碳纖維復(fù)合材料在城鎮(zhèn)燃氣管道維修補強中的應(yīng)

背景

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設(shè)十分迅速。第三方損害及防腐層破損引起的腐蝕缺陷是威脅在役城鎮(zhèn)燃氣管道安全運行的主要風險因素。目前，針對機械損傷或腐蝕缺陷而尚未泄漏的燃氣管道，主要的修復(fù)技術(shù)包括：焊接、換管、夾具、纖維復(fù)合材料修復(fù)等[1]。
對于中、低壓燃氣管線，可以在管道降壓或停輸之后采用焊接修復(fù)或換管，實施取決于管道能否停輸及停輸造成的社會影響。采用焊接方法對中高壓燃氣管道修復(fù)具有很大的危險性。由焊接引起的燃氣管道安全事故屢見不鮮。換管的經(jīng)濟成本和社會成本都非常高，在交通流量較大或人口稠密地區(qū)受到嚴重制約。
夾具修復(fù)方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外，恢復(fù)管道承壓能力。特點是能夠在不破壞原有管道的情況下進行增強。但夾具方法操作復(fù)雜，在一定條件下用于處理泄漏的管道具有明顯的優(yōu)勢，而對于沒有泄漏的管道，其造價高、操作復(fù)雜、難以施工的弱點十分明顯。

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纖維復(fù)合材料修復(fù)補強技術(shù)做為一種高效快捷的新型修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)在油氣管道維護和大修中得到應(yīng)用[2][3]。其優(yōu)點是免焊不動火，極大地降低了操作的風險性，并且在尚未有泄漏的補強中，可以帶壓修復(fù)，保障管道運行的不間斷。目前國際國內(nèi)市場上存在碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料兩種纖維復(fù)合材料補強技術(shù)。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強度和彈性模量，代表著纖維復(fù)合材料補強技術(shù)的發(fā)展趨勢。

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)

纖維復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)使用填平樹脂對管道缺陷進行填平處理，然后配合專用粘結(jié)劑在需要補強的管道外纏繞纖維材料，形成纖維復(fù)合材料補強層。補強層固化后，與管道形成一體，代替管道材料承載管內(nèi)壓力，從而達到恢復(fù)管道設(shè)計運行壓力的目的。
碳纖維材料是一種在航空航天、軍工、高壓管道和壓力容器、建筑結(jié)構(gòu)工程補強(橋梁、電站、水利工程及古建筑)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)材料，它具有非常高的抗拉強度和彈性模量。

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美國天然氣研究協(xié)會(Gas Research Institute)的研究表明，纖維復(fù)合材料對壓力管道的修復(fù)效果取決于復(fù)合材料的抗拉強度和彈性模量[4]。碳纖維材料具有優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度超過3500MPa，遠遠大于鋼材和玻璃纖維的抗拉強度，碳纖維復(fù)合材料的彈性模量與鋼材的彈性模量(207×103MPa)幾乎完全相同，補強層與鋼管具有非常好的變形協(xié)同性。補強層能夠替代管道缺陷處承擔管道的內(nèi)壓。

碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)用于管道補強具有如下技術(shù)優(yōu)點：
①免焊不動火，可在帶壓運行狀態(tài)下修復(fù)：
②施工簡便快捷，操作時間短：
③碳纖維彈性模量與鋼的彈性模量十分接近，有利于復(fù)合材料盡可能多的承載管道壓力，降低含缺陷管道的應(yīng)力水平，限制管道的膨脹變形；
④碳纖維的抗拉強度高，用于管道修復(fù)具有極高的安全性：并且碳纖維復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)異，其強度隨著服役時間增加基本保持不變；

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⑤碳纖維復(fù)合材料補強層厚度小，方便后續(xù)的防腐處理：
⑥碳纖維補強纏繞、鋪設(shè)方式靈活?？蓪Νh(huán)焊縫和螺旋焊縫缺陷(包括高焊縫余高和嚴重錯邊)補強：還可對彎管、三通、大小頭等不規(guī)則管件修復(fù)；
⑦可以用于腐蝕、機械損傷和裂紋等缺陷修復(fù)補強，也可用于整個管段的提壓增強處理。應(yīng)用范圍廣。

燃氣管道搶修案例

北京某燃氣管道(設(shè)計壓力2.5MPa、管徑DN700)位于北五環(huán)路。燃氣管道運營多年后，在道路建設(shè)過程中，道路調(diào)整路面高程，未與燃氣管理部門聯(lián)系，擅自施工，造成燃氣管道覆土車行道下最淺處不足0.5m。燃氣公司確定在該段管道上方增加混凝土蓋板以保證安全。加裝蓋板前，在管道表面最上側(cè)發(fā)現(xiàn)兩個機械損傷凹陷，凹陷1深20mm，凹陷外沿直徑約100mm：凹陷2深8mm左右，凹陷外沿直徑約120mm。兩個凹陷相距430mm。對缺陷處管道壁厚測量發(fā)現(xiàn)，管道凹陷處管壁有減薄，減薄大約1mm。管道表面存在一定的腐蝕。經(jīng)初步分析，認為凹陷坑是道路施工時外力沖擊造成。

