碳纖維復合材料在城鎮(zhèn)燃氣管道維修補強中的應

背景

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設十分迅速。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，主要的修復技術包括：焊接、換管、夾具、纖維復合材料修復等[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。
夾具修復方法的原理是使用金屬夾具包覆在缺陷管道外，恢復管道承壓能力。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、操作復雜、難以施工的弱點十分明顯。

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纖維復合材料修復補強技術做為一種高效快捷的新型修復技術，已經(jīng)在油氣管道維護和大修中得到應用[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，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合材料和玻璃纖維復合材料兩種纖維復合材料補強技術。碳纖維材料具有優(yōu)異的拉伸強度和彈性模量，代表著纖維復合材料補強技術的發(fā)展趨勢。

碳纖維復合材料修復技術

纖維復合材料修復技術使用填平樹脂對管道缺陷進行填平處理，然后配合專用粘結劑在需要補強的管道外纏繞纖維材料，形成纖維復合材料補強層。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，從而達到恢復管道設計運行壓力的目的。
碳纖維材料是一種在航空航天、軍工、高壓管道和壓力容器、建筑結構工程補強(橋梁、電站、水利工程及古建筑)等領域得到廣泛應用的高新技術材料，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，纖維復合材料對壓力管道的修復效果取決于復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。

碳纖維復合材料補強技術用于管道補強具有如下技術優(yōu)點：
①免焊不動火，可在帶壓運行狀態(tài)下修復：
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，有利于復合材料盡可能多的承載管道壓力，降低含缺陷管道的應力水平，限制管道的膨脹變形；
④碳纖維的抗拉強度高，用于管道修復具有極高的安全性：并且碳纖維復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；
⑦可以用于腐蝕、機械損傷和裂紋等缺陷修復補強，也可用于整個管段的提壓增強處理。應用范圍廣。

燃氣管道搶修案例

北京某燃氣管道(設計壓力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)有關部門研究決定采用碳纖維復合材料補強技術對此管道進行搶修。首先使用填平樹脂對凹陷進行填平修復處理，然后纏繞高強度碳纖維復合料(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)壓時管壁應力分布進行計算。計算依據(jù)為環(huán)向應力計算公式[5]：

式中：
σh——環(huán)向應力(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)的運行壓力設定為2.5MPa。碳纖維復合材料補強層數(shù)為4層。根據(jù)上述條件計算得到未補強管道中的環(huán)向應力與補強后管道中的環(huán)向應力分布云圖見圖3。
沿著圖1所示的邊緣線繪制管壁的環(huán)向應力分布，管道補強前后的應力對比見圖4。
由計算結果可知未補強管道凹陷的邊緣處存在嚴重的應力集中。最大的環(huán)向應力數(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)向應力。并且這個應力數(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，使管道缺陷處應力集中更嚴重。



采用碳纖維復合材料補強技術后，管道中環(huán)向應力有明顯的降低，最嚴重區(qū)域的環(huán)向應力為189MPa。這個應力數(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，管壁的應力集中將大大緩解，管道將處于安全應力范圍內(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合材料，確保復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)完成了預處理、修復和回填工作。

小結

碳纖維復合材料修復補強技術相對于其他類型的修復技術，具有更高的安全性、可靠性及適應性。對于燃氣管道凹坑類型的機械損傷有較好的修復能力。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.碳纖維復合材料焊縫補強技術研究.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. 輸氣管道工程設計規(guī)范.GB 50251-2003.

來源:劉國 鄭巖