一種碳纖布管道補強法在天然氣裝置中的應用探討

陳代雙，蔣學奎，魏昊天，王歡，王禮梅，卿松

（重慶長發石油天然氣安裝工程有限責任公司，重慶 401220）

1 前言

由于天然氣管線內含有硫化氫等酸性氣體的作用，管道時常會腐蝕減薄，影響天然氣凈化裝置的平穩運行，因此天然氣管道需要補強來延長壽命。在修補天然氣管道時，由于傳統的動火焊接修復需要停產作業，從而產生巨大的修復成本。當焊接的瞬時電流高到一定值時，管道內焊接部位的壁厚會隨之減小，就會造成管道被焊穿的情況，最后補救也相當困難，將會造成加固失效甚至影響裝置的平穩運行，具有一定的危險。另外焊接補強的工藝要求比較嚴格，焊接部位會出現應力集中的現象，造成管道或設備的腐蝕加劇。同時管道與補強材料間的受力均勻和性能匹配等問題，易造成氫脆和冷脆的現象，使動火作業補強的壽命難以維持持久。所以我們急需一種適用于天然氣管道加固的方式來延長管線的壽命。通過橫向比較以及調研重慶長發石油天然氣安裝工程有限責任公司實際使用情況，發現采用碳纖維布管道加強的方法能有效加固管道。

為了有效驗證碳纖維布的適用性，我們制作了試件來驗證碳纖維布對鋼管的壓力的補強效果。（1）根據已腐蝕減薄、機械損傷的工藝管道情況，制作同等壁厚或缺陷試件；（2）利用碳纖維布聯合補強試件，通過對模擬試件進行外送力學試驗，得出各種材質下補強試件與對比試件耐壓強度等指標；（3）通過對減薄管道補強試件試驗，總結出凈化裝置利用碳纖維布聯合補強壓力管道的最佳施工方法；（4）通過對各部分的數據分析和試驗情況的對比，保證在用補強管道有效安全持續運行至下一個檢修周期，避免裝置因非計劃性停車帶來的經濟損失。

2 水壓試驗（表1）

表1 水壓試驗的測試方式及結果

3 試驗結論

在碳纖維布的水壓試驗過程中，隨著碳纖維布層數的增加，能承受的最大壓力也在隨之增加，大致出現線性關系，承受的最大壓力與層數的關系見如圖1。

圖1 纏碳纖維布鋼管水壓試驗壓力記錄

纏一層的碳纖維布的鋼管能承受7MPa 的壓力，纏二層的碳纖維布的鋼管能承受14MPa 的壓力，纏三層的碳纖維布的鋼管能承受24MPa 的壓力，纏四層的碳纖維布的鋼管能承受29MPa 的壓力。根據此實驗得出結論，纏碳纖維布對鋼管承受的極限壓力有提高，如果應用在天然氣管道上，則碳纖維布對鋼管的補強效果顯著。

在穿孔的鋼管纏繞碳纖維布的水壓試驗中，試驗參照GB/T 23258-2020 鋼質管道內腐蝕控制規范的標準執行，試件都采用統一尺寸、不同層數的碳纖維布來制作。為了模擬管道腐蝕的條件，我們參照SY/T 0611 高含硫化氫氣田集輸系統內腐蝕控制規范，在高含硫化氫天然氣的管道和容器碳鋼和低碳鋼集氣管道的腐蝕余量應為2～4mm，壓力與層數的關系曲線見如圖2。

圖2 無硫酸腐蝕與腐蝕后纏碳纖維布的鋼管水壓試驗

根據數據可知，纏三層的碳纖維布已穿孔的鋼管能承受1.2MPa 的壓力，纏五層的碳纖維布已穿孔的鋼管能承受1.6MPa 的壓力，經過腐蝕后纏三層的碳纖維布的鋼管能承受1.0MPa 的壓力，纏五層的碳纖維布的鋼管能承受1.6MPa 的壓力。

試驗結果證明，鋼管腐蝕對于碳纖維布的補強效果無影響，且層數越多能承受的壓力越大，但對于穿孔的管道，纏碳纖維布補漏的方法所能承受的壓力過小，在生產實際中不建議使用碳纖維對已經穿孔的管道進行補漏。

4 結語

通過以上四項試驗，得出如下結論：（1）在碳纖維布的水壓試驗過程中，隨著碳纖維布層數的增加，能承受的最大壓力也在隨之增加，大致出現線性上升關系。（2）使用碳纖維布補強對鋼管承受的極限壓力有提高，如應用在天然氣管道上，則碳纖維布對天然氣管道補強效果顯著。（3）在穿孔的鋼管纏繞碳纖維布的水壓試驗中，證明隨著碳纖維布層數的增多，鋼管能承受的最大壓力也隨之增多。（4）鋼管腐蝕對于碳纖維布的補強效果無影響，且層數越多能承受的壓力越大，但對于穿孔的管道，纏碳纖維布補漏的方法所能承受的壓力過小，在生產實際中不建議使用碳纖維對已穿孔的鋼管進行補漏。

綜上所述，碳纖維布確實能有效補強管道，提高管道壽命，實現天然氣裝置不停產的管道補強。