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經(jīng)有關(guān)部門研究決定采用碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)對此管道進行搶修。首先使用填平樹脂對凹陷進行填平修復(fù)處理，然后纏繞高強度碳纖維復(fù)合料(見圖1)。

補強方案確立后，使用有限元分析軟件對該方案進行驗證計算。
首先對無缺陷管道承受內(nèi)壓時管壁應(yīng)力分布進行計算。計算依據(jù)為環(huán)向應(yīng)力計算公式[5]：

式中：
σh——環(huán)向應(yīng)力(MPa)；
P——內(nèi)壓(MPa)；
D——平均外徑(m)：
δ——壁厚(m)；
在管道完好無損情況下，承受2.5MPa的內(nèi)壓時，管道內(nèi)環(huán)向應(yīng)力為98.75MPa。建立有限元模2對該方案進行分析。在有限元模型中，對較嚴重的凹陷1(深20mm，外沿直徑100mm)進行模擬計算。便于建立模型，僅取管道的1/8建立模型，見圖2。
在有限元模型中，鋼材的彈性模量取207×103MPa，泊松比為O.3，屈服強度為290MPa。管道內(nèi)的運行壓力設(shè)定為2.5MPa。碳纖維復(fù)合材料補強層數(shù)為4層。根據(jù)上述條件計算得到未補強管道中的環(huán)向應(yīng)力與補強后管道中的環(huán)向應(yīng)力分布云圖見圖3。
沿著圖1所示的邊緣線繪制管壁的環(huán)向應(yīng)力分布，管道補強前后的應(yīng)力對比見圖4。
由計算結(jié)果可知未補強管道凹陷的邊緣處存在嚴重的應(yīng)力集中。最大的環(huán)向應(yīng)力數(shù)值達到345MPa，遠遠超過無缺陷管道承載2.5MPa壓力時的管壁環(huán)向應(yīng)力。并且這個應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)超過了鋼材的屈服強度，導致局部區(qū)域發(fā)生塑性變形。此管道存在內(nèi)壓波動，并且長期承受路面載重汽車碾壓。在內(nèi)外疲勞載荷的作用下，極易在應(yīng)力集中處發(fā)生疲勞破壞。如不進行補強處理，凹陷處壁厚可能繼續(xù)減少，使管道缺陷處應(yīng)力集中更嚴重。



采用碳纖維復(fù)合材料補強技術(shù)后，管道中環(huán)向應(yīng)力有明顯的降低，最嚴重區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力為189MPa。這個應(yīng)力數(shù)值低于鋼材的屈服強度，管道變形尚處于彈性變形范圍。管道經(jīng)過補強處理后，管壁的應(yīng)力集中將大大緩解，管道將處于安全應(yīng)力范圍內(nèi)。 內(nèi)容來自123456

補強方案確定后的施工流程為：
①對管道外表面進行預(yù)處理，清除防腐層：
②使用電動除銹工具打磨管道表面，達到St3級的除銹要求：
③使用清洗劑清洗管道表面并使之充分干燥：
④在凹陷處涂抹填平樹脂，修補至缺陷部位表面平整：
⑤填平樹脂初步固化后，纏繞高強度碳纖維復(fù)合材料，確保復(fù)合材料覆蓋了缺陷部位，纏繞層數(shù)為4層：
⑥對補強區(qū)域進行防腐處理，然后回填。
由于該管線位于交通主干道下，搶修施工時，交通管理部門要求在6h內(nèi)完成從開挖到回填的整個工序。經(jīng)現(xiàn)場人員全力以赴，在4h內(nèi)完成了預(yù)處理、修復(fù)和回填工作。

小結(jié)

碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補強技術(shù)相對于其他類型的修復(fù)技術(shù)，具有更高的安全性、可靠性及適應(yīng)性。對于燃氣管道凹坑類型的機械損傷有較好的修復(fù)能力。為今后類似問題的解決提供了參考。

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參考文獻
1. 路民旭，陳迎鋒等.管道維修補強技術(shù)及其發(fā)展趨勢.油氣儲運，2005 Vol.24 No.z1 P.129-132.
2. 王修云，鄭巖等.碳纖維復(fù)合材料焊縫補強技術(shù)研究.油氣儲運，2005 Vol.24 No.z1 P.133-137.
3. Chris Alexander，Bob Francini，STATE OF THE ART ASSESSMENT OF COMPOSITE SYSTEMS USET TO REPAIR TRANSMISSION PIPELINE，PROCEEDING OF ICP 2006，6th International Pipeline Conference，September 25-29，Calgary,Alberta，Canada.
4. Stephens,D.R.and Kilinski,T.J.，F(xiàn)ield validation of Composite Repair of Gas Transmission Pipelines，F(xiàn)inal Report to the Gas Research Institute，Chicago,Illinos,GRI-98/0032，April 1998.
5. 輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范.GB 50251-2003.

來源:劉國 鄭巖