好設備管理工作，促使完整性與周期性得到強化具有重大的現實意義。在設備完整性管理工作中，修復補強是非常關鍵的一個環節，而碳纖維補強修復技術的運用，則大大緩解了石油化工行業中的管道修復壓力，因此，有必要圍繞該項技術在實踐中的應用與發展展開深入的探索與研究。

2 碳纖維補強修復技術

2.1 技術類型

（1）預成型法。所謂的預成型法，就是提前在工廠利用不飽和聚酯和碳纖維來處理缺陷管道，根據管道管徑進行復合套筒的預制工作，然后在現場管道表面利用強力膠將其與復合層粘結到一起，從而使管道恢復強度。預成型法最早源自美國，修復材料以玻璃纖維為主，主要用于壓力管道外腐蝕缺陷修復，至今已有20 多年的歷史。

（2）濕纏繞法。濕纏繞法就是先在管道上纏繞碳纖維布，然后在纖維布上涂刷樹脂，按照特定的溫度與時間使樹脂固化、與纖維布形成一層復合層，并與原有管壁緊密地貼合在一起，在管道承受圓周應力時分攤管道腐蝕部位的集中應力，最后使管道缺陷部位維持在一個安全的狀態。該項技術也源自于美國，在很多管道缺陷修復中具有很高的應用價值。濕纏繞法對溫度有一定要求，一般以-25～160 ℃為宜。

2.2 適用范圍

碳纖維復合材料修復技術有一定的適用范圍，在管道外部腐蝕、機械損傷、內腐蝕以及磨損、生產過程中出現泄漏與缺陷等情況下，使用效果比較理想。以內腐蝕為例，在設備與管道修復中維修人員需要分析實際情況，確定維修壽命，從而充分發揮碳纖維修復補強技術的作用。

2.3 技術特點

目前，在很多石化裝置管道修復技術中，碳纖維補強修復技術有著非常突出的優勢。在我國長輸油氣管道與城鎮燃氣管道的使用與運行過程中，碳纖維補強修復技術的應用也趨成熟。該項技術主要有以下6 個應用特點：

（1）該修復技術應該建立在“三不”的基礎上，即不卸料、不泄壓、不動火。該項技術不需要采取焊接的方式，減少管道運行風險同時可以確保管道運行不會中斷，促使石化裝置運行周期趨于穩定。

（2）與其他材料相比，碳纖維在彈性模量、抗拉強度以及延伸率方面都具有突出優勢，如其與碳鋼具有幾乎相同的彈性模量。美國天然氣研究協會的調查與研究發現，在壓力管道修復工作中復合材料的抗拉強度與彈性模量往往決定了其修復效果，這樣碳纖維的特性決定了其具有較高的應用價值。

（3）碳纖維復合材料與修補劑的各方面特性均比較突出，如層間剪切強度、耐腐蝕能力、耐溫性能以及抗老化性等比較高。

（4）因為復合材料補強層厚度薄且質量低，其與管道的協同性相對理想，復合材料不會對管體造成二次損傷。

（5）碳纖維布具有良好的柔韌性，在焊縫余高偏高、錯邊與變形比較嚴重的缺陷修復中能夠取得理想的效果。與此同時，碳纖維還能夠在彎管、三通以及大小頭等不規則關鍵修復中發揮較好的作用

（6）碳纖維補強修復技術具有較強的靈活性，而且修復難度不大，能夠在短時間內完成修復作業。

3 碳纖維補強修復技術在含缺陷壓力管道中的應用

3.1 石化裝置壓力管道損傷分析

以某石化企業為例，對其石化裝置壓力管道損傷進行研究。該企業每年壓力管道檢驗長度為200 km，近幾年缺陷率為10%左右。通過分析可知，管道缺陷主要分為3 種，即腐蝕、應力腐蝕開裂以及原始缺陷。調查還發現，腐蝕與原始超標缺陷為主要的缺陷形式，考慮到強度因素對含缺陷因素造成的影響使其產生破裂與泄漏，技術人員選擇補強修復方式來實現管道運行狀態的調整，從而有效控制非計劃停車，延長管道使用壽命。

3.2 修復方案

在對管道缺陷情況進行檢測的過程中，技術人員對缺陷的具體參數進行了確認，并根據管道運行工況與承受能力，遵循安全性、可靠性、經濟性以及科學性原則，對管道缺陷修復方案進行了設計。

選取腐蝕減薄或穿孔管道修復為例。之前企業對這類含缺陷管道的修復都是采用局部更換管段或者焊接修復的方式，然而這種修復方式違背了“三不”原則（即不接受不良品、不制造不良品、不流出不良品），限制到上下游的正常生產且安全風險較大，對裝置運行周期造成一定影響。為了保障生產活動正常進行，技術人員選擇了碳纖維符合材料修復補強技術。在技術應用過程中，需要充分考慮使用單位的修復目標以及設備服役情況，并按照一定規范標準，確定修復層厚度的最小值、補強層數、軸向修復長度等參數，確保管道最大許可操作壓力符合修復要求，從而在管道正常運行的情況下完成修復補強作業。

3.3 施工控制要點

（1）預處理。在施工準備階段，技術人員需要對修復方案進行仔細閱讀，從而確定修復范圍并做好標記。在預處理過程中，首先要按照一定規范標準，采用機械或噴砂除銹的方式，清除管道缺陷軸向兩邊一定距離的表面防腐層與氧化物。如果管道腐蝕情況嚴重，那么在清理表面時還應該采取降壓操作，

（2）填縫。對于腐蝕缺陷，應該用修補劑填充，并且修補劑應在現場進行調制。在填補過程中，填補位置邊緣與管體表面應趨于平滑，確保其固化水平達到一定要求，如此才能使碳纖維符合材料與修補劑接觸到位，不會發生空鼓現象。

（3）環氧底漆涂抹。按照超過0.2 mm 的厚度標準，將環氧底漆涂涂抹在管道補強位置，從而有效隔離碳纖維符合材料與管壁，有效控制電偶腐蝕問題。

（4）碳纖維包覆。使用環氧樹脂與碳纖維片材鋪粘到一起，使纖維復合層材料補強層得以形成。碳纖維布應該保持緊繃狀態，可以施加相應的預緊力并進行反復輥壓，從而消除復合材料層、材料以及管道外表面間的氣泡與空鼓。

（5）固化與后期處理。在完成補強修復之后，應該做好補強區域樹脂固化工作，具體操作可以選擇塑料薄膜進行覆蓋，確保規避風沙、雨水等干擾。在作業溫度不超過5 ℃的情況下，還要調整材料或者采取加溫措施來保障固化效果。在后期處理工作中，還要在保溫管道表面涂刷防腐涂漆，恢復保溫層。

4 結束語

石化企業為了保障自身綜合效益，就必須遵循穩定性、可靠性、安全性原則，提高石化裝置的運行水平。碳纖維補強技術可以有效解決一些管道腐蝕與破壞問題，在石化裝置管道中具有很高的應用價值，因此有必要圍繞其在石化裝置的應用進行探討與研究。